CC BY
70
УДК 622.242.05
НОВАЯ МЕТОДИКА БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ
© А.Е. Беляев1, И.А. Уваров2, С.Ю. Красноштанов3
1,3Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2ЗАО АК «АЛРОСА», Нюрбинский горно-обогатительный комбинат,
678170, Республика Саха (Якутия), г. Мирный, Ленинградский проспект, 20б.
На основании анализа условий и накопленного опыта бурения скважин на карьерах Сибири и севера России предложена технология бурения взрывных скважин, основанная на стабилизации температурного режима скважины, соответствии типа и параметров долота свойствам пород, а параметров станка - специфическим условиям бурения. Предложен буровой инструмент комбинированного и режущего типов, а также устройства для охлаждения сжатого воздуха, подаваемого в скважину для стабилизации температурного режима. В целях повышения стойкости опор шарошечных долот предложены устройства принудительной автоматической смазки подшипниковых опор с помощью сжатого воздуха, подаваемого на продувку скважины. Разработанная инженерная методика бурения взрывных скважин широко апробирована и полностью или частично внедрена в производство на карьерах АК «АЛРОСА» Республики Саха (Якутия). Ил. 3. Табл. 3. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: бурение; скважина; буровой станок; теплообменник; температурный режим; технология бурения; шарошечное долото; режущее долото; комбинированный буровой инструмент.
NEW PROCEDURE OF BLAST HOLE DRILLING IN PERMAFROST A.E. Belyaev, I.A. Uvarov, S.Yu. Krasnoshtanov
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. "ALROSA" CJSC,
Nyurbinsky Mining and Processing Works,
20b Leningradskiy pr., Mirny, Republic of Sakha (Yakutia), 678170.
Having analyzed the conditions and accumulated experience of well drilling in the workings of Siberia and Northern Russia, the authors propose a blast hole drilling technology based on well temperature stabilization, accordance of bore bit type and parameters to rock properties, and drilling rig parameters to specific drilling conditions. A drilling tool of combined and cutting type is suggested, as well as the devices for cooling the compressed air supplied into the well for temperature stabilization. In order to increase the drilling life of bit legs the authors propose the devices of forced automatic lubrication of bearings assembly by means of the compressed air supplied for the blowing of a hole. Developed engineering procedure of drilling blast holes has been widely tested and fully or partly implemented in production open-pit mines of "ALROSA" SC of the Republic of Sakha (Yakutia). 3 figures. 3 tables. 4 sources.
Key words: drilling; well; drilling rig; heat exchanger; temperature (conditions); drilling technology; roller cone bit; cutting bit; combined drilling tool.
Качество подготовки взрывной массы к экскавации влияет на эффективность открытой добычи полезных ископаемых в целом. Под качеством буровзрывной подготовки следует понимать совокупность свойств горной массы, оказывающих влияние на эффективность последующих технологических процессов. Управление качеством подготовки горной массы к выемке включает комплекс мероприятий инженерно-
технического, организационного и экономического характера, обеспечивающих целенаправленное изменение свойств подготавливаемой горной массы в соответствии с требованиями технологии и ее экологической безопасности.
Изменение физико-технических, мерзлотных и гидрогеологических свойств горных пород, слагающих уступы, и низкие температуры окружающей среды
1 Беляев Александр Евгеньевич, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электромеханических систем, действительный член РАЕН, тел.: 89025122517, e-mail: [email protected]
Belyaev Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, Full Member of RANS, tel.: 89025122517, e-mail: [email protected]
2Уваров Игорь Анатольевич, директор, тел.: (41136) 32005, e-mail: [email protected] Uvarov Igor, Director, tel.: (41136) 32005, e-mail: [email protected]
3Красноштанов Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, зав. кафедрой горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405869,e-mail: [email protected]
Krasnoshtanov Sergei, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405869, e-mail: [email protected]
обусловливают необходимость создания специальной инженерной методики бурения скважин в многолетне-мерзлых породах сложного структурного строения.
Температурный режим скважины определяет теп-лофизическое состояние породы и ее предрасположенность к воздействию бурового инструмента. Мно-голетнемерзлые влажные породы имеют очень неустойчивый температурный режим. Они весьма чувствительны к внешним воздействиям. Даже при малых колебаниях температуры значительно изменяются их физико-механические свойства. Это обусловлено возникновением переходных процессов в порах мерзлой породы: при любом повышении температуры часть воды переходит из твердой фазы в жидкую.
При бурении происходит нарушение температурного режима пород в скважине. От взаимодействия долота с породой в призабойной зоне возникает местный источник тепла. Тепло в скважину поступает и с воздухом, который подается на продувку. Сжатый воздух, подаваемый компрессором, имеет температуру до плюс 60-70°С. Тепло, выделяющееся при воздействии бурового инструмента на забой и вносимое в скважину продувочным воздухом, вызывает оттаивание продуктов разрушения, что приводит к нарушению процесса бурения в результате перекрытия затрубно-го пространства скважины «сальниками» из оттаявшей буровой мелочи [1].
Эффективность бурения скважин в многолетне-мерзлых сложноструктурных условиях зависит от множества факторов, которые накладывают свои ограничения на показатели бурения. Проведенные исследования работы и выбора параметров исполнительных органов станков шарошечного бурения, анализ свойств многолетнемерзлых пород, опыта бурения скважин и причин нарушений режима очистки позволили определить рациональные пути повышения эффективности бурения скважин и разработать инженерную методику бурения скважин в подобных условиях. В основе этой технологии приняты следующие положения:
- стабилизация температурного режима скважины;
- создание бурового инструмента, соответствующего условиям бурения и свойствам пород;
- отработка режимов бурения.
Идея стабилизации температурного режима заключается в охлаждении воздуха, подаваемого на продувку, до такой отрицательной температуры, при которой он в состоянии поглотить тепло, выделяемое при взаимодействии бурового инструмента с породой.
Для нормализации температурного режима буровой мелочи при использовании шарошечных долот теоретически необходимо охладить воздух, поступающий на продувку забоя скважины, до температуры минус 2°С. Рассмотренные примеры справедливы для алмазорудных карьеров Якутии с температурой многолетнемерзлых пород минус 6°С. С учетом колебаний температуры мерзлых пород, подводимой забойной мощности и прироста температур в зоне забоя рацио-
нально охлаждать продувочный воздух до температуры минус 10°С. Это можно выполнить за счет использования теплообменников батарейного и радиаторного типов [1].
Батарейный теплообменник представляет собой сварную трубчатую батарею, через которую проходит продувочный воздух (рис. 1). Батарея устанавливается на кузове станка и обдувается атмосферным воздухом с помощью вентилятора или естественным потоком. Он прост по конструкции и может быть изготовлен в механических мастерских карьера.
Рис. 1. Батарейный теплообменник: 1 - воздухосборники; 2 - подводящая труба; 3, 4 - вентили; 5 - отводящая труба; 6 - трубы
Радиаторный теплообменник состоит из набора радиаторов, соединенных посекционно (рис. 2). Через радиаторы проходит продувочный воздух, а снаружи они обдуваются с помощью вентилятора атмосферным воздухом. Батарейный и радиаторный теплообменники обеспечивают снижение температуры продувочного воздуха до минус 8-13°С при температуре атмосферного воздуха минус 18-30°С соответственно (табл. 1).
Разработанные установки для охлаждения сжатого воздуха прошли промышленную проверку на карьерах АК «АЛРОСА». Их применение обеспечило устойчивое снижение температуры продувочного воздуха и исключило случаи нарушения режимов продувки скважины.
Тип и параметры бурового инструмента. Эффективность разрушения многолетнемерзлых пород и режим очистки скважины от буровой мелочи в значительной мере зависят от типа и параметров принятого бурового инструмента. В условиях многолетнемерзлых пород возможно применение шарошечных, режущих и комбинированных режуще-шарошечных долот.
Применение шарошечных долот. Параметры шарошечного долота должны соответствовать условиям бурения. При повышенной валунистости и содержании галечного материала до 70% следует применять шарошечные долота типа КП и ОКП; при небольшом содержании валунов и содержании гальки до 50% - долота типа ТКП и КП; в гравийно-галечных отложениях
3 - электродвигатель; 4 - сварная рама; 5 - направляющий кожух
Таблица 1
Сравнительные показания бурения_
Показатель Номер серии наблюдений Среднее значение
1 2 3 4 5
Температура воздуха, °С:
атмосферного -30 -27 -23 -18 -24 -24,4
на выходе из долота без охлаждения +12 +14 +19 +25 +18 +17,6
на выходе из долота с охлаждением -13 -10 -10 -8 -11 -10,8
Механическая скорость бурения: м/мин.:
бурение без охлаждения 0,45 0,42 0,39 0,31 0,44 0,39
бурение с охлаждением 0,62 0,61 0,59 0,61 0,55 0,60
при содержании гальки до 30% - шарошечные долота типа ТП и ТКП. В песчано-илисто-глинистых породах с небольшим содержанием гравийно-галечного материала рекомендуется применять долота типа МЗ, СТП и ТП. Для применения шарошечных долот характерно значительное переизмельчение буровой мелочи с выделением большого количества тепла. В условиях неустойчивого температурного равновесия в приза-бойной зоне это приводит к растеплению буровой мелочи и нарушениям режима очистки скважины от продуктов разрушения.
С целью повышения стойкости опор шарошечных долот целесообразно применение устройств принудительной автоматической смазки шарошечных долот. Разработанные кафедрой горных машин ИрГТУ системы смазки типа УАС прошли широкую промышленную проверку на карьерах Сибири и Севера. Применение их обеспечивает увеличение производительности станков на 6,5% и снижение расхода шарошечных долот в 2,1 раза [1].
Применение режущих долот с продувкой. Режущие долота по сравнению с шарошечными имеют принципиально иную схему воздействия на породу. При взаимодействии режущего долота с породой реализуется эффект скола и обеспечивается значительное увеличение крупности буровой мелочи, снижается энергоемкость процесса и уменьшается вероятность растепления продуктов разрушения. В настоящее время теоретически обоснована и практически доказана возможность и высокая технико-экономическая эффективность работы режущего бурового инструмента в сочетании с продувкой скважин воздухом [2; 4], то есть возможность применения режущих долот на
шарошечных станках. Горно-геологические условия россыпных и алмазорудных карьеров характеризуются большим количеством вскрыши по многолетнемерз-лым песчано-илисто-глинистым отложениям с небольшим содержанием гравийно-галечного материала. Это предопределяет использование режущих буровых долот.
На основании исследования процессов взаимодействия инструмента с породой и очистки призабой-ной зоны от буровой мелочи сформулированы основные требования к конструкции режущего бурового инструмента [3]:
- для увеличения срока службы долота, возможности эффективного бурения пород повышенной крепости (до 7 по М.М. Протодьяконову) и обеспечения стабильных показателей бурения в процессе его отработки рационально использование сменных резцов;
- сплошная схема обработки забоя без оставления концентрических целичков необходима для исключения блокированного резания и обеспечения вписываемости резцов;
- расположение резцов должно обеспечивать образование ступенчатого забоя с разрывом его сплошности с целью облегчения условий их работы;
- выборочное дублирование резцов, в частности крайних, калибрующих диаметр скважины, необходимо для сокращения удельного расхода резцов.
Перечисленные требования и принципы выбора параметров положены в основу при разработке конструкций режущего инструмента для бурения скважин с продувкой сжатым воздухом [3].
Разработаны и внедрены режущие долота типа РД диаметром 160; 215,9; 244,5 и 269,9 мм конструк-
ции ИрГТУ (рис. 3), а также долота ДЗДШ конструкции СФУ. Параметрический ряд этих долот (табл. 2) отражает их конструктивные особенности и основные рабочие параметры. Результаты применения режущих долот свидетельствуют об их высокой эффективности. При переходе на режущие долота механическая скорость бурения возрастает в 1,8-2 раза, а удельное
количество выделяемого на забое тепла снижается в 2,2-2,8 раза. До минимума сокращаются случаи нарушения режима очистки скважины от буровой мелочи. Расход долот сокращается в 5-10 раз [1]. Долота РД-215,9 и 3РД-244,5 в промышленных масштабах используются на Нюрбинском ГОКе АК «АЛРОСА».
а)
б)
Рис. 3. Режущие долота для бурения с продувкой: а - РД-160ШП с сеткой резания; б - 3РД 244,5 с сеткой резания
Таблица 2
Параметрический ряд долот режущего типа
Параметр Тип долота
РД-160ШП 1РД-190 1РД- 215,9 3РД-215,9 РД-243 1РД-244,5 2РД-244,5 3РД-244,5 4РД-244,5 5РД-244,5 РД-244,5И РД-269,9Э РД-269,9 1РД-269,9 РД-280
Диаметр буримой скважины, мм 160 190 216 216 243 245 245 245 245 245 245 270 270 270 280
Расположение резцов по диаметру 4-х лучевое 4-х лучевое 4-х лучевое 4-х лучевое 4-х лучевое 4-х лучевое 2-х лучевое 4-х лучевое 3-х лучевое 4-х лучевое 4-х лучевое 3-х лучевое 3-х лучевое 4-х лучевое 4-х лучевое
Тип резцов ШБМ1С И-902 РК-8Б РК-8Б РК-8Б РК-8Б лопасть РК8Б ШБМ2С РК8Б И-90В ШБМ-2С ШБМ-2С ШБМ-2С РБ-1Э
Число линий резания 5 6 7 6 7 7 - 8 7 8 8 7 7 8 9
Число резцов 6 8 8 8 8 8 - 10 8 10 9 8 9 10 10
Скорость бурения, м/мин:
механическая до 1,5 до 1,2 до 1,2 до 2,5 до 1,5 до 1,2 до 1,5 до 1,5 до 2,0 до 2,0 до 2,0 до 1,05 до 1,5 до 1,5 до 1,5
техническая до 0,6 до 0,7 до 0,7 до 1,5 до 0,6 до 0,7 до 0,9 до 0,9 до 1,2 до 1,0 до 1,2 до 0,47 до 0,9 до 0,9 до 0,9
Крепость пород по шкале проф. М.М. Прото-дьяконова, f до 6 до 7 до 7 до 7 до 7 до 7 до 4 до 7 до 7 до 7 до 7 до 7 до 7 до 7 до 7
Стойкость корпуса долота, м до 1500 до 3000 до 3000 до 3000 до 2000 до 3000 до 2000 до 3000 до 2000 до 2500 до 3000 до 3000 до 2000 до 3000 до 3000
Расход резцов, шт./м 0,03 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 - 0,03 0,03 0,03 0,03 0,035 0,032 0,035 0,03
Основные размеры:
высота, мм; 156 276 290 222 275 275 224 270 244 270 320 267 242 264 222
толщина (диаметр по корпусу), мм 154 275 210 204 230 234 180 238 234 240 232 260 260 260 269
ширина (диаметр по резцам), мм 160 200 216 216 243 245 245 245 245 245 245 270 270 270 280
масса, кг 12 18 22 15 25 29 18 21 19 - 28 - 21 25 30
Таблица 3
Техническая характеристика параметрического ряда режуще-шарошечных долот_
Показатель Тип долота
РШД-190 РШД-215,9 1 РШД-215,9 РШД-244,5Т 1РШД-244,5Т 1РШД-244,5К РШД-244,5ТЗ
Диаметр скважины, мм 190 216 216 245 245 245 245
Тип резцов - - ШБМ2С (РК-8Б) - ШБМ2С (РК-8Б) ШБМ2С (РК-8Б) ШБМ2С (РК-8Б)
Тип шарошек СТ СТ СТ Т Т К ТЗ
Число резцов - - 5 - 6 6 6
Число линий резания - - 5 - 6 6 6
Скорость бурения, м/мин:
механическая до 1,0 до 1,2 до 1,5 до 1,2 до 1,5 до 1,5 до 1,5
техническая до 0,6 до 0,7 до 0,9 до 0,7 до 0,9 до 0,9 до 0,9
Крепость пород 7-12 до 6-12 6-12 6-12 7-12 8-12 7-14
Стойкость, м:
режущего органа до 600 до 600 до 2000 до 600 до 2000 до 2000 до 2000
шарошек до 1500 до 1600 до 1600 до 1600 до 1600 до 1600 до 1600
Расход резцов, шт./м - - 0,012 - 0,014 0,014 0,014
Основные размеры:
высота, мм 275 280 285 322 327 327 327
диаметр по шарошкам, мм 190 216 216 245 245 245 245
масса, кг 23 26 27,5 33 35 35 35
Применение комбинированных режуще-шарошечных долот. Комбинированные режуще-шарошечные долота предназначены для бурения скважин в сложных условиях, когда сравнительно мягкие, глиносодержащие породы чередуются с гравий-но-галечными отложениями или крепкими прослойками. В подобных условиях исключается возможность использования режущих долот, а применение шарошечных долот обуславливает возникновение нарушений режима очистки скважин из-за растепления продуктов разрушения при обуривании мерзлых глиносо-держащих пород. Разработанные конструкции режуще-шарошечных долот типа РШД имеют избирательное действие и позволяют обуривать мягкие породы с помощью режущего органа долота, а крепкие - совместным действием шарошечного и режущего органов.
На основании проведенных теоретических, лабораторных и производственных исследований для указанных условий разработаны конструкции комбинированных режуще-шарошечных долот типа РШД диаметром 190; 215,9 и 244,5 мм [1]. Параметрический ряд комбинированных режуще-шарошечных долот приведен в табл. 3.
Долота типа РШД прошли промышленную проверку на угольных, алмазорудных и россыпных месторождениях. Применение их обеспечивает снижение
расхода долот в 1,8-2,4 раза, увеличение механической скорости бурения - в 1,5-1,75 раза [1].
Режимы бурения. Режим бурения определяется величиной усилия подачи, частотой вращения бурового става и параметрами воздушного потока и должен приниматься сообразным типу бурового инструмента и свойствам буримых пород. Многообразие физико-механических свойств пород требует отработки режимов бурения в каждом конкретном случае. На основании проведенных наблюдений и накопленных экспериментальных данных рекомендуется с увеличением валунистости и содержания гравийно-галечного материала до 70% увеличить усилие подачи до 140-160 кН, а частоту вращения снижать до 1,1-1,5 с-1. При содержании гальки до 30% усилие подачи рационально снизить до 100-120 кН, а частоту вращения увеличить до 1,5-1,7 с-1. В многолетнемерзлых песчано-илисто-глинистых отложениях рационально усилие подачи 80-100 кН, а частота вращения - 1,7-2 с-1.
Приведенная инженерная методика прошла широкую промышленную проверку. Использование новой технологии бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии и месторождениях Северо-Востока страны позволяет повысить эффективность применения буровой техники и улучшить технико-экономические показатели работы станков.
Статья поступила 22.09.2014 г.
Библиографический список
1. Беляев А.Е. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов для бурения мерзлых сложноструктурных породных массивов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.05. Иркутск, 2005. 390 с.
2. Беляев А.Е. Принципы выбора параметров сетки резания бурового долота // Известия вузов. Горный журнал. 2000. № 1. С. 50-53.
3. Дойников Ю.А., Беляев А.Е., Страбыкин Н.Н. Разработка параметрического ряда буровых долот режущего и комбинированного типов // Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 1. С. 37-41.
4. Проектирование буровых долот для открытых горных, земляных и строительных работ / В.Д. Буткин, А.В. Гилев, С.В. Доронин [и др.]. М.: Макс Пресс, 2005. 239 с.
УДК 622.271.322.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ И ПОЛОГИМ ЗАЛЕГАНИЕМ ПЛАСТА
1 9
© Ф.В. Дудинский', К.Б. Нечаев2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На примере конкретного месторождения рассмотрена реализация методических положений для определения параметров технологии его разработки. Показана возможность использования аналитических методов расчетов, которые позволяют получить большое число расчетных промежуточных и конечных показателей технологической схемы при снижении затрат времени на стадии предварительной подготовки технического решения. Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: технология; границы технологий; технологическая схема; параметры схемы; вскрышные работы; конструкция отвалов; отвалообразование.
DETERMINING MAIN PARAMETERS OF OPEN PIT MINING OF A DEPOSIT WITH HORIZONTAL AND LOW DIPPING STRATA
F.V. Dudinskiy, K.B. Nechayev
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
On the example of a particular field, the paper considers the implementation of methodological provisions in order to determine its development technology parameters. The article also demonstrates the possibility of using analytical calculation methods, which allow to obtain a large number of estimated intermediate and final indicators of the process flow sheet while reducing the time spent at the stage of preliminary preparation of a technical solution. 2 figure. 2 tables. 3 sources.
Key words: technology; technology boundaries; flow sheet; flow sheet parameters; stripping operations; waste dump construction; dumping.
При выполнении технико-экономических оценок и подготовке технических решений по разработке месторождений, а также бизнес-планировании необходимы объемные и граничные показатели горных работ, которые можно использовать в оценочных расчетах. Предварительное обоснование исходных параметров элементов системы разработки целесообразно выполнять во взаимосвязи с параметрами технологических схем горных работ, что возможно при использовании математических методов и моделей с их реализацией в современных графических редакторах для компьютерного моделирования.
Месторождение золотоносной россыпи р. Угахан (Иркутская область) относится к долинным залежам, полезное ископаемое которого приурочено к глубокому тальвегу и нескольким террасам. Породы представлены аллювиальными отложениями, мощности которых изменяются, м: торфов - от 10,0 до 15,3 м (среднее - 13,6), пласта полезного ископаемого - от 1,17 до 2,25 (среднем 1,7). Месторождение состоит из трех террасовых глубоких участков с мощностью торфов от 19 м до 32 м (средние 13,6 м, 22,2 м, 22,8 м, 29,0 м) и мощностью пласта песков от 0,5 м до 4,5 м.
По исходным горногеологическим условиям и горнотехническим факторам месторождение подходит для разработки открытым способом с применением
продольной системы разработки. Пологое залегание пласта, значительная мощность вскрыши, изменчивость промышленного контура по ширине месторождения и ограниченное количество запасов предполагает применение комбинированной технологии на вскрышных работах. Во втором случае верхняя часть наносов отрабатывается по бестранспортной технологии с использованием драглайна ЭШ-10/70, а нижняя -с использованием экскаваторно-транспортного комплекса в составе карьерных экскаваторов ЭКГ-5А и автосамосвалов БелАЗ-7522.
На первом этапе оценок целесообразно обосновать границы применения технологий. При разработке месторождений с горизонтальными и слабонаклонными пластами эффективность совместного применения транспортных и бестранспортных технологий будет определяться шириной промышленной части месторождения и мощностью вскрыши. Для установления границы применения бестранспортной технологии по глубине в качестве критерия оценки принимается чистый дисконтированный доход и индекс доходности. Результаты расчетов показывают, что при изменении ширины контура в диапазоне от 100 до 200 м удаление вскрышных пород целесообразно выполнять по бестранспортной технологии соответственно до глубины 10-25 м.
1Дудинский Федор Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых.
Dudinskiy Fedor, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mineral Deposit Development.
2Нечаев Константин Борисович, научный сотрудник научно-исследовательской части, тел.: (3952) 405104 Nechayev Konstantin, Researcher of the Research Division, tel.: (3952) 405104.
