О рациональных режимах бурения скважин долотами с зубчато-дисковыми шарошками Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© А.В. Гилев, В.Д. Буткин,

В. Т. Чесноков, 2006

УДК 622. 23. 051

А.В. Гилев, В.Д. Буткин, В. Т. Чесноков

О РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ДОЛОТАМИ С ЗУБЧАТО-ДИСКОВЫМИ ШАРОШКАМИ

Семинар № 16

Я а карьерах России преобладает использование шарошечного бурового инструмента, которым выполняется более 80 % всех объемов бурения. До перестроечного периода в СССР объем бурения составлял около 60 млн. м скважин в год, из них на угольных разрезах около 27 млн м, в промышленности строительных материалов до 15-17 млн м. В ближайшие годы объем бурения на карьерах России составит ориентировочно 4045 млн. м, в том числе на угольных разрезах - 15-18 млн м, а на рудных и нерудных карьерах - до 25 млн м. Расход шарошечных долот составит 80-100 тысяч штук с годовыми затратами на них более 2,3 млрд руб. При этом преобладает использование долот диаметром 244,5-250,8 мм, в меньшей степени 269,9 мм, 320 мм и 190-215,9 мм (уголь).

Освоение предстоящих объемов буровых работ при существующих устаревших средствах бурения взрывных скважин потребует списочного состава буровых станков более 2000 единиц. С учетом необходимости замены старых станков затраты на буровые работы могут превысить 25-30 % на угольных разрезах и 45-50 % на карьерах от всех затрат на добычу, что связано с интенсивным ростом цен на буровое оборудование, сложные шарошечные долота (ШД) и электроэнергию. Повышение затрат связано также с ростом масштабов использования более дорогих ШД увеличенного диаметра, а следовательно,

более мощных и дорогостоящих буровых станков. Одновременно существенно возрастает стоимость машино-смены бурового станка от 5,0-5,5 тыс. руб. (станки СБР-160, БТС-150) до 6-7 тыс. руб. (станки СБШ-250МНА, РД-10).

Таким образом, назрела острая необходимость снижения затрат на буровые работы и повышения их эффективности. Основной резерв возможного полутора-двукратного повышения экономичности и производительности буровых работ кроется в освоении новых конструкций буровых инструментов и модификаций станков, в наибольшей степени отвечающих специфике карьеров и угольных разрезов.

На угольных разрезах более 70 % объема буримых пород характеризуютя коэффициентом крепости 1 до 7 (табл. 1), при бурении которых наиболее высокие технико-экономические показатели имеют долота режущего типа. Они являются дешевыми и простыми по конструкции, обеспечивают в 1,5-2,5 раза большую производительность и экономичность по сравнению с наиболее распространенными и непрерывно дорожающими ШД. Однако, практически на угольных разрезах режущими долотами выполняется лишь 30-35 % объема буровых работ, а остальные 65-70 % - шарошечными долотами. В других отраслях промышленности, где применяют

Таблица 1

Соотношение вскрышных пород с различными значениями /на разрезах России

Характеристика горных f Соотношение вскрышных пород , (%)

пород Кузбас- Канско-Ачинский Южно- Восточно-

ский бассейн и Минусинский бассейны Якутский бассейн Сибирский бассейн

Четвертичные отложения - 16 6,3 7 3

Алевролиты и аргиллиты 3-6 15 57,4 10,5 25

Песчаники:

крупнозернистые 3-5 5 3,8 18,1 20

среднезернистые 6-8 11 11,2 22,8 2

мелкозернистые 8-12 31 21 38,6 18

Конгломераты, галечни- 8-16 22 0,3 3 3

ки, крепкие известняки

Всего: 100 100 100 100

буровые работы, доля использования режущих долот значительно меньше.

Одной из главных причин медленного освоения прогрессивного метода бурения резанием является преждевременный износ вооружения применяемых в настоящее время режущих долот на периферийных участках и при встрече с прослойками пород крепостью 1 — 810, а также при бурении сложнострук-

Рис. 1. Буровой инструмент с зубчато-дисковыми шарошками (слева - ДЗДШ-244,5-3, справа - ДЗДШ-244,5-4)

турных вскрышных уступов.

Более конкурентоспособными для бурения горных пород крепостью 1 < 8 (с прослойками до 10) могут быть простые по конструкции и дешевые в изготовлении высокоскоростные буровые долота режущего действия, первые модели которых разработаны в НИИОГР и были названы долотами с вращающимися резцами. В результате дальнейших теоретических и экспериментальных работ, проводимых в ГУЦМиЗ под научным руководством Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Буткина В.Д., этот вид буро-

Таблица 2

Рациональные значения Рос, обеспечивающие устойчивый режим работы ДЗДШ -244,5 с различным числом шарошек Р

Категория пород Г ь, Рос, шт, кН

МПа м/об в= 2 в= 3 в= 4

Мягкие и довольно мяг- 2 18,2 0,0283 3 55 73

кие

Средние 4 35,0 0,020 49 74 99

Средние и довольно 6 60,0 0,015 63 95 127

крепкие

Крепкие 8 74,3 0,010 53 79 105

Крепкие 10 86,0 0,006 31 45 61

Примечание: /- коэффициент крепости пород; оме., - средний предел прочности пород при механическом бурении; Н - глубина внедрения ДЗДШ за один оборот при частоте вращения долота 100 об/мин; Рос - минимальное осевое усилие на долото, необходимое для его устойчивого режима работы

вого инструмента существенно усовершенствован и получил название долота с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ) (рис. 1).

ДЗДШ состоит из корпуса многократного использования, в пазах которого на опорах скольжения установлены сменные породоразрушающие элементы - зубчато-дисковые шарошки. В зависимости от крепости пород они могут иметь разные числа зубьев и конфигурацию рабочей части. Корпус имеет ниппель для крепления долота к штангам различного типа и каналы для подачи сжатого воздуха к забою скважины и под каждую шарошку.

При вращении шарошек все зубья ДЗДШ проходят одинаковый путь в контакте с породой, что обеспечивает их равный износ по сравнению с зубьями применяемых шарошечных и режущих долот. Такая кинематика долота позволяет зубьям шарошек находиться 50 % своего пути в скважине в рабочей зоне (зоне разрушения забоя) а 50 % - в нерабочей (зоне охлаждения), поэтому их стойкость в два раза выше по сравнению с используемыми режущими долотами (при одинаковых условиях эксплуатации).

Эффективность процесса разрушения горных пород ДЗДШ может быть обес-

печена устойчивым режимом работы шарошек, при котором они вращаются без проскальзывания и заклинивания в забое. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены рациональные значения осевых усилий ДЗДШ, в зависимости от свойств горных пород (табл. 2).

Различные модификации ДЗДШ прошли длительный этап эволюционного развития, успешно испытаны на разрезах Минусинского, Кузнецкого, Южно-Уральского, Экибастузского угольных бассейнов и Кайерканского месторождения. Они обеспечивали повышение производительности и снижение себестоимости бурения сложноструктур-ных вскрышных уступов с включениями (20-30 %) абразивных песчаников крепостью 1 = 8 - 10 в 1,5-2,0 раза по сравнению с серийными шарошечными долотами типа Т. Режущие долота со стационарными резцами в таких осложненных условиях работы оказались не конкурентоспособными.

Опытно-промышленные испытания выявили две принципиально важные технические особенности ДЗДШ. Первая особенность - высокая надежность простых опор скольжения, которые по долговечности значительно превосходят по-родоразрушающие элементы шарошек.

Рис. 2. Опытная модель разборного долота с Рис. 3. Опытная модель разборного шарошечно-зубчато-дисковыми шарошками для бурения со го бурового инструмента с корпусом много-шнековой очисткой скважин (ДЗДШ-160-З) кратного использования (РШД-244,5-3)

Рис. 4. Влияние конструктивных параметров ДЗДШ на показатели работы пневмотранспортной системы бурового станка: Ок- диаметр корпуса долота; в - число зубчато-дисковых шарошек, имеющих ширину 24 мм (1), 28 мм (2) и 32 мм (3). Горная порода - песчаник (1 до 8)

Обратное соотношение наблюдается у серийных шарошечных долот с конусными шарошками, опоры которых являются наиболее слабым (в то же время самым сложным и дорогим) звеном: при работе, как правило, преобладает их преждевременный отказ по отношению к вооружению. Вторая особенность - высокая износостойкость корпуса ДЗДШ. Например, при бурении песчаников и алевролитов на Черногорском угольном разрезе (станок РД - 10) после проходки одним комплектом зубчато-дисковых шарошек 6018 м скважин заметного износа корпуса не отмечено (сохранилась его окраска). Впоследствии этот корпус применен с другим комплектом зубчато-дисковых шарошек на Мазульском известняковом руднике ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», где пробурено 300 м скважин. При этом корпус находится в исправном состоянии и его ресурс оценивается проходкой 20-40 км скважин в зависимости от абразивности пород.

ДЗДШ с многократным использованием корпуса могут эффективно работать не только на буровых станках с пневматической и шнекопневматической, но и со шнековой очисткой скважин. Для этих условий может быть применено ДЗДШ 1-1603, предназначенное для бурения скважин буровыми станками СБР, модель которого представлена на рис. 2.

Конструктивно-технологические при-заки разборности бурового инструмента и многократного применения корпуса целесообразно распространить и на буровые долота с конусными шарошками, что повысит их экономичность на 40-50 %, не считая существенного снижения затрат на легированные стали и транспортные расходы.

Применяемые в настоящее время ШД после отработки отправляются в металлолом при невыработанном ресурсе корпуса, стоимость которого примерно равна стоимости вооружения долота типа Т. Опытная модель разборного трехшарошечного долота показана на рис. 3.

Конструктивные особенности ДЗДШ в значительной степени влияют на работу пневмотранспортной системы буровых станков. Изменения конструкции в широком диапазоне изменяют требуемую мощность привода компрессора № и удельные затраты энергии на выработку сжатого воздуха W (рис. 4). Поэтому при создании ДЗДШ следует принимать такие их конструктивные параметры, которые обеспечивают оптимальные значения требуемой мощности привода компрессора и энергоемкости процесса очистки скважины от буровой мелочи. В этом случае возможно достижение значительной экономии энергии на выработку сжатого воздуха, при условии оборудования буровых станков компрессорными установками с плавными газодинамическими характеристиками, позволяющими регулирование расхода и давления воздуха в широком диапазоне.

Основные выводы и рекомендации

1. Разборные буровые долота с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ) являются перспективным буровым инструментом, способным обеспечить объем бурения до 40 % на карьерах и до 70 %

на угольных разрезах. Их использоваие позволит повысить эффективность буровых работ в среднем в 1,5-2,0 раза и составить успешную конкуренцию в породах крепостью f до 10 шарошечным долотам, в том числе зарубежного производства. Производство ДЗДШ возможно организовать на ремонтно-механических заводах горнорудных предприятий, что является предметом высокодоходного бизнеса.

2. При работе ДЗДШ в породах с различными свойствами следует ориентироваться на рекомендуемые рациональные режимы, обеспечивающие максимальную эффективность процесса бурения и пнев-моочистки скважины.

3. Конструктивные параметры ДЗДШ определяющие их аэродинамические характеристики, следует принимать с учетом обеспечения минимальной энергоемкости процесса удаления бурового шлама из скважины. Для этого целесообразно на буровых станках устанавливать компрессорные установки с плавным, автоматическим регулированием давления и расхода воздуха.

Гилев А.В. - кандидат технических наук, профессор, Буткин В.Д. - доктор технических наук, профессор, Чесноков В.Т. - доцент,

Государственный университет цветных металлов и золота.

-А

Коротко об авторах

- © А.П. Комиссаров, А.М. Логачев,

2005

УДК 622.271

А.П. Комиссаров, А.М. Логачев

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОГО РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА

Семинар № 16

гидравлических экскаваторах, имеющих наиболее простую структурную схему, обеспечивается возможность создания универсального рабочего оборудования (РО) с функциями прямой и обратной лопат.

Разработан ряд технических решений по универсальному РО на уровне изобретений.

На рис. 1 показана схема универсального РО с шарнирно закрепленной задней стенкой ковша (патент ФРГ № 1814391, опубл. 1972 г.). Для увеличения угла по-

ворота ковша он соединен с рукоятью посредством четырехзвенного механизма.

Недостатком данной схемы РО при простом («механическом») совмещении прямой и обратной лопат является невозможность сочетания основных преимуществ как прямой лопаты (реализация больших усилий на ковше и, соответственно, большая вместимость ковша при относительно малых размерах рабочей зоны), так и обратной лопаты (большие размеры рабочей зоны при относительно малой вместимости ковша).