CC BY
37
А
© В.И. Михайлов, А.В. Слесарев, 2007
В.И. Михайлов, А.В. Слесарев
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОЗДАНИЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА НОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ
Россия обладает крупнейшими в мире запасами рудного сырья. В частности, по железной руде они оцениваются в 220-230 млрд т, при этом балансовые запасы составляют более 57 млрд т.
Шарошечными станками обуривается более 90 % объемов горной массы, подлежащей взрывной выемке на карьерах черной и цветной металлургии, угольной промышленности и строительных материалов. В настоящее время около 80 % руды добывается на карьерах, глубина которых составляет 300 м и более. В связи с понижением горных работ на 20-22 % увеличились прочностные свойства пород, в 2,5-3 раза повысилась обводненность, что предъявляет повышенные требования к буровому инструменту [1]. Объем шарошечного бурения по породам с f >14 на горнорудных карьерах составляет 4,0 млн. т в год, а с учетом других добывающих отраслей в России и СНГ увеличился на 14,2 млн т. При этом более 2,5-3,0 млн. м бурится по крепким и крепчайшим
горным породам с f >18. Поэтому вопросы повышения качества и снижения себестоимости буровых работ, составляющих от 10 до 20 % стоимости производства полезного ископаемого, приобретают особую актуальность.
Создание бурового инструмента нового технического уровня возможно при решении следующих основных задач:
- изучение прочностных и других физико-механических свойств буримых горных пород, установления механизма их разрушения шарошечным долотом с целью оптимизации параметров бурения и достижения максимально возможной производительности и износостойкости;
- разработка конструкций долот, соответствующих максимально возможной долговечности вооружения, подшипников опор и долота в целом за счет применения современных технологий изготовления и прогрессивных высокостойких материалов и сплавов;
- создание рациональной технологии бурения скважин в конкретных горнотехнических условиях; применение прогрессивной техники бурения и очистки скважин, обеспечивающих минимально возможные затраты на бурение 1 м скважины.
Для решения этих задач ОАО «Уралбурмаш» успешно сотрудничает с научно-исследовательскими институтами ИГД УрО РАН, УГТУ-УПИ, ВНИИБТ, УГГУ, МГГУ и другими организациями, выполняющими исследования как по совершенствованию шарошечных долот [2, 3], так и по разработке механизмов разрушения пород при бурении с минимальными энергетическими затратами [3, 4]. По нашему мнению следует ускорить выполнение научно-исследовательских работ по определению структурно - механических свойств массивов горных пород, подлежащих обуриванию. Имея полную информацию о пространственном расположении горных пород и их физико-механических характеристиках, горные предприятия произведут правильный выбор рациональных типоразмеров бурового инструмента и рациональной технологии его отработки. Полученные данные о видах износа инструмента позволят нам внести коррективы в конструкцию и технологию изготовления долот для конкретных условий эксплуатации, что, безусловно, улучшит экономические показатели бурения скважин.
ОАО «Уралбурмаш» является крупнейшим российским производителем современного высококачественного породоразрушающего инструмента горнодобывающей промышленности. Основными потребителями продукции завода являются предприятия горнодобывающих отраслей промышленности и топливно-энергетического комплекса, включая такие крупнейшие предприятия России и стран СНГ, как ОАО "Лебединский ГОК", ОАО "Карельский окатыш", ОАО "Апатит", ОАО "Качканарский ГОК "Ванадий", ОАО "Ураласбест", ЗАО "Золото-добывающая компания "Полюс", Ковдорский ГОК, ОАО «УК Южный Кузбасс», УК «Кузбассразрезуголь», АО "Соколовско-Сарбайское ГПО", "Навоийский ГМК" и многие другие предприятия. В течение многих лет ОАО «Уралбур-маш» осуществляет экспортные поставки своей продукции в США, Канаду, Францию, Италию, Индию, Германию, Иорданию.
На сегодняшний день предприятие предлагает к поставке более 200 типоразмеров шарошечных долот диаметром от 64 до 295,3 мм, с открытыми или маслонаполненными опорами качения и скольжения, с боковой, центральной или комбинированной продувкой (промывкой) для разрушения пород - от самых мягких до очень крепких. Долота эффективны, надежны и конкурентоспособны по стоимости. В 2006 г. исполнилось 75 лет с момента выпуска на ОАО «Уралбурмаш» первого отечественного долота. Всего на предприятии изготовлено более 16 млн. долот. В настоящее время ОАО «Уралбурмаш» производит и поставляет до 70 % долот для горнорудной промышленности России. В 2007 г. мы планируем довести свою долю на рынке до 80 %.
В конце 2005 г. было принято решение о техническом перевооружении завода. Первым этапом стало строительство газопровода, которое было завершено в декабре 2006 г. Благодаря этому стало возможным внедрение новых технологий химико-термической обработки. В 2007 г. начинается проектирование нового производственного комплекса на территории ОАО «Уралбурмаш», включающего в себя линию для полной химико-термической обработки деталей долот, а также высокотехнологичные обрабатывающие центры с ЧПУ для механической обработки лап и шарошек. Предполагае-
мая мощность нового производства 75 тыс. долот в год. Всего планируется приобрести оборудования на сумму более 30 млн. евро. Приобретение и внедрение в производство нового термического оборудования для газовой цементации позволит повысить качество выпускаемой продукции. Применение электрической энергии вместо жидкого топлива (мазута), природного газа и ацетилена для получения насыщающей печной атмосферы и азота в качестве защитной атмосферы позволит значительно снизить себестоимость изготовления долот. Кроме этого внедрение современного оборудования для термической и механической обработки позволит расширить конструкторско-технологические возможности предприятия.
Реализация экспериментальных исследований, анализ практических результатов обеспечили новые технические решения в конструкциях долот. Ежегодно отдел главного конструктора ОАО «Уралбурмаш» разрабатывает более 20 типоразмеров новых долот. Все разработки ведутся с применением специальных компьютерных программ. На рис. 1 приведены результаты анализа изменения средней проходки долот на некоторых ГОКах за последние 10 лет
В среднем проходка увеличилась в 1,8-3 раза. Это стало возможным в первую очередь благодаря реализации конструкторских решений по увеличению ресурса работы опоры, внедрению новых схем вооружения, новых материалов и новых технологий. Многолетняя практика эксплуатации шарошечных долот в горнорудной промышленности и исследование образцов ведущих зарубежных фирм позволила выработать наиболее работоспособную и прочную конструкцию опоры (рис. 2) Это - комбинированная опора, состоящая из большого роликового подшипника, замкового шарикового подшипника, промежуточного упорного подшипника скольжения, малого роликового подшипника и торцевого упорного подшипника скольжения, состоящего из пяты, изготовленной из высокопрочного материала (твердый сплав или быстрорежущая сталь в лапе) и подпятника из быстрорежущей стали в шарошке. Торцевая опорная пята надежно воспринимает тангенциальную составляющую нагрузки на долото, позволяя разгрузить замковый шариковый подшипник и торцы роликов
от восприятия тангенциальной составляющей, а это резко уменьшает износ шариков, исключает перекос и заклинивание роликов в процессе работы и тем самым увеличивает срок службы долота.
Данная схема подшипникового узла применяется в современных конструкциях долот ОАО «Уралбурмаш»: III 244,5 ОК-ПВ W199, III 244,5 ОК-ПВ W241, III 233 ТКЗ-ПВ W15B, III 250,B ТКЗ-ПВ, III 250,B ТКЗ-ПВ W121, III 250,B ТКЗ-ПВ W240, III 250,B ТКЗ-ПВ W232, III 215,9 ТЗ-ПВ W75-2 и других. Для защиты опоры от попадания крупных частиц бурового шлама в долотах производства ОАО «Уралбурмаш» предусмотрены шламозащитные клапана. Преждевременному износу опоры также способствует абразивный износ козырьков лап. Для эффективной защиты козырьков и спинок лап на ОАО «Урал-бурмаш» применяется несколько схем армирования твердосплавными зубками и наплавкой износостойким материалом. Каждая схема направлена на определенный тип потребителя. Конструкция вооружения за последние несколько лет также претерпела серьезные изменения, положительно отразившиеся
на механической скорости и проходке долот. В современных конструкциях долот используются твердосплавные зубки из прогрессивных высокопрочных материалов. Формы зубков постоянно совершенствуются. Конструкторами ОАО «Урал-бурмаш» разработаны зубки форм К1, К2, К3 (рис. 3), применяемые в конструкциях долот. Зубки формы К1 успешно применяются в серийных конструкциях долот 0215,9; 233; 244,5; 250,8; 269,9 мм. Совместное сотрудничество с ОАО «КЗТС» г. Кировград, позволяет за короткие сроки изготовить и внедрить долота с новыми типоразмерами твердосплавных зубков.
Кроме этого при проектировании вооружения долота не менее важную роль играет схема поражения забоя. Современные эффективные схемы позволяют увеличить механическую скорость долота, уменьшить нагрузку на опору. Анализ отработки шарошечных долот на угольных разрезах показывает, что до 80-90 % от общего количества долот выходит из строя в результате износа опоры, то есть срок службы шарошечных долот для данных условий бурения определяется стойкостью их опор.
К1
Тем не менее, конструкторами ОАО «Уралбурмаш» в долоте III 215,9 ТЗ-ПВ М75-2, была разработана новая схема вооружения с неизменной для серийного долота опорой (рис. 2). Данные долота отрабатывались в условиях разрезов ОАО
«Южный Кузбасс», ОАО «Междуречье», ОАО «Кузбассразрезуголь». По результатам испытаний отмечено увеличение механической скорости, снижение вибрации. Показатели средней проходки превысили показатели проходки серийных долот более чем на 10 %.
На сегодняшний день на ОАО «Уралбурмаш» долота проектируются и производятся с учетом условий работы инструмента у конкретных потребителей. Совместное сотрудничество с ОАО «Карельский окатыш» позволило создать в 2006 г. новые эффективные долота: III 250,8 ТКЗ-ПВ W 232 и III 250,8 ТКЗ-ПВ W 240. По результатам испытаний опытной партии долот отмечено увеличение проходки более 15 % в сравнении с серийными долотами, применяемыми на ГОКе. После проведения расширенных испытаний и подтверждения результатов долота переведены в серийное производство.
Для ОАО «Лебединский ГОК» разработаны долота III 244,5 ОК-ПВ W 199. По результатам испытаний увеличение проходки составило более 20 % в сравнении с серийно применяемыми долотами.
Выводы и рекомендации
С целью дальнейшего совершенствования буровзрывных работ необходимо форсировать выполнение научно-исследовательских работ по изучению прочностных и структурных свойств обуриваемых массивов и разработке конкретных рекомендаций для предприятия.
ОАО «Уралбурмаш» в состоянии обеспечить потребности предприятий в качественном буровом инструменте, а также создать долота нового технического уровня, в полной мере отвечающие требованиям горного производства.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев В.Л. Состояние и перспективные направления повышения качества буровзрывных работ / Сборник материалов Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: 2005, 207 с.
2. Таргашев А.В., Барвинок В.А., Бикбулатов И.К. и др. Современные шарошечные долота, проблемы их совершенствования и повышения надежности. Самара: Самарский научный центр РАН, 2000, 190 с.
3. Сухов Р.И., Контеев О.Ю. Основные направления создания и совершенствования буровой техники и инструмента для проходки взрывных скважин. Сб. материалов международной конференции, - Екатеринбург: ИГД Уро РАН, 2005, 207 с.
4. Протасов Ю.И. Теоретические основы механизма разрушения горный пород. - М.: Недра, 1971, 230 с.
Коротко об авторах
Михайлов В.И., Слесарев А.В. - ОАО «Уралбурмаш».
А_________
------------------------------ © Р.И. Сухов, А.Г. Поланский,
А.С. Реготунов, 2007
Р.И. Сухов, А.Г. Поланский, А.С. Реготунов
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ШАРОШЕЧНОГО И УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО СПОСОБОВ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН
Основные объемы буровзрывных работ на горнодобывающих предприятиях России, СНГ и за рубежом осуществляется с применением механических способов бурения взрывных скважин. В условиях открытых горных работ
