Перспективы создания разборных буровых инструментов для открытых горных работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© A.B. Гилёв, P.A. Гилёв, A.A. Хромов, 2013

УДК 622.233.05

A.B. Гилёв, Р.А. Гилёв, A.A. Хромов

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ РАЗБОРНЫХ БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

Обоснована рациональность применения разборных буровых долот, для этого приводим ряд математических формул. Проведено сравнение с зарубежными и российскими аналогами. Приведены возможные области применения специализированного инструмента.

Ключевые слова: ресурс, коэффициент качества, стойкость, абразивность, крепость, ресурс конструктивное устройство, режуще-сдвигающего, режуще-скалы-вающе-раздавливающего, область применения, ударно-скалывающего.

В настоящее время на горных работах повсеместно применяется трех-шарошечный буровой инструмент одноразового использования, и при отказе даже одного из элементов долото отправляют в металлолом при неиспользованных затратах на довольно сложную корпусную часть.

Стоимость корпусной части, изготавливаемой из высококачественных легированных сталей по многооперационной технологии, составляет 30— 50 % от стоимости всего долота. Ресурс корпусной части долота, как показали промышленные испытания разборных ШД типа ДЗДШ, оценивается проходкой 20—40 км скважин в зависимости от абразивности и твердости пород.

Коэффициент, учитывающий увеличение ресурса разборного шарошечного долота (РШД), в экономическом отношении можно представить следующим выражением:

я =( 1 + я - я,

1 I'

где Ку — коэффициент увеличения экономического ресурса РШД по сравнению с неразборным ШД;

п — число сменных вооружений (шарошек с опорами), которое может быть использовано на одном корпусе; К1 = Ск/Са — соотношение стоимости неразборного долота С, и его корпусной части Ск.

Экономия удельных затрат Д5 при использовании РЩД составляет, руб./м:

AS =

l

C L 1

1 --

в \

n,

(1)

где 1B — стойкость сменного вооружения РШД, м.

В результате обработки большого объема опытных данных (1433 отработанных долота в породах с f = 3 -- 20) В.Д. Буткиным, A.C. Телешовым и Б.Ф. Брюховым установлена зависимость стойкости ШД от коэффициента крепости пород f, которая удовлетворительно описывается уравнением

ld = R / f2, (2)

где R — интегральный коэффициент, обобщенно характеризующий уровень качества шарошечных долот.

Корреляционные отношения зависимости (2) составили nl/f = 0,82 и

Таблица 1

Экономическая эффективность бурения серийными, зарубежными и специализированными (разборными) шарошечными долотами. Горная порода — известняк, крепость / = 8 - 10

Тип долота с, тЫС. руб V, м/ч П, м/См Ь, м Удельные затраты на бурение, руб/м Разница удельных затрат на 1 м, А5 , руб/м

Серия, ШД РШД ДЗДШ Д п РШД ДЗДШ

111250,8 ТК3-ПВ 34 29 134 816 86,4 71,1 — -45,8 +15 +15,8

111244,5Т-ПГВ 16 19 100 613 89,9 80,1 — -42,3 +9,8 +19,3

Тегга-5, Тегга-6 133 29 134 1530 132,2 — — — — —

ДЗДШ-244,5 12/6 45 199 150 () — — 70,6 — — —

Примечание: РШД — разборные долота; ЗД — зарубежные долота типа Тегга-5 и Тегга-6.

1 = 0,7 . Это свидетельствует о том,

что стойкость ШД на 70—80 % зависит от крепости (свойств) пород и только на 20—30 % от прочих факторов.

Из (1) и (2) следует

А5 = Ск - /2 ^ 1 -1 ^ / Я.

Каждый типоразмер долота имеет свой коэффициент качества К, среднее значение которого может быть определено по опытным данным карьера, пользуясь формулой (2). Эффективность РШД возрастает в квадратичной зависимости от / и оказывается весьма значимой. Например, в условиях Мазульского известнякового карьера переход на РШД на базе серийного долота 111250,8 ТКЗ-ПГВ в породах крепостью / = 8—10 характеризуется экономией ДБ ~ 15,3 руб./м (табл. 1). При этом годовая эконо-

мия по карьеру (10 станков СБШ-250 МНА) может составить около 10 млн руб.

Экономико-математическая модель системы «Горная порода-буровой инструмент-буровой станок», учитывающая особенности применения разборных шарошечных долот, имеет следующий вид:

Б1) = ^-у + у/(У0 -ф-1) + + С, (1 + К1/п- К)/1

(3)

Для сравнительной оценки разборных и неразборных буровых инструментов с различными показателями скорости бурения и стойкости вооружения, с учетом выражения (3), использована следующая зависимость:

(

АБ = А

п - п

п, - п

Л

с. сп

р

I. I,

с;

1,,

Вид установки породоразрушающего элемента в корпусе специализированного бурового инструмента

Стационарный Подвижный

Режущий буровой инструмент (РД, РК) Вращательный (ДРВ, ШД, ДД)

Термобуры Возвратно-поступательный (пики отбойных молотков)

Буровой инструмент ударно-канатного бурения Поступательно-вращательный (долота для ударно-вращательного бурения, комбинированный буровой инструмент, перфораторы)

Рис. 1. Систематизация бурового инструмента по виду установки породоразру-шаюших элементов в корпусе. РД - режущие долота, РК - режущие коронки, ДРВ - режуше-врашательные долота, ШД - шарошечные долота, ДД - дисковые долота

где Д5 — разница в удельных затратах на 1 м бурения (при экономии с положительным знаком, при удорожании — с отрицательным), руб./м; Ян и Пр — сменная производительность станка соответственно при бурении неразборным и разборным долотом, м/см; Сн и 1н — соответственно стоимость (руб.) и стойкость (м) неразборного долота; Спрэ и 1прэ —

соответственно стоимость и стойкость породоразрушающих элементов разборного долота; Ск и 1к — соответственно стоимость и стойкость корпуса разборного долота.

В табл. 1 приведены результаты расчетов применительно к бурению скважин долотами различных типов диаметром 244,5 и 250 мм станками СБШ-250 МНА-32 на Мазульском известняком руднике. Скорость бурения и стойкость долот приняты по результатам испытаний, проведенных под руководством и при непосредственном участии автора работы. Величина А = 6000 руб. Стоимость корпусов Ск принята от 40 % (для разбор-

ных ШД) до 50 % (для ДЗДШ) от стоимости долот. Величина 1к = 20—40 км. Данные табл. 1 показывают, что в рассматриваемых условиях (! = 8—10) использование дорогих ШД зарубежного производства не дает эффекта, в то время как применение разборных ШД (на базе отечественных моделей) обеспечивает значительное снижение затрат на буровые работы. Зарубежные долота повышенной стойкости, очевидно, эффективны в породах высокой крепости (/ = 15—20) и абразивности, а также в глубоком бурении на нефть и газ. Воздействие на породу породоразрушающих элементов бурового инструмента носит комбинированный характер в связи с рядом его особенностей конструктивных устройств и технологических процессов бурения скважин.

К особенностям конструктивных устройств бурового инструмента можно отнести, кроме прочих, вид установки породоразрушающих элементов в корпусе: стационарный (поро-доразрушающие элементы не имеют

Таблица 2

Типы специализированного бурового инструмента и его технические характеристики

№ п/п Тип долота Модель (проектный диаметр) Тип исполнения Модификация Схема опор Вооружение Возможный диаметр, мм Характер разруше-ия горных поро Способ очистки скважины ип стан ка

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 Режуще-вращатель-ное долото ДРВ (ДРВ-160-Ш) (ДРВ-244,5ТП) СРВ-Ш ДРВ-Т, ЭВ-С,ДРВ-М Ск Ск Ск Вз ВП ФЗ 160—320 PC П, ш, шп СБШ, СБР, БТС

2 Дисковое долото фрезерного типа (с регулируемым диаметром) ДДР-П (ДДР-160-П) (ДДР-244,5-П) СРВ-П ДДР-Т ДДР-С ДДР-М Ск Ск Ск ВЗ ВП ФЗ 160—320 160—320 160—320 PC П ШП СБШ, СБР, БТС

3 Дисковое долото фрезерного типа (с упорным стопором) ДДС-П (ДДС-160-П) (ДДС-244,5-П) СРВ-П — Ск Ск вз 160—320 PC П ШП СБШ, СБР, БТС

4 Буровое дисковое долото скалывающе раздавливающего типа ДД-СР-Ш (ДД-СР-244,5-Ш) СРВ-Ш ДД-СР-Т-Ш ДД-СР-С-Ш ДД-СР-М-Ш Ск Ск вз ФЗ 242,5—50,5 PCP П СБШ, БТС

5 Буровое долото режуще-скалываю-щего типа ДРС-1У СРВ-1У — Ск Ск вз 215—320 PCP П СБШ, БТС

6 Буровое долото Шарошучное ДШР-Ш (ДШ-Р-244,5ТП) СРВ-Ш ДШ-Р-П к вз ФЗ 216—320 УС П СБШ

Окончание таблицы 2

№ п/п Тип долота Модель (проектный диаметр) Тип исполнения Модификация Схема опор Вооружение Возможный диаметр, мм Характер разрушения горных пород Способ очистки скважины ип стан ка

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

7 Буровое долото с опорным устройством разборного типа ДШ-РС-Ш (ДШ-РС-244,5-III) CPB-III ДШ-РС-П Ск ВЗ ФЗ 216—320 УС п СБШ

8 Буровое долото со сменными вертикальными опорами ДШВ-Ш (ДШВ-244,5-Ш) CPB-III дшв-п ДШВ-IV К-Ск ВЗ 216—320 PCP п СБШ

9 Буровое долото с переменным поро-доразрушающим вооружением ДПВ-IV (ДПВ-244,5- IV) СРВ- IV дпв-ш Ск ВЗ ВП 160—320 PC п ШП СБШ, СБР, БТС

Примечание: СРВ - сменные рабочие элементы с различным вооружением; Т - для пород твердых; С - для пород средней крепости; M -для пород мягкой крепости; Ск - опоры скольжения; К - опоры качения; ВЗ - вставные зубья; ФЗ - фрезерованные зубья; ВП - вставные пластины; СБШ - станок буровой шарошечный; СБР - станок буровой режущего типа; 1, 11, 111, IV - число рабочих элементов и опор; П - пневматическая очистка; ШП - шнекопневматическая очистка; БТС - буровой станок комбинированного бурения; PC - режуще-сдвигающий характер разрушения горных пород; PCP - режуще-скалывающе-раздавливающий характер разрушения горных пород; УС -ударно-скалывающий характер разрушения горных пород.

Рис. 2. Классификация специализированного бурового инструмента по способу воздействия режущих элементов на породу: ДРВ - долото режуще-вращательного действия; ДДР - дисковое долото фрезерного типа (с регулируемым диаметром); ДДС -дисковое долото фрезерного типа (с упорным сектором); ДД-СР - дисковое долото скалывающе-раздавливающего типа; ДРС - долото режуще-скалывающего типа; ДШР - шарошечное долото разборного типа; ДШ-РС - долото с опорным устройством разборного типа; ДШВ - долото со сменными вертикальными опорами; ДПВ - долото с переменным породоразрушающим вооружением; ДШС- долото со сферическими шарошками

Таблица 3

Рациональные области применения специализированного бурового инструмента

Тип долота Диаметр долота, мм Число опор Горная порода Степень крепости Коэффициент крепости, /

1 2 3 4 5 6

ДДР ддс 76—320 2 Щебенистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь. Отвердевшая глина Довольно мягкие 1,5

ДДР дпв 76—320 76—320 2 3 Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт, антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированные галька и хрящ, каменистый грунт 2

ддс 76—320 2 Разнообразные сланцы (некрепкие), Плотный мергель Средние 3

ддп дшв ДРВ 76—320 76—320 76—320 2 2 3 Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник, известняк, мягкий конгломерат 4

ДРВ ДРС 215—320 215—320 3 Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники Довольно крепкие 6

ДРС ДРВ дпв 215—320 215—320 215—320 3 3 4 Обыкновенный песчаник. Железные руды 5

дшв ДШ-РС 215—320 3 Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. Доломит. Колчедан Крепкие 8

ДШ-Р ДРВ ДШ-РС 215—320 160—320 205—320 3 4 3 Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды 10

ДШ-Р ДШ-РС дшс 215—320 215—320 244.5—320 3 3 3 Очень крепкие гранитовые породы. Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки Очень крепкие 15

Таблица 4

Рациональные параметры режима бурения специализированным буровым инструментом

Тип долота Диаметр долота, мм Осевое усиление на долото, кН Частота вращения. с-1 Расход сжатого воздуха, м3/с

1 2 3 4 5

1. ДРВ 160 244,5 100 140 2,5—2,0 2,5—2,0 0,42-0,53

2. ДД-Р 160 244,5 80 120 2,0—0,8 2,5—2,0 0,42—0,53

3. ДДС 160 244,5 +80 120 2,0—0,8 2,5—2,0 0,42—0,53

4. ДД-СР 160 244,5 100 140 2,0—0,8 2,5—2,0 0,25 0,42—0,53

5. ДРС 250,8 140 2,0—1,0 0,5—0,6

6. ДШР 250,8 140 2,0—1,0 0,5—0,6

7. ДШ-РС 250,8 140 2,0—1,0 0,5—0,6

8. ДШВ 250,8 160 2,0—1,0 0,5—0,6

9. ДПВ 216 250,8 160 180 2,0—1,0 2,0—1,0 0,5—0,6 0,5—0,6

10. ДШС 244.5—320 160 180 2,0—1,0 0,5—0,6

Примечание: ДРВ - долото режуще-вращательное действия; ДДР - дисковое долото фрезерного типа (с регулируемым диаметром); ДДС - дисковое долото фрезерного типа (с упорным сектором); ДД-СР - дисковое долото скалывающе-раздавливающего типа; ДРС -долото режуще-скалывающего типа; ДШР - шарошечное долото разборного типа; ДШ-РС -долото с опорным устройством разборного типа; ДШВ - долото со сменными вертикальными опорами; ДПВ - долото с переменным породоразрушающим вооружением; ДШС -долото со сферическими шарошками.

возможности обособленного перемещения относительно корпуса) и подвижный (породоразрушающие элементы имеют возможность обособленного перемещения относительно корпуса).

К буровому инструменту со стационарным видом установки поро-доразрушающих элементов в корпусе (рис. 1) следует отнести режущий буровой инструмент (режущие долота, коронки, электрические сверла и др.), а также буровой инструмент применявшихся ранее станков ударно-канатного бурения. Буровой инст-

румент с подвижным видом установки породоразрушающих элементов в корпусе по способу движения можно разделить на следующие группы: с возвратно-поступательным, поступательно-вращательным и вращательным перемещением породоразрушающих элементов в корпусе. К буровому инструменту с поступательно-вращательным перемещением породоразрушаю-щих элементов в корпусе следует отнести перфораторы, пневмоударни-ки, а также комбинированный буровой инструмент. К буровому инструменту с вращательным перемещением

породоразрушающих элементов в корпусе следует отнести шарошечные долота, дисковые долота фрезерного типа, а также рассматриваемый в данной работе специализированный буровой инструмент.

По способу воздействия на породу породоразрушающих элементов специализированный буровой инструмент с определенной долей условности можно разделить на три основных типа (рис. 2): режуще-сдвигающего (долота ДРВ, ДДР, ДДС, ДПВ), режуще-скалывающе-раз-давливающего (долота ДД-СР, ДРС, ДШВ) и ударно-скалывающего (ДШР, ДШ-РС, ДШС).

Способ воздействия на породу по-родоразрушающих элементов во многом определяет тип исполнения специализированного бурового инструмента, его технические характеристики и тип буровых станков (табл. 2), что, в свою очередь, влияет на область применения и режимы бурения скважин.

Рациональные области применения специализированного бурового инструмента, приведенные в табл. 3, в

1. Буткин В.Д. Проектирование буровых инструментов для открытых горных, земляных и строительных работ / В.Д. Буткин,

основном представлены на основе расчетных рациональных параметров режима бурения и данных экспериментальных испытаний, проведенных авторами работы в процессе бурения скважин опытными образцами (табл. 4), а также с учетом характеристик горных пород [1].

Отличительными технологическими особенностями каждого вида специализированного бурового инструмента являются характер взаимодействия с горной породой, режимы бурения скважин в осложненных условиях и возможность применения разных способов очистки скважины от бурового шлама.

Обобщающим признаком предложенных буровых инструментов является разборность, которая обеспечивает равный ресурс узлов и деталей, ремонт и восстановление долот, выполнение их конструктивных преобразований с применением метода взаимозаменяемости породоразрушающих элементов. Они обладают вооружением, являющимся наиболее экономичным в горно-геологических условиях бурения взрывных скважин.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

A.B. Гилёв, C.B. Доронин, В.Т. Чесноков и др. // Монография — M.: MAKC Пресс, 2005. — 240. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Гилёв Анатолий Владимирович - профессор, заведующий кафедрой «Горные машины и комплексы», Anatoliy.gilev@gmail.com, Сибирский федеральный университет, Хромов Алексей Анатольевич - механик, Anatoliy.gilev@gmail.com, ОАО «Сибирский Цемент»

Гилёв Роман Анатольевич - управляющий филиалом, Anatoliy.gilev@gmail.com, «Русинжиниринг» ОАО «Североуральское управление бокситовых рудников».

А