CC BY
93
УДК 622.233.6.051.78
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ БУРОВЫХ СТАНКОВ В УСЛОВИЯХ КАРЬЕРОВ АК «АЛРОСА»
Ю.А.Дойников1
АК "АЛРОСА",
678170, Республика Саха (Якутия), г. Мирный, ул. Ленина, 6.
Приведены результаты анализа горно-геологических условий вмещающих пород карьеров АК «АЛРОСА» и создания, применительно к ним, исполнительных органов буровых станков, включающих буровой инструмент и систему очистки скважин от буровой мелочи. Проанализировано современное состояние буровзрывных работ на горнодобывающих предприятиях Компании. Выявлены резервы повышения эффективности использования буровых станков. Приведены результаты промышленных испытаний новых исполнительных органов буровых станков и технологии бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: буровой инструмент; бурение взрывных скважин; очистка скважин; буровой станок.
IMPROVEMENT OF THE OPERATING PARTS OF DRILLING RIGS IN "ALROSA" JSC PITS Yu.A. Doinikov
"ALROSA" JSC
6 Lenin St., Mirny, Republic of Sakha (Yakutia), 678170.
The article provides the results of the analysis of geological and mining conditions of the host rocks in the pits of "A L-ROSA" JSC and the conformable creation of the operating parts of drilling rigs, including drilling tools and the system of cleaning wells from drill cuttings. The current state of blast hole drilling at the mining enterprises of the Company is analyzed. The reserves of more efficient use of drilling rigs are identified. The author presents the results of industrial tests of new operating parts of drilling rigs and a blast hole drilling technology for the conditions of kimberlite deposits in Yakutia. Key words: drilling tools; blast hole drilling; cleaning of wells; drilling rig.
Процесс бурения скважин на карьерах АК «АЛРОСА» является достаточно трудоемкой технологической операцией. Специфика бурения в этих условиях обусловлена сложностью строения уступов и неоднородностью пород, наличием многолетней мерзлоты, высокой обводненностью пород и наличием илисто-глинистых отложений. Сложное строение уступов затрудняет выбор параметров и типа бурового инструмента. Тип долота зависит от свойств буримых пород. Если же свойства пород по глубине скважины изменяются, то возникает несоответствие между принятыми параметрами долота и изменяющимися условиями бурения. Установлено, что в породах крепостью до 6 по М.М.Протодьяконову наиболее эффективно применение режущего бурового инструмента. Однако при наличии в толще уступа крепких прослойков такая возможность исключается и бурение производится шарошечными долотами, которые не всегда обеспечивают необходимые технико-экономические показатели при обуривании основной части уступа.
При отработке верхних горизонтов и разноске бортов карьера возникает проблема бурения мерзлых пород, влажность которых достигает 18%. Многолет-немерзлые влажные породы имеют неустойчивый температурный режим. Они весьма чувствительны к внешним воздействиям. Даже при малых колебаниях температуры значительно изменяются их физико-механические свойства, что приводит к нарушению процесса очистки скважины и бурения в целом. Горногеологические условия предопределяют эффектив-
ность работы горного оборудования, в том числе и буровой техники.
Качество пробуренной скважины определяет состояние массива пород. Эффективность взрывных работ оценивается равномерностью дробления породы, выходом негабаритов и щадящими условиями разрушения кристаллов алмазов при взрывных работах и бурении. Наиболее сложно обеспечить качество скважины при бурении мерзлых пород сложного структурного строения. При проходке так называемых «су-шенцовых» зон порода осыпается и создается «котел», заполняемый взрывчатым веществом. Нарушается равномерность распределения заряда ВВ в скважине. Качество дробления горной массы при котловом заряде существенно отличается от дробления со сплошным зарядом, при этом изменяется основной показатель - выход горной массы с 1 м скважины. Возможность частичного «котлового» расширения скважины возникает в результате воздействия горячего продувочного воздуха при проходке льдистых, с высокой влажностью пород шарошечным долотом. Это необходимо принимать во внимание при эксплуатации бурового оборудования, используемого на карьерах АК «АЛРОСА» в Якутии.
На карьерах АК «АЛРОСА» применяются буровые станки отечественного и импортного производства: СБШ-250МНА, СБШ-190/250, D75-KS TAMROK, DM-M2 Ingersoll Rand, SKF. При этом коэффициент использования станков составляет от 0,51 до 0,7, а выход горной массы с 1 м скважины - от 32,49 до 39,06 м3. Ти-
1Дойников Юрий Андреевич, первый вице-президент, исполнительный директор АК "АЛРОСА", тел.: (41136) 34550.
Doinikov Yury, First Vice-President, Executive Director of "ALROSA" JSC, tel.: (41136) 34550.
паж применяемых по ГОКам буровых станков отличается широкой номенклатурой.
Айхальский ГОК. На карьере «Комсомольский» списочное количество буровых станков составляет 4 единицы: 3 ед. СБШ-250МНА и 1 ед. СБШ-190/250. Коэффициент использования буровых станков составляет - 0,67 при плане - 0,7. Снижение коэффициента использования связано со значительными простоями - 2779 час. Фактическое выполнение объема бурения в среднем по итогам работы за 2010-2011 гг. составило 118,793 тыс.м (101,56%) при плане 116,965 тыс.м и на контурном бурении 36,695 тыс.м (117,99%) при плане 31,1 тыс.м. Выход горной массы с 1 м скважины составил 31,21 м3 при плане 32 м3.
На карьере «Юбилейный» списочное количество буровых станков составляет 7 единиц (5 ед. СБШ-250МНА, 1 ед. СБШ-190/250 и 1 ед. D75-KS TAMROK). Коэффициент использования бурового оборудования составил 0,71 при плане - 0,7. Фактическое выполнение работ по итогам 2010 года: на объемном бурении 330,81 тыс.м (103,67%) при плане 319,1 тыс.м и на контурном бурении 30,597 тыс.м (67,25 %) при плане 45,5 тыс.м. Выход горной массы с 1 м скважины со-
33
ставил 43,29 м при плане 44,31 м . Уменьшение выхода горной массы связано с дополнительным бурением промежуточных скважин для улучшения качества дробления руды и вскрышных пород в связи с разнопрочностными характеристиками по слоям залегания, а также для дробления мерзлого слоя на верхних горизонтах в зимний период.
Удачнинский ГОК. По карьеру «Удачный» списочное количество буровых станков на 2010 год составляет 3 единицы (2 ед. D-75KS и 1 ед. СБШ-250МН). Фактическое выполнение работы по итогам 2010 года на объемном бурении - 103 409,5 м (92,17%) при плане 112 200 м, на бурении контурных скважин - 10 717 м (60,58%) при плане 17 690 м. Коэффициент использования буровых станков составил - 0,57 (90,48%) при плане - 0,63. Снижение коэффициента использования связано со значительным количеством неплановых простоев.
Нюрбинский ГОК. На карьере «Нюрбинский» списочное количество буровых станков составляет 3 единицы (2 ед. DMM2 и 1 ед. SKF). Коэффициент использования бурового парка в целом составил - 0,49 (68%) при плане - 0,72 (невыполнение коэффициента использования связано со значительными непланиру-емыми простоями - 9574 часа за 2010 г.). Фактическое выполнение плана по итогам работы за 12 месяцев на объемном бурении составило 243,865 тыс.м при плане 298,000 тыс.м. В связи с ведением горных работ на верхних горизонтах в специфических условиях применялись режущие буровые долота 3РД-244,5.
Мирнинский ГОК. В Мирнинском ГОКе списочное количество буровых станков в 2010 году составляет 2 единицы (ДМ-45 и 6СБШ-200-32). В настоящее время Мирнинский ГОК полностью переходит на подземную разработку.
Приведенный анализ показывает, что при эксплуатации буровых станков на карьерах АК «АЛРОСА» имеется значительный резерв повышения эффектив-
ности как за счет увеличения производительности, так и за счет повышения коэффициента использования оборудования.
Исследования, проведенные в условиях карьеров Компании, позволили определить основные направления совершенствования технологии буровых работ [1]: использование специальных исполнительных органов для бурения многолетнемерзлых сложнострук-турных пород алмазорудных месторождений; стабилизация температурного режима скважины и разработка устройств и способов, предотвращающих оттай-ку буровой мелочи; приведение типа и параметров бурового инструмента в соответствие со свойствами буримых пород алмазорудных карьеров.
Совершенствование исполнительных органов буровых станков на алмазорудных карьерах состоит в реализации комплекса научно-технических мероприятий, заключающихся в разработке: методики расчета и выбора параметров системы пневмотранспортиро-вания буровой мелочи из скважины; способов повышения стойкости шарошечных долот; принципов выбора и расчета параметров буровых долот; конструкций режущих долот с продувкой скважин сжатым воздухом; конструкций комбинированных режуще-шарошечных долот; параметрического ряда режущих и комбинированных долот; устройств для нормализации температурного режима бурения скважин; инженерной методики бурения скважин на алмазодобывающих карьерах Республики Саха (Якутия).
Параметры системы транспортирования буровой мелочи из скважины оказывают существенное влияние на своевременную очистку призабойной зоны и затрубного пространства скважины от продуктов разрушения. Несоответствие параметров системы транспортирования буровой мелочи из скважины эффективности разрушения породы на забое сопровождается нарушением режима очистки и осложнениями бурения, что является одной из основных причин низкой производительности станков.
Пневмотранспортная система бурового станка характеризуется параметрами воздушного потока, долота и затрубного пространства, которые являются взаимозависимыми. Эффективность очистки призабойной зоны от буровой мелочи во многом определяется параметрами долота (направлением воздушного потока, обтекаемостью корпуса, сечением продувочных каналов). На основе вышесказанных принципов, с учетом интенсивности образования буровой мелочи и распределения ее по крупности, исходя из соответствия энергии воздушного потока той энергии, которая необходима для эффективного удаления буровой мелочи из скважины, разработан метод расчета параметров и показателей работы пневмотранспортных систем буровых станков [2].
Эффективность применения станков и стоимость бурения в значительной мере зависят от стойкости долот. Разработанные системы автоматической смазки типа УАС обеспечивают принудительную смазку опор шарошек во время работы долота. Такое устройство было изготовлено в механических мастерских карьера трубки «Мир» и испытано на карьере
трубки «Интернациональная». С использованием его в данных условиях было отмечено увеличение стойкости долот в 1,9-2,3 раза.
Разрушение породы на забое и очистка скважины от буровой мелочи - два взаимосвязанных процесса при бурении скважин, следовательно, исполнительные органы станков должны обеспечивать как рациональный режим разрушения, так и эффективное удаление продуктов разрушения из призабойной зоны. На основании учета специфики горно-геологических условий алмазорудных месторождений и влияния различных факторов на показатели бурения и очистки призабойной зоны от буровой мелочи определены основные принципы выбора и расчета параметров буровых долот для условий карьеров АК «АЛРОСА» [3].
Режущие долота для бурения с продувкой типа РД [4] - на сегодня единственный инструмент, способный решить в АК «АЛРОСА» проблему бурения верхних горизонтов при вскрытии, реконструкции или разноске бортов карьера.
В основу создания режущих буровых долот положен принцип крупного скола породы на забое скважины в сочетании со сменностью режущих элементов долота по мере их износа (резцы ШБМ 2С). Они могут успешно применяться для бурения взрывных скважин в породах крепостью до 7 по М.М.Протодьяконову. Экспериментальные исследования и промышленная эксплуатация таких долот подтвердили их высокую эффективность [1]. При переходе на шарошечных станках на режущие долота отмечается увеличение скорости бурения не менее чем в 1,5 раза при снижении энергоемкости процесса в 2-2,5 раза. При этом выход крупных фракций буровой мелочи (+3 мм) увеличивается в 1,9 раза.
Для бурения скважин диаметром 160 мм станками со шнеко-пневматическим удалением буровой мелочи (СБР, БТС) разработано и нашло широкое применение на карьерах Мирнинского и Нюрбинского ГОКов АК "АЛРОСА" режущее долото 1РД-160ШП. При бурении станком БТС-150 в условиях карьера Нюрбинского ГОКа эти долота показали проходку на долото в 1,5 раза, а техническую скорость бурения - в 1,3 раза выше по сравнению с используемыми на карьере долотами РК160-3. Для бурения с продувкой скважин на россыпных месторождениях Мирнинского ГОКа на станках 6СБШ-200/32 и DM-45HP также применялись долота 3РД-215,9. Нюрбинский ГОК ежегодно наращивает потребление режущих долот 3РД-244,5. Перспективы их применения увеличиваются с началом разработки новых месторождений.
На карьере "Юбилейный" использование режущих долот по верхнему горизонту позволило увеличить сменную производительность станков в 2,2 раза и снизить расход буровых долот в 20-40 раз. При этом отмечено снижение запыленности атмосферы при выдаче бурового шлама и вибрации в кабине бурового станка.
Переслаивание пород по крепости - также одна из особенностей вскрышных уступов алмазорудных карьеров. Поскольку каждый тип шарошечных долот
предназначен для определенного, довольно узкого диапазона крепости пород, шарошечные долота не обеспечивали эффективного бурения основной массы пород. Для данных условий были разработаны и испытаны на карьерах «Мир» и «Интернациональный» комбинированные режуще-шарошечные долота типа РШД [1].
Комбинированные режуще-шарошечные долота предназначены для бурения по переслаивающимся породам различной крепости, когда мягкие, глиносо-держащие породы чередуются с пропластками более крепких пород. Комбинированные долота РШД-215,9, РШД-244,5 и РШД-244,5ТЗ прошли широкую промышленную проверку на карьерах Мирнинскрго ГОКа. При этом установлено, что в диапазоне изменения коэффициента крепости от 4 до 12 скорость бурения комбинированным долотом в 1,5-2 раза выше, а энергоемкость процесса бурения в 2-2,5 раза ниже, чем шарошечным [1].
Заложенные принципы выбора параметров буровых долот явились основой для разработки параметрического ряда буровых долот режущего и комбинированного типов для применяемого в Компании диапазона диаметров взрывных, разведочных и эксплуатационных скважин [4].
При бурении мерзлых илисто-глинистых пород возникает ряд осложнений, связанных с удалением продуктов разрушения из скважины. Причиной этого является нарушение температурного режима скважины, обуславливаемое влиянием тепла, выделяемого на забое при работе породоразрушающего инструмента и вносимого в скважину продувочным воздухом. В результате происходит оттайка продуктов разрушения, налипание их на штангу и стенки скважины, прекращение продувки и самого процесса бурения [1]. Для нормализации процесса бурения целесообразно, чтобы воздух, поступающий в скважину для очистки ее от продуктов разрушения, охлаждался до отрицательных значений. В условиях алмазорудных месторождений Якутии, где на холодное время приходится 8-9 месяцев в году, наиболее простым и целесообразным является охлаждение потока воздуха путем его теплообмена с низкотемпературным атмосферным воздухом.
На основании расчетов теплообменных процессов скважины [5] для охлаждения продувочного воздуха разработаны специальные установки батарейного и радиаторного типов. Они были изготовлены и испытаны в условиях Айхальского ГОКа АК «АЛРОСА». Применение их обеспечило устойчивое снижение температуры на выходе из долота до минус 4-6°C и сокращение случаев нарушения режимов очистки скважин от буровой мелочи. В процессе испытаний было установлено, что производительность станков СБШ-250МНА увеличивается в среднем в 1,5 раза, а расход долот сокращается в 1,3 раза.
На основании анализа условий и накопленного опыта бурения на алмазорудных карьерах Якутии разработана инженерная методика технологии бурения скважин, утвержденная руководством Мирнин-ского ГОКа и ИрГТУ. Инженерная методика включает
ресурсосберегающие технологии бурения скважин на карьерах, описанные выше. Она широко апробирована и внедрена на карьерах Айхальского, Мирнинского и Нюрбинского ГОКов.
Комплексное использование предложенных технических решений позволит усовершенствовать условия труда, интенсифицировать проходку взрывных скважин и улучшить технико-экономические показатели добычи алмазосодержащего сырья в целом.
Библиографический список
1. Дойников Ю.А., Беляев А.Е., Страбыкин Н.Н. Совершенствование технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 6. С.54-56.
2. Дойников Ю.А., Беляев А.Е. Обоснование оптимальных параметров пневмотранспортирования продуктов разрушения при бурении скважин с очисткой сжатым воздухом // Вестник ЧитГУ. 2010. № 1. С.11 -16.
3. Дойников Ю.А., Перетолчин В.А., Беляев А.Е. Геометрические параметры режущих долот со сменными резцами //
Рациональное природопользование при освоении ресурсов Сибирского региона. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1998. С.69-76.
4. Дойников Ю.А., БеляевА.Е., Страбыкин Н.Н. Разработка параметрического ряда буровых долот режущего и комбинированного типов // Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 1. С.37-41.
5. Дойников Ю.А. Беляев А.Е., Страбыкин Н.Н. Стабилизация процесса бурения мерзлых пород оптимизацией температурного режима очистки скважины от буровой мелочи // Изв. вузов. Горный журнал. 2010. № 5. С.61-67.
