Создание исполнительного органа для бурения скважин малого диаметра Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.233

А. А. Репин, Д. И. Кокоулин, И. О. Шахторин

СОЗДАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

МАЛОГО ДИАМЕТРА

Новые технологии разработки угольных и рудных месторождений требуют проведение работ по созданию бурового оборудования для бурения скважин диаметром 40-60 мм на глубину до 50 м в крепких породах. Существующие способы бурения скважин малого диаметра, использующие способ вращательного бурения при помощи отечественных буровых станков БЖ-45 и анкеро-установщиков СБР, а также ряда зарубежных ан-кероустановщиков, не отвечают современным требованиям, как по производительности, так и по расходу бурового инструмента. Применение известных буровых установок, оснащенных перфораторами, ограничено глубиной бурения скважин, не превышающей 5-10 м, так как эффект от удара по хвосту бурового става по мере увеличения ее глубины уменьшается. Таким образом, возникла необходимость в создании такого бурового оборудования, которое при малом весе и малых габаритах могло обеспечить проходку скважин диаметром 40-60 мм на глубину до 50 м в крепких породах.

Известно, что наиболее эффективным спосо-а б

оборудование, включающее станок СБП (рис. 1), и погружной пневмоударник АШ-43 с наружным диаметром 37 мм (рис. 2) [2].

Станок СБП (рис. 1а) устанавливается в горной выработке (например, штреке) на двух раздвижных стойках 1, и распирается опорами 2 с помощью винтов. Неподвижные нижние стойки 1 соединяются жестко между собой кронштейнами 3 и 4. Одновременно нижние стойки являются направляющими для редуктора - вращателя 5. На кронштейне 3 жестко закреплены два пневмоци-линдра 6, штоки которых проходят через отверстия в кронштейне 3 и при помощи пальцев крепятся к коромыслу 7. Коромысло, в свою очередь, шарнирно соединяется двумя тягами 8 с корпусом редуктора - вращателя 5. При втянутых штоках пневмоцилиндров редуктор - вращатель находится в нижнем положении. В переходник редуктора вставляется штанга 9. На забойный конец штанги устанавливается погружной пневмоударник 11. После этого включается редуктор - вращатель и подается команда пневмоцилиндрам 6 на выдвижение штоков. При этом, буровой став вместе с

Рис. 1. Станок буровой породный СБП с пневмоударником АШ: а - общий вид станка; б - опытный

образец на стенде

бом бурения скважин в крепких породах является способ вращательно-ударного бурения с применением погружных пневмоударников, позволяющих осуществлять динамическое воздействие на горный массив для его разрушения непосредственно в забое [1]. С использованием этого принципа бурения в ИГД СО РАН разработано буровое

редуктором - вращателем подаётся на забой, включается пневмоударник и начинается процесс бурения.

После окончания бурения вращение штанги останавливается, прекращается подача воздуха в пневмоударник, штанга закрепляется на кронштейне рычагами 10.

Рис. 2. Пневмоударник погружной АШ-43: 1 - корпус; 2 - ударник; 3 - воздухораспределительная гильза; 4 - кольцевая полость камеры рабочего хода; 5 - торцевая камера рабочего хода; 6 - камера холостого хода постоянного давления; 7 - расточка; 8 - буровая коронка

При проектировании пневмоударника АШ-43 решалась задача получения максимально возможной энергоотдачи пневмоударником в процесе бурения при его относительно небольших габаритах, диктуемых диаметром скважины, который определяется технологической необходимостью. Исходя из геометрических параметров спроектированного пневмоударника (рис. 2) определялись его энергетические возможности.

В соответствии с рекомендациями Б.В. Суд-нишникова [3] энергия удара спроектированного пневмоударника равна:

А = F ■ 5 ■ р = 0.0006 ■ 0.03 ■ 0.4 ■ 106 = 7.2 Дж, (1)

где Б = 0.0006 м2 - площадь ударника; 8 = 0.03 м - путь ударника с учетом холостого хода и воздушной подушки; Р = 0.4 МПа - среднее давление в пневмоударнике.

По разработанной ИГД СО РАН технической документации был изготовлен опытный образец станка СБП на заводе ООО «Спецгидравлика», а так же пневмоударник АШ-43 в мастерских ИГД СО РАН.

В качестве бурового инструмента применен резец породный БИ-746 конструкции ООО «Буровой инструмент» (г. Новокузнецк).

Эффективность бурения скважин вращательно ударным способом объясняется тем, что глубина внедрения бурового инструмента в горный массив за один оборот бурового става складывается из углубления от действия статической и ударной нагрузок [4]. Таким образом, можно допустить, что общая скорость бурения скважин этим способом будет равна сумме скоростей, полученных вращательным и ударно - поворотным способами.

На основании проведенных научных исследований В.В. Царициным рекомендованы формулы по определению скорости бурения вращательным и ударно - поворотным способами [5].

Скорость при вращательном способе бурения:

4-n-m-P(l+P)Cosy

VBp=-см/мин

й-а

бурения:

Гуд

_ 2,85-z-T-sina/2

см/мин

(3)

(2)

Скорость при ударно - поворотном способе

d2a(f+tga/2)

Просуммировав формулы (2) и (3), получим скорость бурения, соответствующую вращательно - ударному способу бурения буровым инструментом с притупленными лезвиями:

У^=Увр+Ууд= -¡2^[птр(1 + в) cosy +

0.71-z-T-sina/2

+----——] см/мин (4)

d-(f+tga/2) 1 v у

где n - скорость вращения бурового става, об/мин; m - коэффициент формы лезвий бурового инструмента; p - осевое усилие на буровой став, кг; у - угол установки лезвия относительно забоя, град.; d - диаметр скважины, см; а - угол заострения лезвия, град.; в - коэффициент формы среза стружки при бурении; z - частота ударов ударника, уд/мин; T - энергия удара, Дж; f - коэффициент трения; а - предел прочности горного массива, МПа.

Принимаем, согласно рекомендациям О. Д. Алимова [6]? скорость вращения бурового става n = 180 об/мин, усилие подачи бурового става на забой Р = 750 кг (в соответствии с технической характеристикой СБП), геометрические параметры породного резца БИ-746, силовые параметры пневмоударника в соответствии с результатами расчетов по формуле 1 и подставляем их в формулы 4 и 2. В результате расчетов получена зависимость скорости бурения скважины диаметром 46 мм в породах различной крепости L = f (с) враща-тельно - ударным и вращательным способами бурения (рис. 3).

С целью подтверждения правомерности аналитического решения задачи были проведены экспериментальные исследования процессов бурения в ходе испытаний бурового оборудования на натурном стенде.

Натурный стенд представляет собой пространственную раму, в которой раскрепляется буровой станок. На нижнем основании рамы установлен и закреплен блок горной породы (см. рис.

Ь, м/мин 0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

40 60 80

» Вращательно-ударное бурение

100 120 140

" - Вращательное бурение с, МПа

Рис. 3. График зависимости V = (о) при бурении скважины диаметром 46 мм, построенный по результатам аналитических исследований

Ь, м/мин 0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

40

Ь ан., м/мин

Ь эксп., м/мин

Рис. 4. Графики зависимостей V = / (о), полученные

1б). В ходе испытаний были пробурены скважины диаметром 46 мм в бетонном и мраморном блоках. Испытания проводились в два этапа. На первом этапе бурение скважин осуществлялось методом вращательного бурения. На втором производилось методом вращательно - ударного бурения. И в первом и во втором случаях испытания сопровождались замерами давления в поршневых полостях пневмоцилиндров и в рабочих зонах пневмодвига-теля вращателя бурового става и пневмоударника. Кроме того выполнялись замеры скорости враше-ния и подачи бурового става на забой (скорости

аналитическим и экспериментальным путем

бурения), а также частоты колебаний ударника. Все замеры выполнялись одновременно. Замеры давления и частоты колебаний ударника выполнялись при помощи датчиков давления с последующей обработкой и записью результатов на компьютер.

Результаты испытаний после обработки сводились в таблицу. В таблице приведены обработанные данные, полученные в процессе бурения мрамора и бетонного блока крепостью 11 и 4 единицы по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

При сравнении результатов аналитических и

экспериментальных исследовании установлено, что величина скорости бурения вращательно -ударным способом, полученная экспериментальным путем на 8 - 10 %, превышала скорость бурения, определенную аналитически (рис. 4).

Данное несовпадение скоростей объясняется тем, что разрушение горного массива при вращательно - ударном способе бурения происходит как от динамического воздействия на него буровым инструментом, так и вращательного резания. При этом, в результате удара лезвия бурового инструмента не только внедряются в массив на соответствующую глубину, но и способствуют возникновению в нем микротрещин, нарушающих целостность структуры массива и уменьшая его допускаемое напряжение на сжатие, что облегчает дальнейший процесс разрушения массива уже методом вращательного резания. Выровнять величины скорости, полученные экспериментальным и аналитическим способами можно путем ввода в (3) поправочного коэффициента «к». Таким образом, окончательный вариант формулы по определению скорости бурения скважин в крепких породах методом вращательно - ударного бурения с притуп-ленными лезвиями будет выглядеть так:

„__2 к

V--~—[птр(1 + в) соб/ +

da

0.71-zT-sina/2

см/мин

(5)

d•(f+tga/2) где к - поправочный коэффициент. Поправочный коэффициент «к» определяется из выражения:

7эксп

к= - (6)

Красч у у

где Кэксп - скорость бурения эксперименталь-

ная, м/мин; Красч - скорость бурения расчетная, м/мин.

Испытаниями установлено, что поправочный коэффициент «к» меняется в зависимости от изменения предела прочности горного массива на сжатие. Однако эти изменения по абсолютной величине незначительны. Так, для пород крепостью ц = 4 ед. коэффициент к =1.1, а для пород крепостью ц = 11 ед. коэффициент к =1.14. Таким образом, можно допустить, что средняя величина поправочного коэффициента составит к = 1.12. Данные значения коэффициента «к», получены при работе пневмоударника АШ-43.

При рассмотрении формулы 5 и результатов испытаний, видно, что дальнейшее увеличение скорости бурения при использовании станка СБП возможно только за счет увеличения энергетических возможностей пневмоударника, так как усилие подачи бурового става на забой (по характеристике станка СБП) уже достигло своего максимального значения 7.5 кН. Поэтому, было принято решение о необходимости создания нового пнев-моударника с более высокими энергетическими показателями. Такой пневмоударник был спроектирован и в настоящее время находится в стадии изготовления в мастерских ИГД СО РАН.

Сопоставление результатов испытаний, полученных экспериментально с результатами аналитических исследований, позволяет сделать вывод о высокой степени их соответствия, что дает возможность определения скорости бурения скважин в горных средах различной крепости аналитическим путем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клишин В.И., Репин А.А., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б. Создание специальных буровых станков для бурения скважин диаметром 45 мм в крепких породах. [Текст] / . Теория машин и рабочих процессов. Сборник трудов. - Бишкек. 2013. С. 195-201.

2. Шахторин И. О., Карпов В. Н. Актуальность использования скважин малого диаметра в технологиях добычи полезных ископаемых. [Текст] / Сборник трудов десятой международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» -Москва: ИПКОН, 2013.

3. Суднишников Б.В., Есин Н.Н., Тупицын К.К. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. [Текст] / Новосибирск: Наука, 1985. - 134с.

4. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин. [Текст] / М.: Недра, 1986. - 220 с.

5. Царицын В.В. Бурение горных парод. - Киев, 1959. - 343 с.

6. Алимов О.Д., Белов И.Г., Горбунов В.Ф., Маликов Д.Н. Бурильные машины. - М.: Госгортехиздат, 1960. - 259 с.

Авторы статьи

Репин

Анатолий Антонович канд.техн.наук доцент,зам. директора Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН ЕтаП:герт@пц8(1шс.ги

Поступило в редакцию 17.11.2014

Кокоулин Даниар Иванович канд.техн.наук ведущий инженер Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН ЕтаП:кош1гак1ог430@уап(1ех.ги

Шахторин Илья Олегович Инженер Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН Email: scorpion22@bk.ru