CC BY
47
- © А.П. Вержанский, П.И. Дубинин,
В.В Девятьярова, С.П. Дубинин, 2012
УДК 621. 791
А.П. Вержанский, П.И. Дубинин, В.В. Девятьярова, С.П. Дубинин
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ ДЕКОРАТИВНОГО ПРИРОДНОГО КАМНЯ
Рассмотрены особенности колонкового бурения горных пород. Определены технологические задачи колонкового бурения скважин большого диаметра при добыче блоков декоративного природного камня.
Ключевые слова: горные породы, природный камень, колонковое бурение, буровая коронка, керн, технологические задачи.
Колонковое бурение - вращательное бурение, при котором разрушение породы осуществляется не по всей площади забоя, а по кольцу с сохранением внутренней части породы в виде керна (рисунок). Колонковое бурение осуществляется буровыми установками, с помощью которых производятся спуск и подъём инструмента, вращение и подача бурового снаряда и др. операции [5,6]. До настоящего времени колонковое бурение горных пород применяется в основном при проведении геологоразведочных, сейсмических, инженерно-геологических, гидрогеологических скважин.
При колонковом бурении частицы разрушенной породы удаляются из забоя и выносятся на поверхность промывочной жидкостью, нагнетаемой буровым насосом в колонну бурильных труб. Выбуренный керн входит в колонковую трубу и по мере углубления скважины заполняет её. Керн периодически заклинивают, отрывают от забоя и поднимают на поверхность.
Разнообразие геологических условий, в которых приходится отбирать
керн, обусловило большое количество разновидностей колонкового инструмента.
По схеме и способу создания циркуляции промывочного агента все их можно подразделить на три класса -бурение с прямой, обратной и приза-бойной промывкой, В каждом классе следует также выделить несколько разновидностей по принципиальной конструктивной схеме и способу подъема керна на поверхность. Чем труднее удержать, сохранить керно-вый материал при его выбуривании и подъеме на поверхность, тем тщательнее нужно разрабатывать технологию бурения и сложнее конструкции применяемого колонкового инструмента
В зависимости от крепости и абразивных свойств горных пород для бурения используются буровые коронки различных типов. Колонковым бурением проходят вертикальные, наклонные, восстающие, многозабойные скважины в породах с самыми разнообразными физико-техническими свойствами [3, 4, 9].
В зависимости от физико-технических свойств пород, диаметра и типа
Схема колонкового бурения: 1 — буровая корон ка; 2 — керн; 3 — колонковая труба; 4 — переходник; 5 — колонна бурильных труб для подачи промывочной жидкости к забою, вращения коронки и передачи осевой нагрузки на неё
буровой коронки шпинделю и буровому снаряду сообщают ту или иную частоту вращения и при помощи регулятора подачи создают необходимую осевую нагрузку на коронку. Частота вращения инструмента подбирается в зависимости от типа коронки, ее диаметра и глубины скважины. Регулятор подачи позволяет создавать необходимое давление по-родоразрушающих элементов коронки на породу забоя, независимо от веса колонны бурильных труб. Вращаясь и внедряясь в породу, коронка выбуривает кольцевой забой, формируя керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу.
После того как колонковая труба наполнится керном, приступают к подъему инструмента на поверхность. Перед началом подъема керн должен быть надежно заклинен в нижней части колонкового снаряда и сорван. После заклинивания керна насос выключают, и буровой снаряд при помощи лебедки поднимают на поверхность.
После извлечения колонкового снаряда на поверхность коронку отвинчивают, керн извлекают из колонковой трубы, инструмент вновь собирают, опускают в скважину и бурение продолжают. При каждом подъеме коронку осматривают и в случае износа заменяют новой.
При бурении в крепких и абразивных горных породах иногда приходится прекращать бурение и приступать к подъему инструмента из-за значительного снижения скорости бурения вследствие затупления резцов коронки или из-за самозаклинивания керна в колонковом снаряде. Поэтому создание оптимальной геометрии колонкового инструмента, при которой имеет место его наибольшая стойкость, представляет собой важную, актуальную научную задачу.
Глубины колонковых скважин бывают различные - от нескольких метров до нескольких тысяч метров. Диаметры колонковых скважин зависят от целей их проходки и от типа породоразрушающего инструмента. При алмазном способе скважины бурятся в основном коронками диаметром 76, 59 и 46 мм. При твердосплавном бурении чаще применяют коронки диаметром 92, 76, 59 мм,
Решающее влияние на эффективность бурения с отбором керна оказывает конструкция колонкового инструмента, прежде всего пород ораз-рушающего и кернообразующего, т. е. буровой коронки. В соответствии с характером проходимых пород могут быть использованы твердосплавные или алмазные буровые коронки.
В процессе экспериментальных исследований фиксировали: осевую нагрузку на забой, скорость вращения бурильной головки, механическую скорость проходки, длину поднятого керна, износ буровой коронки по наружному и внутреннему диаметрам, расширителей и центраторов и сра-ботку других элементов колонкового инструмента. Определяли также расход промывочной жидкости, потери давления в циркуляционной системе, а в ряде рейсов колонкового инструмента— момент на валу привода вращения.
Имеющиеся достижения в рассматриваемой области — результат научно-исследовательских, конструкторских и производственных разработок, выполненных многими учебными и научно-исследовательскими институтами, организациями и предприятиями.
По классификациям колонкового бурения, все горные породы по трудности получения керна подразделены на несколько категорий. В основу деления горных пород положены такие признаки, как прочность и стабильность внутренних связей в горной породе, степень ее нарушенности, устойчивость горной породы против вибраций и эрозионного действия промывочной жидкости, растворимость горной породы. Отнесение горной породы к той или иной категории позволяет правильно выбрать способ получения керна, тип колонкового инструмента и наиболее подходящий технологический режим бурения.
Декоративный природный камень относится к горным породам, обладающим достаточной прочностью и стабильностью внутренних связей, низкой степенью нарушенности и устойчивостью против вибраций и эрозионного действия промывочной жидкости, и позволяющим получать цельные керны большого диаметра и длины.
Несмотря на имеющуюся номенклатуру бурового оборудования, колонкового инструмента, проблемы повышения качества кернового материала актуальны и для конструкторов — создателей новой техники, и для технологов на производстве. Возрастают и требования к качеству и размерам кернового материала, особенно при изготовлении художественных изделий из декоративного природного камня с формой тел вращения. Все это заставляет непрерывно совершенствовать технические средства для отбора керна и технологию его получения.
В настоящее время в Московском государственном горном университете под руководством д.т.н., профессора А.П. Вержанского проводятся научно-исследовательские и экспериментальные работы по созданию бурового оборудования и инструмента, а также разработке технологии добычи блоков высокодекоративного природного камня с применением колонкового бурения скважин большого диаметра. Применение этого оборудования, инструмента и технологии обеспечит снижение энергоемкости и себестоимости добычи, а так же потерь ценного камня, вследствие попутной выемки кернов, используемых при изготовлении изделий с формой тел вращения (балясины, колонны, подставки, вазы и т.п.).
На основе анализа существующих технологий добычи блоков декора-
тивного природного камня, технологий колонкового бурения горных пород, бурового оборудования и инструмента [1, 2, 7 и др.] при проведении научно-исследовательских и экспериментальных работ были поставлены и решаются следующие задачи:
- определение особенностей механизма разрушения природного камня единичным алмазным зерном и лезвийным элементом коронки при колонковом бурении;
- разработка методики для определения рациональных параметров режима колонкового бурения в зависимости от физико-технических свойств декоративного природного камня и параметров бурового инструмента;
- определение области рациональных параметров инструмента для сплошного и колонкового бурения в зависимости от физико-технических свойств камня;
- разработка и создание инструмента для колонкового бурения камня, обеспечивающего повышение производительности и качества кернов большого диаметра при минимальной энергоёмкости процесса бурения;
- определение рациональных параметров буровой колонки, обеспечивающих заданный технологический режим колонкового бурения и качество керна;
- разработка и создание оборудования сплошного колонкового бурения камня для добычи блоков и кернов декоративного природного камня;
1. Бака Н.Т., Ильченко И. В. Облицовочный камень. Геолого-промышленная и технологическая оценка месторождений: Справочник. - М.: Недра, 1992. - 303 с.
- разработка способа отделения блоков декоративного природного камня от массива с применением сплошного колонкового бурения;
- разработка способа выемки кернов большого диаметра при сплошном колонковом бурении с применением алмазно-канатного пиления;
- разработка комбинированной технологии добычи блоков декоративного природного камня с применением сплошного колонкового бурения и алмазно-канатного пиления.
Для того чтобы убедиться, насколько сложный характер носит процесс колонкового бурения, достаточно обратиться лишь к его составляющей — процессу разрушения при взаимодействии инструмента с горной породой. Эффективность процесса зависит от большого числа взаимосвязанных факторов — состояния рабочих элементов породоразрушающего инструмента, физико-технических свойств породы, режимных параметров, степени очистки забоя от шлама и т. д., причем большинство из этих факторов изменяются в процессе бурения [5].
Всё это подразумевает комплексный подход решения поставленных задач, в основу которого постоянный учёт и влияние взаимосвязанных параметров и факторов: технологических параметров режима бурения в зависимости от физико-технических свойств природного камня и породо-разрушающих элементов инструмента, геометрии и прочностных свойств бурового снаряда (коронки, колонковой трубы, переходника и др.).
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Давтян К.Д., Левковский Г.Л. Технология алмазно-канатного пиления и комплексное использование минерального сырья./ Под. ред. акад. К.Н. Трубецкого. -М.: ИПКОН РАН, 2004. - 288 с.
3. Грабчак Л.Г., Ш.Б. Багдасаров, C.B. Иляхин и др. Горноразведочные работы. Под ред. Ё.Г. Грабчака. - М.: Высш. шк., 2003. - 661 с.
4. Картавый Н.Г. Ю.И. Сычёв Ю.И., И.В. Волуев. Оборудование для производства облицовочных материалов из природного камня. - М.: Машиностроение, 1988. -240 с.
5. Морозов В.И., Дубинин С.П. Определение режимов алмазного кернового бурения крепких горных пород. Сборник статей Х111 Всероссийской конференции (с международным участием) «Технология ху-
дожественной обработки материалов». - М.: МГГУ, 2010. - С. 291-296.
6. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. - М.: Изд-воМГГУ, 2002. - 453 с.
7. Трубецкой КН., Потапов М.Г., Винницкий К. Е., Мельников Н.Н.и др. От-крыпыге горные работы. Справочник. - М.: Горное бюро, 1994. - 590 с.
8. Чирков A.C. Добыча и переработка строительны« горнык пород. - М.: Мир горной книги, 2009.- 622 с.
9. Шамшев Ф.А. Основы разведочного бурения. - Ленинград: Недра, 1971. -194 с. S3E
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Вержанский А.П. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Дубинин П.И. - кандидат технических наук, доцент, зав. лабораторией, Девятьярова В.В. - ст. преподаватель, Дубинин С.П. - аспирант.
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
МЕСТОРОЖДЕНИЯ МИРА
Крупнейшие урановые месторождения
(с запасами от 20 тыс. т до 100 тыс. т и более)
Олимпик-Дэм (OlympicDam), Австралия (BHP Billiton) Россинг (Rossing), Намибия (Rio Tinto) MaкApтyp-Pивеp (McArthur River), ^нада (Cameco) Инкай (Inkai), Kaзaxстaн (Cameco, Uranium One) Доминион Dominion, ЮAP (Uranium One) Pейнжеp Ranger, Австралия (Rio-Tinto) Харасан Harasan, Kaзaxстaн (Kaзaтoмпpoм) Mынкyдyк (Mynluduk), Kaзaxстaн (Kaзaтoмпpoм) Moинкyм (Moynkum), Kaзaxстaн (Kaзaтoмпpoм, AREVA) Имурарен (Imuraren), Нигер (AREVA) - планируется Джабилука (Jabiluka), Австралия (Rio Tinto) - планируется Сигар Лейк (Cigar Lake), ^нада (Cameco) - строится Новоконгстантиновское - строится
Дружное, Эльконский р-н, Poœra ^PM3) - планируется Итатая/Санта Km^pra (Itataia/Santa Quiteria), Бразилия - планируется
Продолжение на с.3Б0
