Влияние типа и параметров буровых долот на сохранность кристаллов алмазов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

А.Е.Б©дяев, Ю.П.Шеметов, В.М.Горячкин, Н.Н.Страбыкин, Ю.М. Ко дедин

Влияние типа ¡и параметров буровых долот на сохранность кристаллов алмазов

В процессе добычи алмазов из кимберлитовых руд происходит нарушение целостности кристаллов алмазов. Оно объясняется механическим воздействием исполнительных органов машин и оборудования, применяемых в технологическом процессе добычи и переработки кимберлитовых руд на карьере и обогатительной фабрике, а также физическим воздействием в процессе производства буровзрывных работ. При ведении буровых работ на карьере разрушение кристаллов происходит в результате взаимодействия по-родоразрушающего инструмента с забоем скважины в рудном теле. Стоимость алмазов во многом зависит от их величины и целостности. Даже небольшое нарушение кристалла резко снижает его ценность.

В процессе бурения скважин около 0,1% объема руды подвергается воздействию бурового породораз-рушающего инструмента [1]. Таким образом, значительное количество кристаллов алмазов вступает в контакт с буровым инструментом и может быть подвергнуто техногенному скалыванию. Однако различный тип бурового инструмента неодинаково воздействует на руду и кристаллы алмазов в ней при взаимодействии с забоем скважины. Шарошечные долота осуществляют разрушение забоя при бурении скважины за счет раздавливания, дробления и скалывания кимбер-литовой руды зубьями шарошек. Причем в зависимости от типа шарошечного долота, формы и оснащения зубьев шарошек разрушение забоя происходит по-разному. При твердосплавном оснащении зубьев шарошек превалируют раздавливание и дробление, так как качение поверхности шарошки по забою осуществляется без проскальзывания, В случае фрезерованного исполнения зубьев шарошек, как правило, имеет место проскальзывание их на забое скважины, что сопровождается сколом частиц руды с забоя.

Применение режущих долот сопровождается, главным образом, скалыванием руды на забое при срезании стружки режущим лезвием [2]. Однако режущее лезвие может выполняться сплошным или прерывистым с различным количеством ступеней и неодинаковым превышением каждой последующей ступени, что в значительной степени влияет на крупность образующихся при бурении продуктов разрушения. Крупность буровой мелочи, образуемой при взаимодействии бурового инструмента с забоем, в значительной мере характеризует энергоемкость разрушения и разру-

шаемость кристаллов. Выход более крупных фракций буровой мелочи создает условия для меньшего разрушения кристаллов,

Существенное влияние на крупность продуктов разрушения при взаимодействии бурового инструмента забоем оказывают параметры режима бурения. С увеличением создаваемого осевого усилия на буровое долото возрастает глубина внедрения зубьев шарошек или режущего лезвия в поверхность забоя, что сопровождается скалыванием более крупных фракций буровой мелочи. Однако нельзя беспредельно увеличивать значение осевого усилия, так как может произойти внедрение зубьев шарошек до основания или посадка режущего лезвия на заднюю грань, что будет сопровождаться уменьшением удельного давления на забое. Кроме того, максимальное значение передаваемого осевого усилия на долото ограничивается условиями прочности опорных подшипников шарошек, а также установленной мощностью привода вращателя станка,

Увеличение частоты вращения бурового става приводит ;< снижению глубины внедрения порсдораз-рушающих элементов долота и уменьшению крупности образуемой буровой мелочи. Одновременно возрастает динамичность взаимодействия инструмента с забоем и существенно увеличиваются динамические нагрузки, передаваемые вращательно-подающему механизму станка, что снижает ресурс его работы. Уменьшение частоты вращения бурового става сопровождается ростом глубины внедрения долота в забой и увеличением загрузки привода вращателя. При этом растет крупность продуктов разрушения.

Таким образом, с учетом вышеизложенного следует, что на сохранность кристаллов алмазов при разрушении кимберлитов в процессе бурения взрывных скважин существенное влияние оказывают тип поро-доразрушающего бурового инструмента, способ воздействия его рабочих элементов на забой скважины и параметры режима бурения, Для количественной оценки влияния типа и параметров бурового инструмента на сохранность кристаллов алмазов при проходке взрывных скважин были проведены лабораторные и производственные исследования.

Лабораторные исследования проводились на буровом стенде, обеспечивающем использование полномерных режущих и шарошечных буровых долот и фик-

сацию параметров режима бурения, Кристаллы алмазов при высокой твердости обладают значительной хрупкостью и относительно низким пределом прочности на изгиб, Поэтому при проведении лабораторных исследований в качестве модели кристаллов алмазов были приняты частицы стекла кубической формы размерами 2x2x2, 3x3x3, 5x5x5 мм, которые по своим физико-механическим свойствам близки кристаллам алмазов,

Алмазоносные породы-кимберлиты имеют коэффициент крепости \ = 5-7 и по физико-механическим свойствам приближаются к мерзлым песчаникам, Поэтому в качестве модели кимберлитов при лабораторных исследованиях был принят затвердевший цементно-песчаный раствор. В процессе эксперимента в блоке песчаника пробуривалась скважина, которая затем заполнялась цементно-песчаным раствором с равномерно распределенными в нем частицами стекла заранее заданных размеров и количества, После затвердевания раствора осуществлялось его выбуривание различными типами породоразрушающего инструмента при заданных режимах бурения (Рос и пвр) с фиксацией их параметров. Анализ полученных продуктов разрушения позволил определить количество целых и разрушенных частиц стекла, их процентное соотношение для каждого размера и путем ситового анализа установить гранулометрический состав.

Производственные исследования проводились в условиях карьера «Юбилейный» АК «Алроса» в соответствии с разработанной методикой проведения эксперимента. Бурение скважин осуществлялось по рудному телу станком СБШ-250МНА-32 режущим долотом ЗРД-244,5 и шарошечным долотом Ш244.5Т-ПВ с фиксацией параметров режима бурения и определением гранулометрического состава продуктов разрушения. Всего за период эксперимента было пробурено по 3 скважины глубиной 22 м каждым типом долота, Буровая мелочь транспортировалась на обогатительную фабрику для определения сохранности и характера сколов кристаллов алмазов. Предварительно с целью изучения влияния на степень сохранности кристаллов типа бурового инструмента проводился ситовой анализ для оценки гранулометрического состава продуктов разрушения кимберлитов в скважине. Кроме того, производилось определение удельных затрат энергии на разрушение кимберлитов при бурении 1 м скважины, что позволило судить об энергоемкости процесса бурения 1 м скважины различными типами породораз-рушающих инструментов. В процессе производственных исследований посредством хронометражных замеров определялись также механическая и техническая скорости бурения режущим и шарошечным долотами, Средняя механическая скорость бурения режущим и шарошечным долотами составила 0,9 и 0,51м/мин, а средняя техническая - соответственно

0,53 и 0,31 м/мин. Результаты ситового анализа приведены в таблице.

Сравнительное содержание продуктов разрушения различной крупности при бурении по кимберлитам шарошечным и режущим долотами

Расчетное значение удельного расхода электроэнергии на бурение 1 м скважины шарошечным долотом Ш244,5Т-ПВ составило 8,46 кВт х ч/м, а режущим долотом ЗРД-244,5 - 4,93 кВт х ч/м.

На рис.1,а представлены зависимости гранулометрического состава (выход по классам крупности и суммарный выход продуктов разрушения) при бурении по цементно-песчаному блоку в лабораторных условиях шарошечным и режущим долотами. Из графических зависимостей видно, что при бурении режущим долотом крупность буровой мелочи значительно возрастает по сравнению с шарошечным. Так, выход фракций +5-7 мм увеличился в 2 раза, а фракций +10-15 мм - в 10 раз, Это предопределяет вероятность меньшего контакта режущего инструмента с «кристаллами» и косвенно меньшую степень их разрушения.

Аналогичные результаты были получены и при проведении производственных исследований. Из графических зависимостей (рис, 1,6] видно, что при бурении режущим долотом выход фракций +10-15 мм в 2,5 раза больше, чем при бурении шарошечным, Фракция + 20 мм при работе шарошечного инструмента составляет 1,6%, в то время как при воздействии режущего инструмента на забой содержание ее достигло 25% от общего объема продуктов разрушения забоя.

На рис,2,а приведены результаты исследований сохранности искусственных кристаллов при бурении по цементно-песчаному блоку в лабораторных условиях различным буровым инструментом. Из полученных графических зависимостей следует, что сохранность «кристаллов» выше в случае использования режущих долот. При этом наблюдается существенный рост сохранности «кристаллов» меньших фракций. Так, при бурении режущим долотом ЗРД-215,9 выход невредимых частиц стекла размером 5x5x5 мм составил 14 %, а размером 2x2x2 - 40%, в то время как при бурении

Показатели Тип долота

¡11244,5Т-ПВ ЗРД-244,5

Общий объем пробы, кг 37,8 35,2

Размеры фракций

0-3 мм, вес фракций, кг 16,9 4,0

% содержание 44,7 11,4

+3-7 мм, вес фракций, кг 14,3 8,4

% содержание 37,8 23,9

+ 7-15 мм, вес фракций, кг 6,0 9,4

% содержание 15,9 26,7

Больше 15 мм, вес фракций 0,6 13,4

% содержание 1,6 38,0

Размеры фракции

Рис, 1. Гранулометрический состав продуктов разрушения при испытаниях: а - лабораторных; 6 - промышленных

III 215.9ТПВ

1РД-215,9

г=з

Рш=80кН Рп-40кН

1РД-215,9

1 о о

§ 30

о с

ч о X

со 20

III 215,9ТПВ

<3 о о

03

4 к

о с

о

X

СС 20

0-1,5 +1,5-3 +3-5

+5-7 +7-10 Размеры фракции

0-8 0-12

с1. мм

+10-15

0-20 (1. мм

0-20 (1. мм

% :'

Науки о Земле

Ж!

а)

%

сс о

С? §

н о К

О, «

о

О §

ои

><

о О

40

30

20

10

\ ЗРД-215,9

ШРД-2IS.9T.-niR 2РД-215,9

ШРД-215,9Т-ПВ

8,мм

2 3 4

Размер «кристаллов»

б)

н о

к

¿3

н о о

и

щ

(Я Сь X

о

и

%

50

40

30

20

ЗРД-244,5

ШРД-21С 9Т-ПН

8. мм

+0.5-1 +1-2

Размер фракции кристаллов

+2.-4

Рис. 2. Сохранность кристаллов при испытаниях: а - лабораторных; 6 - промышленных

шарошечным долотом Ш215,9Т-ПВ--соответственно 8 и 15%. Кроме того, следует отметить, что сохранность «кристаллов» в значительной степени зависит от рабочих параметров долот и конструктивных особенностей бурового инструмента. Режущее долото 2РД-215,9 снабжено съемной режущей лопастью со сплошной режущей кромкой, так что каждое перо лопасти дублирует друг друга. У этого долота линия контакта с забоем почти в два раза больше, чем у долота ЗРД-215,9 [3]. Поэтому удельное давление, развиваемое ьа забое режущей кромкой долота 2РД-215,9 при одинаковом усилии подачи, ниже, а следовательно, меньше и толщина снимаемой лезвием стружки. Из графических зависимостей (см. рис. 2,а) видно, что сохранность «кристаллов» в этом случае меньше, чем при бурении долотом ЗРД-215,9, Выход неразрушенных частиц размером 3x3x3 мм при обработке забоя долотом 2РД-215.9 составил 20%, в то время как прк бурении долотом ЗРД-215,9- 25%.

Аналогичная картина наблюдается и при бурении шарошечными долотами различных тчпов. Долото Ш215,9Т-ПВ выполнено с фрезерованными зубьями шарошек, а долото Ш215.90К-ПВ оснащено шарошками с твердосплавными вставками - зубьями полусферической формы, По этой причине, а также в связи с предусмотренной конструкцией долота кинематикой обработки забоя зубьями шарошек в первом случае разрушение породы на забое обеспечивается, в основном, за счет скалывания, а во втором случае - в результате раздавливания. Поэтому процесс разрушения породы шарошечным долотом Ш215.9Т-ПВ сопровождается образованием более крупных фракций буровой мелочи по сравнению с долотом Ш215.90К-ПВ. Из графических зависимостей видно, что сохранность «кристаллов» при работе долота Ш215,90К-ПВ меньше, чем при бурении цементно-песчаной смеси долотом Ш215.9Т-ПВ. Выход неразрушенных частиц размером 3x3x3 мм при бурении долотом Ш215.90К-ПВ составил

7% от общего числа таких «кристаллов», а при бурении долотом Ш215,9Т-ПВ - 10%,

На рис. 2,6 приведены результаты производственных исследований. Из экспериментально полученных графических зависимостей видно, что при бурении режущим долотом ЗРД-244,5 сохранность «кристаллов» выше. Так, выход неповрежденных кристаллов фракций + 1-2 мм и фракции +2-4 мм в 1,4 раза выше, чем при бурении шарошечным долотом Ш244.5Т-ПВ. Наблюдалось также увеличение сохранности кристаллов у фракций меньших размеров по сравнению с фракциями больших размеров при бурении как режущим, так и шарошечным долотами.

Таким образом, результаты проведенных лабораторных и производственных исследований по выбору рационального типа долота и технологии бурения взрывных скважин в кимберлитовых рудах карьера «Юбилейный» свидетельствуют о том, что использование режущих долот с продувкой обеспечивает существенное улучшение технико-экономических показателей работы буровых станков (увеличение скорости бурения и производительности станков, уменьшение пылеобра-зования и энергоемкости бурения) [4], а также рост выхода крупных фракций продуктов разрушения и сохранности кристаллов в буровой мелочи, образующейся в процессе бурения взрывных скважин.

Библиографический список

1. Беляев А.Е. Опыт бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии // Горный журнал, - 2000. - №5 - С, 19-

22.

2. Беляев А.Е, Принципы выбора параметров сетки резания бурового долота II Изв. ВУЗов, Горный журнал, - 2000, -№1. - С.50-53.

3. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / ВАПеретолчин, Н.Н.Страбыкин, А.Е.Беляев и др. - М,: Недра, 1993. - 286 с.

4. Коледин Ю.М., Беляев А.Е., Шеметов Ю,П, Опыт бурения взрывных скважин на карьерах ПНО «Якуталмаз» // Изв, ВУЗов. Горный журнал. - 1995, - №3-4. - С,53-56,

1.В„Чудогаш@в5 М.В.Корняков

Современное состояние и перспективы разивши устройств защиты шахтных подъемных установок от аварийных ситуаций

При эксплуатации подъемных установок до 50% аварий связано с нарушением режима движения подъемного сосуда в шахтном стволе. Так, сдвижение проходного сечения ствола (разрушение крепи, обмерзание стенок и разгрузочных кривых), а также неравномерный износ направляющих устройств создают опасность заклинивания опускающегося сосуда. Отсутствие контроля за действительным положением сосуда в стволе может привести к тому, что сматывающаяся на него ветвь каната (напуск каната), добавляя общий вес, протолкнет сосуд, который начнет падать, как свободное тело, создавая аварийную ситуацию. ___