Буровой инструмент для бурения скважин с концентраторами напряжений

      Доминирующий способ разрушения горных пород на открытых горных работах – взрывное разрушение, имеет КПД взрыва, не превышающий нескольких процентов [1, с. 35]. Являясь практически единственным средством разрушения больших объемов горных пород, взрывные работы в себестоимости добычи полезных ископаемых занимают до 30 %. Если учесть, что КПД взрыва на дробление не превышает несколько процентов, то становится очевидной необходимость дальнейшего совершенствования применяемых технологий взрывных работ с учётом развития науки и техники взрывного дела

       Известно, что форма заряда имеет принципиальное значение с точки зрения воздействия заряда на среду и конечных его результатов. На открытых горных работах известны практические исследования действия сосредоточенных (со сферической симметрией) и плоских (с некруглым поперечным сечением) зарядов. При взрывании песчано-цементных блоков установлено, что при переходе с круглой формы скважины на прямоугольную и плоскую уменьшается выход как мелких, так и негабаритных фракций [2]. Известны промышленные испытания щелевидных (плоских) скважин, которые выполняются путем расширения цилиндрических скважин горелками-расширителями без вращения термобура, бурением параллельно-сопряженных или параллельно-сближенных скважин. При этом изменения формы заряда позволили увеличить выход горной массы на 25 % при снижении на 25 % удельного расхода ВВ [3, с. 67]. Уменьшение среднего размера куска продуктов разрушения при взрывании скважин квадратной и треугольной формы наблюдается на блоках из парафина, красного и огнеупорного кирпича [4].

       Результаты испытаний подтверждают то, что изменение формы скважины приводит к изменению качественного состава взорванной массы. Можно утверждать, что в скважинах с многоугольной формой поперечного сечения это связано с зарождением трещин преимущественно в сопряжении углов стенок скважины.

       Поэтому задачей исследований является разработка и обоснование применения бурового инструмента, при котором достигается уменьшение удельного расхода ВВ с целью энергосбережения и уменьшения экологического загрязнения окружающей среды.

       Для практической реализации использования скважин с улучшенной некруглой формой поперечного сечения требуется, чтобы новое долото не уступало по техническим показателям известным в мировой практике долотам. Анализ патентной информации [5] показал, что для бурения скважин с концентратором напряжений необходимо создание нового класса буровых машин, а способы бурения не могут эффективно применятся в условиях открытых горных работ.

       Для бурения средне- и мелкозернистых песчаников, конгломератов, крепких известняков, крепость которых по шкале Протодъяконова М. М. составляет от 6 до 18, рациональным является преобладание дробящего действия на забой скважины. Наиболее обоснованными для данных условий являются режуще-шарошечные долота (для пород средней крепости с прослойками пород крепостью до 9) и шарошечные долота (для пород крепостью от 6 до 18). Поэтому рациональным путем является использование существующих конструкций буровых станков шарошечного бурения и совмещение процесса бурения и формирования концентратора напряжений. Это можно реализовать путем бурения скважины прямоугольной, треугольной формы. Геометрический и кинематический анализ показал, что можно использовать шарошки для бурения скважин прямоугольной и треугольной формы [6].

        Произведено забуривание блоков с соотношением объема песка к цементу 4:1 [7], которое показало что шарошки могут вращаться синхронно (рис. 1).

clip_image002

Рис. 1. Вид скважины

        Зубчатая рейка на забое играет положительную роль для обеспечения формирования скважины, так как шарошки должны перекатываться без скольжения и синхронно. Для этого шарошки имеют совершенный конус (вершины поверхности конуса шарошек лежат в центре скважины). Шарошки с профилем, близким к совершенному конусу, используют на более крепких породах, т. к. происходит минимальное проскальзывание их вооружения по забою с преобладанием дробящего действия.

       Поэтому в конструкции трехшарошечного долота для бурения скважин с некруглым поперечным сечением могут быть использованы особенности долот типа К, ТК и частично Т. Некруглая форма сечения скважины обуславливается лишь измененной геометрической формой калибрующей части шарошек, которые могут иметь все типы вооружения (зубчатое, штыревое и зубчато-штыревое), а значит охватывают по применимости почти весь спектр пород по крепости для данных типов долот. Благодаря синхронности движения шарошек уменьшается проскальзывание и износ вооружения, особенно при бурении крепких и абразивных пород. В таких долотах на заводе-изготовителе могут быть применены все известные достижения в области производства шарошечных долот (маслонаполненные опоры, подшипники скольжения, современные материалы).

       Эффективность режуще-шарошечного долота объясняется следующим. В режуще-шарошечных долотах может быть принята раздельная схема обработки забоя. Периферийная часть обрабатывается шарошками, а центральная – режущим органом. Обосновывается это тем, что зубья шарошек, расположенные на венцах, приближенных к вершине, наименее эффективно разрушают породу вследствие низких окружных скоростей и, соответственно, минимальной энергии удара зубьев по породе. В то же время резцы, находящиеся на максимальном радиусе, имеют наибольший путь трения, что приводит к увеличению интенсивности их износа. В такой конструкции опережающая часть скважины бурится режущим органом, а шарошки расширяют ее до нужного диаметра. В конструкции режуще-шарошечного долота для бурения скважин с некруглым поперечным сечением использованы выше преимущества таких долот. Периферийную часть забоя разрушают шарошки, задача которых сводится к формированию некруглого профиля, а центральную часть забоя разрушают резцы, имея меньший износ. По мере износа резцы могут заменяться как наиболее дешевая часть инструмента. Таким образом, такой буровой инструмент не уступает по техническим показателям ранее разработанным и исследованным режуще-шарошечным долотам. Такие долота являются альтернативой для шарошечных долот типа СТ и С.

        Внедрение такого бурового инструмента позволит использовать эффект взрывания скважин с некруглым поперечным сечением, который, как было выше указано, в ряде случаев может проявляться в 25 % снижении удельного расхода ВВ. При этом также снижаются объемы бурения. На разрезе Березовский норма в смену составляет 400 метров участка или 134 скважины глубиной в среднем 12 м. Например, если достигается снижение удельного расхода ВВ на 12,5 % при использовании скважин с квадратным поперечным сечением, в равных условиях таких скважин понадобится на 12,5 % меньше и составит 117 шт. Замена инструмента производится при прохождении 3000 м бурения.

        В этом случае, согласно экономическим расчетам, даже с учетом удорожания бурового инструмента на 20 % и снижении производительности бурового станка на 10 %, экономия на ВВ может составлять 17,4 млн.руб. в год.

        Таким образом, затраты на ведение буровзрывных работ при использовании скважин с квадратным поперечным сечением меньше, чем при использовании скважин с круглым поперечным сечением. Применение предлагаемой конструкции инструмента может улучшить условия подготовки буровзрывных работ и привести к экономии отчисляемых для этого средств.

Литература

       1. Бирюков, А. В., Паначев, И. А. Об энергоемкости дробления горных пород // Изв. вузов Горный журнал. – 1986. – № 2. – С. 64-65.

       2. Щерабак, Г. С., Ансабаев, А. О рациональности применения щелевых скважин // Сб. Взрывное дело: Достижения техники и технологии взрывных работ в горном деле. – № 59/16. – М.: Недра, 1966. – С. 83-94.

       3. Друкованный М. Ф. Буровзрывные работы на карьерах / М. Ф. Друкованный, Б. Н. Кукиб, Куц В. С. – М.: Недра, 1990. – 367 с.

       4. Богомолов, И. Д. Результаты исследования разрушения массива бурением скважин круглой, треугольной и прямоугольной форм / И. Д. Богомолов, А. М. Цехин, М. К. Хуснутдинов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Материалы 4 Междунар. науч.-практ. конф., 21-23 ноября 2000 г. – Кемерово, 2000. – С. 89-90.

       5. Богомолов, И. Д., Хуснутдинов, М. К. Анализ направлений по созданию исполнительного органа для бурения скважин с концентраторами напряжений // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр., № 19 / Ред. кол. Егоров, П. В. (отв. ред.) и др.: Науч.-техн. центр «Кузбассуглетехнология». – Кемерово, 2002. – С. 120-124.

       6. Богомолов, И. Д., Хуснутдинов, М. К. Геометрические и кинематические аспекты бурения скважин некруглой формы шарошечным долотом // Вестник КузГТУ. – 2004. – № 6.1. – С. 15-18.

       7. Богомолов, И. Д., Хуснутдинов, М. К. Забуривание квадратной скважины шарошечным долотом // Вестник КузГТУ. – 2004. – № 6.1. – С. 39-41.

       Источник: Тимшин А. Н., Головин И. П., Хуснутдинов М. К. // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении : сб. тр. III Всерос. науч.-практ. конф. с элементами науч. шк. для студентов и учащейся молодежи, [Юрга], 12–14 апр. 2012 г. / Юрг. технолог. ин-т. – Томск : Изд-во Том. политехн. ун-та, 2012. – С. 134–136.

Архив публикаций

       1. Об эффективности применения скважин с некруглым поперечным сечением при вскрышных работах на карьерах.

       2. Предпосылки по созданию и использованию инструмента для получения взрывных скважин на открытых горных работах.

Буровой инструмент для бурения скважин с концентраторами напряжений: 7 комментариев

  1. Достаточно познавательная статья. Узнал много нового по бурению скважин на воду. Сам занимаюсь бурением скважин роторнцм способом.

    Нравится

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

w

Connecting to %s