Совершенствование технологии бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений якутии
На правах рукописи
ДОЙНИКОВ Юрий Андреевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ КИМБЕРЛИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЯКУТИИ Специальность 05.05.06 – Горные машины
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Иркутск - 2012
Работа выполнена на кафедре горных машин и электромеханических систем ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный технический университет" Научный руководитель доктор технических наук, профессор Беляев Александр Евгеньевич
Официальные оппоненты: Гилев Анатолий Владимирович доктор технических наук, профессор, заведу ющий кафедрой "Горные машины и комплек сы" ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный университет";
Малеев Николай Геннадьевич кандидат технических наук, первый замести тель генерального директора – технический директор ООО "Компания "Востсибуголь"
Ведущая организация: ОАО "Иркутский научно-исследовательский инсти тут благородных и редких металлов и алмазов" (Иргиредмет).
Защита состоится 29 мая 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО "Иркутский государствен ный технический университет" по адресу: г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус "К", конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный технический университет".
Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.
Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять в адрес диссертационного совета:
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04;
e-mail: [email protected];
факс: (3952) Учёный секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, профессор Н.Н. Страбыкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Горно-геологические условия эксплуатации обо рудования определяют направления разработки высокоэффективных техноло гий на всех этапах горного производства. Многолетняя мерзлота и сложно структурное строение вскрышных породных массивов характерны для алмазо содержащих месторождений Якутии, где температура в зимние месяцы дости гает – 50 С, а средняя годовая – не превышает минус 1015 С. Это предопре деляет весьма неблагоприятные условия бурения, обслуживания станка и рабо ты смежных механизмов горного производства.
Бурение скважин на алмазорудных карьерах Севера является одной из основных и трудоёмких технологических операций. Расходы на бурение в себе стоимости добычи достигают 30 %. Буримые породы отличаются специфиче скими особенностями, которые исключают возможность механического пере несения опыта бурения из других регионов и обусловливают сравнительно низ кие технико-экономические показатели проходки скважин. Совершенствование технологии бурения в сложноструктурных многолетнемерзлых породах ким берлитовых месторождений Якутии является важной задачей повышения эф фективности добычи полезного ископаемого.
Разработка принципиально новых технических решений в направлении создания специального бурового инструмента и обоснования параметров тех нологии подготовки взрывных скважин в условиях сложноструктурных мёрз лых пород позволяет существенно улучшить технико-экономические показате ли добычи алмазосодержащего сырья. Решению этой актуальной научно технической задачи и посвящена диссертационная работа.
Цель работы заключается в обосновании способов и средств интенсив ной проходки скважин в условиях мёрзлых сложноструктурных пород кимбер литовых месторождений Якутии.
Идея работы основывается на принципе разрушения пород крупным сколом режущим и комбинированным буровым инструментом при поддержа нии температурного баланса в затрубном пространстве, обеспечивающего ста бильную транспортировку продуктов разрушения из скважины сжатым возду хом.
Научные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Технология бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии определяется необходимостью контроля температурного баланса на забое скважины и выбора, в зависимости от этого, рационального ре жима бурения и типа породоразрушающего инструмента.
2. Разрушение мерзлых пород в условиях кимберлитовых карьеров Се вера наиболее эффективно режущим и режуще-шарошечным буровым ин струментом. Определены конструктивные параметры и обоснован пара метрический ряд рекомендуемых долот.
3. Технология бурения скважин в условиях многолетнемерзлых слож ноструктурных пород обеспечивается применением долот со сменными резцами, работающими в режиме крупного скола, при охлаждении сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины, специальными техническими средствами.
Методы исследований. В работе использованы комплексные методы ис следований, включающие анализ и обобщение ранее выполненных работ по разрушению мерзлых пород и транспортированию продуктов разрушения из скважины;
изучение напряжённого деформационного состояния массива на за бое скважины и влияние на процесс бурения конструктивных параметров буро вых долот. Все решения и рекомендации исследований подтверждены положи тельными результатами представительных производственных испытаний и ши рокого промышленного применения разработанных конструкций буровых до лот.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре комендаций обеспечены комплексным подходом к оценке исследований с по грешностью результатов работы не более 20 %. Исследования и рекомендации работы подтверждены широкими промышленными экспериментами, выпол ненными непосредственно в условиях карьеров АК "АЛРОСА", и промышлен ным использованием разработанных конструкций буровых долот.
Научная новизна результатов исследований:
- теоретически обоснованы основные принципы технологии разрушения мёрз лых сложноструктурных пород крупным сколом режущими и режуще шарошечными буровыми долотами;
- установлено, что производительность бурения взрывных скважин в условиях мёрзлых кимберлитовых месторождений зависит от величины затрубного про странства, определяемого типоразмером бурового инструмента и поддержани ем необходимого температурного баланса на забое скважины;
- разработаны способы регулирования и стабилизации процесса очистки забоя скважины оптимизацией температурного режима путём охлаждения сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины от продуктов разрушения;
- теоретически обоснованы конструктивные параметры рабочих органов режу щих и комбинированных долот для бурения мёрзлых пород сложного струк турного строения.
Практическое значение результатов работы заключается в разработке:
- инженерной методики технологии бурения взрывных скважин на алмазоруд ных карьерах Якутии;
- параметрического ряда режущих и комбинированных долот в диапазоне диа метра скважин, применяемых на карьерах АК "АЛРОСА";
- технологии изготовления режущих буровых долот на основе применения стандартных сменных режущих элементов;
- технических устройств для охлаждения продувочного агента и стабилизации температурного режима очистки скважины от буровой мелочи.
Реализация результатов работы:
- апробирована и реализована на практике принципиально новая технология бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии;
- апробирован способ стабилизации бурения мёрзлых пород применением охладительных установок на станках шарошечного бурения.
В настоящее время на карьерах АК "АЛРОСА" в промышленных масшта бах используются разработанные конструкции буровых режущих долот типа РД-160ШП, РД-215,9 и РД-244,5, обеспечивающие значительный технико экономический эффект.
Личный вклад автора. Основные результаты рассматриваемой работы и их реализация выполнены при непосредственном участии и руководстве соис кателя. Автор диссертации, работая старшим мастером буровзрывного участка карьера «Удачный», занимался совершенствованием буровых работ. В должно сти начальника карьера «Юбилейный», а затем директора Айхальского и Мир нинского ГОКов, непосредственно участвовал в планировании, постановке и проведении исследований и промышленных экспериментов, направленных на конкретную разработку и реализацию различных типов режущих и режуще шарошечных буровых долот;
при его участии разработаны способы и средства охлаждения скважин, обоснованы основные положения технологии бурения скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии, о чем свидетель ствуют акты реализации основных положений работы. В последующем автор участвовал в ходе проведения исследований и практической реализации их ре зультатов, что подтверждается широкой публикацией работ соискателя в пери одической печати и актами внедрения результатов исследований.
Апробация работы. Материалы исследований докладывались и получи ли одобрение на: Международной научно-практической конференции "Мир ный-2001" (г. Мирный, 2001 г.);
Международном совещании "Современные ме тоды оценки технологических свойств труднообогатимого и нетрадиционного минерального сырья благородных металлов и алмазов и прогрессивные техно логии их обработки" (Иркутск, 2004 г.);
Конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2005 г.);
Международной научно-практической конференции "Про блемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных иско паемых криолитзоны" (г. Якутск, 2005 г.).
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, содержит 148 страниц текста, в том числе 9 таблиц и 17 иллю страций, списка литературы из 83 наименований и 8 приложений на 20 страни цах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, общим объёмом 5,0 усл. п. л., в том числе 8 работ в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК. Общий объем публикаций соискателя, включая два па тента, составляет 18 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель ис следований, научная новизна, практическая значимость работы, научные поло жения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрено состояние изученности проблемы, сформу лированы цели и задачи исследований.
Исследованиями влияния физико-механических свойств на разрушае мость горных пород с учётом их температурных характеристик занимались:
Л.И. Барон, А.Е. Беляев, В.С. Воздвиженский, В.С. Владиславлев, В.М. Го рячкин, Б.Б. Кудряшов, Б.Н. Кутузов, И.П. Мельничук, В.А. Перетолчин, М.М. Протодьяконов, Е.З. Позин, Ю.Ф. Потапов, Ю.И. Протасов, А.К. Сидо ренко, А.И. Спивак, Н.Н. Страбыкин, А.Ф. Суханов, В.С. Федоров, Н.А. Цито вич, Р.М. Эйгелес и др.
Существенный вклад в разработку теории и создание специального буро вого инструмента для разрушения сложноструктурных, в том числе многолет немерзлых мёрзлых пород внесли: А.Е. Беляев, Д.Н. Башкатов В.Д. Буткин, Ю.Е. Воронов, А.В. Гилев, В.М. Горячкин, Я.Н. Долгун, Б.А. Катанов, В.Н. Ки сурин, Ю.М. Коледин, Г.М. Осипов, А.А. Перегудов, В.А. Перетолчин, М.И. Протасов, Н.Н. Страбыкин, А.В. Телешов, С.С. Филиппов, Е.В. Чудо гашев, Ю.П. Шеметов, О.В. Чернецкий и др.
Значимыми являются работы по определению расхода воздуха на про дувку скважин, в которых приводятся исследования А.Е. Беляева, Н.П. Елманова, А.И. Кирсанова, Б.Б. Кудряшова, Б.Н. Кутузова, А.Т. Лак тионова, А.О. Межлумова, Н.С. Макурина, В.А. Перетолчина, Ю.Ф. Рыбакова, Б.С. Филатова и др.
Начало изучению температурного режима скважин, буримых в мёрзлых породах с продувкой, было положено работами И.П. Елманова, А.И. Кирсанова, А.В. Марамзина, А.А. Рязанова.
Этому вопросу посвятили свои работы: А.С. Бронзов, Г.С. Грязнов, И.М. Кутасов, А.Н. Щербань, также известны исследования Б.Б. Кудряшова, А.И. Кирсанова, B.C. Литвиненко, В.К. Чистякова, В.Т. Седова.
На карьерах АК "АЛРОСА", расположенных в северном регионе России, применяются буровые станки отечественного и импортного производства:
СБШ-250МНА, СБШ-190/250, D75-KS TAMROK, DM-M2, SKF, при этом ко эффициент использования станков составляет от 0,51 до 0,7, а выход горной массы с 1 м скважины – от 32,49 м3 до 39,06 м3. Эти показатели подчёркивают имеющиеся резервы повышения эффективности добычи алмазосодержащего сырья как за счёт увеличения коэффициента использования станков, так и за счёт увеличения их производительности.
Специфика бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров обу словлена: сложностью строения уступов и неоднородностью пород, низкими температурами, наличием многолетней мерзлоты, высокой обводненностью пород и наличием илисто-глинистых отложений. Сложное строение уступов затрудняет выбор параметров бурового инструмента, снижает эффективность разрушения породы на забое скважины и приводит к ухудшению показателей бурения.
Вскрышные уступы верхних горизонтов представлены мергелями, алев ролитами, глинистыми, известковыми и доломитизированными песчаниками.
Анализ физико-механических свойств вскрышных пород показывает, что 6080 % пород имеют невысокую прочность с коэффициентом крепости 26 по шкале М.М. Протодьяконова, а остальные – 612. В зоне многолетней мерзлоты находится 90 % вскрышных пород алмазорудных месторождений Севера. Тем пература пород оказывает существенное влияние на их прочность. Многолет немерзлым влажным породам свойственен неустойчивый температурный ре жим. Они весьма чувствительны к внешним воздействиям. Даже при малых ко лебаниях температуры значительно изменяются их физико-механические свой ства. Это обусловлено возникновением переходных процессов в порах мёрзлой породы – при любом повышении температуры часть воды переходит из твёрдой фазы в жидкую, нарушая структуру буримых пород, что приводит к усложне нию процесса очистки скважины и бурения в целом. Бурение шарошечными долотами в таких условиях оказывается низкоэффективным.
Это определяет проблему исследований, видимую в необход и мости разработки принципиально новой технологии бурения сква жин, выборе и обосновании параметров специальных исполнител ь ных органов и технических средств бурения сква жин в условиях кимберлитовых месторождений.
Исходя из состояния изученности проблемы, сформулированы цели и за дачи исследований диссертации:
- анализ горно-геологических и геомеханических особенностей залегания кимберлитовых месторождений Якутии;
- исследование специфики воздействия бурового инструмента на сложно структурный мёрзлый забой;
- исследование условий движения разрушенных мёрзлых пород в затруб ном пространстве;
- обоснование параметров новой технологии бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии.
Во второй главе рассмотрены вопросы закономерностей процесса раз рушения мёрзлых и вязких пород.
Эффективность работы режущего бурового долота зависит от свойств по роды, режима бурения и параметров долота. К параметрам долота, которые ока зывают влияние на процесс бурения, относятся геометрия инструмента, сетка резания, размеры и форма корпуса.
Геометрия инструмента определяет эффективность воздействия до лота на породу. В долотах со сменными резцами речь идёт о геометрии резцов, длине линии контакта с забоем, размещении резцов в корпусе по диаметру скважины и по высоте долота. Характерными геометрическими параметрами резца (рис. 1) являются передний, задний углы и вылет режущей кромки.
Длина линии контакта резцов с забоем и их расположение в корпусе связаны с выбором сетки резания.
Сетка резания определяет схему обработки забоя как по его площади, так и по высоте. Она характеризуется количеством и взаимным расположением резцов и линий резания.
Размеры и форма корпуса влияют на прочность долота и эффектив ность очистки призабойной зоны от продуктов разрушения. Размеры корпуса по диаметру определяют степень перекрытия скважины инструментом, которая характеризуется коэффициентом перекрытия k = S1/S, где S1 и S – площади по перечного сечения инструмента и скважины. С увеличением коэффициента пе рекрытия уменьшается площадь Sприз проходных окон призабойной зоны, по ко торым буровая мелочь удаляется из забоя. Площадь Sприз проходных окон при забойной зоны должна приниматься из условия примерного равенства расходов воздуха Fпр на очистку призабойной зоны и Fз.п. на транспортирование буровой мелочи по затрубному пространству.
При бурении скважин с продувкой высота долота как параметр может не ограничиваться. Форма же корпуса влияет на величину сопротивлений движе нию буровой мелочи. Ширина продувочных окон долота должна приниматься максимально возможной. Форма корпуса и расположение резцов в долоте должны обеспечивать минимальные аэродинамические сопротивления, исклю чать вихревые движения воздуха и возникновение встречных потоков, обеспе чивать хороший обдув забоя и беспрепятственность движения продуктов раз рушения в затрубное пространство. В целях уменьшения сопротивлений дви жению воздушного потока целесообразно принимать лучевое расположение резцов.
Принципиальное значение имеет правильный выбор диаметра Дд про дувочного отверстия долота. С уменьшением диаметра продувочного отверстия возрастают потери давления Рд в долоте, однако это оправдывается повыше нием скорости истечения воздуха Vист и эффективности очистки призабойной зоны от буровой мелочи.
Изложенные принципы выбора параметров режущего бурового долота положены в основу при разработке конструкций нового режущего бурового ин струмента.
Стремление к повышению эффективности бурения и расширению обла сти применения режущего бурового инструмента, привело к реализации идеи использования в режущих долотах сменных резцов. В работе предложены кон струкции режущих долот с использованием сменных серийных резцов с кони ческой державкой (рис. 1).
а. б. в. г.
Риc. 1. Режущие долота для бурения с продувкой:
а – 3РД 244,5;
в – РД 269,9;
б и г – сетки резания Для режущего долота большое значение имеет правильный выбор вели чины вылета режущей кромки. Он влияет на вписываемость резца в прореза емую им канавку. Если резец не вписывается в канавку, то во взаимодействии с забоем принимает участие весь корпус резца, что вызывает увеличение сил трения резца о породу и снижение эффективности разрушения забоя. Это, в свою очередь, обуславливает снижение скорости бурения и быстрый выход резца из строя. В специальных резцах для режущих долот нужно принимать та кой рациональный вылет р, при котором обеспечивается наилучшая вписыва емость резца в прорезаемую канавку (см. рис. 2, в).
Задний угол режущей кромки резца должен прини маться таким, чтобы обеспечи валось вписывание резца по зад ней грани. Угол внедрения резца в породу 1 определяется соот ношением скоростей подачи Vп и резания Vp=2Rn.
Vп V tg 1 п.
V p 2Rn Нормальная работа долота обеспечивается, если задний угол режущей кромки 1. В Рис. 2. Влияние вылета режущей табл. 1 приведены значения угла кромки на вписываемость резца: внедрения 1 в зависимости от а - РК-8Б;
б - ШБМ2с-1-1-04;
радиуса вращения R и скорости в - РБ-1э;
г – И-90В подачи Vп. При этом частота вращения n принята равной 100 мин-1.
Таблица Величина угла внедрения Скорость Радиус вращения R, мм подачи 10 15 20 50 100 Vп, м/мин 0,5 430 3 215 54 27 1,0 9 6 430 150 55 1,5 1330 9 645 245 120 2,0 1740 12 9 340 155 Изложенные принципы явились основой разработки параметрического ряда буровых долот режущего типа диаметром 160280 мм, обеспечивающих создание оптимальных условий разрушения породы на забое в соответствии с требованиями технологического процесса (табл. 2).
В настоящее время организован выпуск режущих долот с продувкой РД 160ШП, 3РД-215,9 и 3РД-244,5.
Исследованиями доказано, что долота со сменными резцами, работающие в статическом режиме резания с пневмотранспортированием буровой мелочи, обеспечивают наибольший эффект в условиях разрушения мёрзлых пород. Рез цы режущего долота внедряются в породу под действием статической нагрузки и при вращении срезают стружку, что сопровождается периодическим эффек том скола породы. При этом основная часть разрушенной породы отделяется от забоя в результате скалывания. Скалывание является наименее энергоёмким способом разрушения. Особенно это эффективно при бурении вязких, глиносо держащих пород.
В третьей главе излагаются результаты исследований процесса транс портирования разрушенной породы с забоя скважины и в затрубном простран стве.
Процесс бурения скважины включает в себя две последовательные опе рации – разрушение породы на забое и удаление продуктов разрушения из при забойной зоны и затрубного пространства скважины. При этом эффективность удаления буровой мелочи из скважины должна соответствовать интенсивности её образования на забое.
Для расчёта потребного на транспортирование буровой мелочи расхода воздуха и определения производительности компрессора необходимо устано вить основные характеристики движения потока буровой мелочи. Ча стица буровой мелочи, находящаяся в восходящем воздушном потоке, испыты вает на себе подъёмную силу струи воздуха, величина которой зависит от ско рости потока V (скорости обтекания), плотности струи, размеров частицы и её формы. Для перехода частицы буровой мелочи во взвешенное состояние, необ ходимо, чтобы подъёмная сила струи достигла величины веса частицы. Это происходит при достижении воздухом так называемой критической скорости движения Vкр. С увеличением диаметра частицы снижается эффективность пе редачи энергии от потока воздуха и переход частицы во взвешенное состояние происходит при большой критической скорости движения воздуха. При этом каждому классу крупности буровой мелочи соответствует своя величина кри тической скорости движения воздуха Vкр.
Таблица Параметрический ряд долот режущего типа ТИПЫ ДОЛОТ Параметры РД 1РД-190 1РД-215,9 3РД-215,9 РД-243 1РД-244,5 2РД-244,5 3РД-244,5 4РД-244,5 5РД-244,5 РД-244,5И РД-269,9Э РД-269,9 1РД-269,9 РД- 160ШП Диаметр буримой 160 190 216 216 243 245 245 245 245 245 245 270 270 270 скважины, мм Расположение рез- 4х луче- 4х луче- 4х луче- 4х луче- 4х луче- 4х луче- 2х луче- 4х луче- 3х луче- 4х луче- 4х луче- 3х луче- 3х луче- 4х луче- 4х луче цов по диаметру вое вое вое вое вое вое вое вое вое вое вое вое вое вое вое Тип резцов ШБМ1С И-902 РК-8Б РК-8Б РК-8Б РК-8Б Лопасть РК8Б ШБМ2С РК8Б И-90В ШБМ-2С ШБМ2С ШБМ2С РБ-1Э Число линий резания 5 6 7 6 7 7 - 8 7 8 8 7 7 8 Число резцов 6 8 8 8 8 8 - 10 8 10 9 8 9 10 Скорость бурения, м/мин:
механическая до 1,5 до 1,2 до 1,2 до 2,5 до 1,5 до 1,2 до 1,5 до 1,5 до 2,0 до 2,0 До 2,0 до 1,05 до 1,5 до 1,5 до 1, техническая до 0,6 до 0,7 до 0,7 до 1,5 до 0,6 до 0,7 до 0,9 до 0,9 до 1,2 до 1,0 До 1,2 до 0,47 до 0,9 до 0,9 до 0, Крепость пород по шкале проф. М.М. Про- до 6 до 7 до 7 до 7 до 7 до 7 до 4 до 7 до 7 до 7 до 7 До 7 до 7 до 7 до тодьяконова, f Стойкость корпуса До 1500 до 3000 до 3000 до 3000 до 2000 до 3000 до 2000 до 3000 до 2000 до 2500 до 3000 до 3000 до 2000 до 3000 до долота, м Расходрезцов,шт/м 0,03 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,035 0,032 0,035 0, Основные размеры, мм:
высота 156 276 290 222 275 275 224 270 244 270 320 267 242 264 толщина (диаметр 154 275 210 204 230 234 180 238 234 240 232 260 260 260 по корпусу) ширина (диаметр по 160 200 216 216 243 245 245 245 245 245 245 270 270 270 резцам) Масса 12 18 22 15 25 29 18 21 19 28 21 25 Перемещение потока буровой мелочи по затрубному пространству обес печивается вследствие наличия перепада давления воздуха у устья и забоя скважины.
Перепад давления в скважине Р зависит от интенсивности образования буровой мелочи и глубины бурения и по опытным данным находится в преде лах 0,010,04 МПа.
Движение потока буровой мелочи в скважине является стеснённым.
Стеснённость определяется ограниченной площадью сечения призабойного и затрубного пространств и концентрацией частиц в потоке воздуха, которая мо жет быть охарактеризована коэффициентом объёмной концентрации:
S = Vм/Vn, где Vм – объем образующейся буровой мелочи;
Vп – объем потока, который буровая мелочь занимает.
Наблюдения показывают, что при движении частиц в стеснённых услови ях переход их во взвешенное состояние происходит при меньшей критической скорости движения воздуха.
Влияние стеснённости на движение частиц изучалось многими исследо вателями и для определения коэффициента стеснённости Кс предложен ряд эм пирических зависимостей. Наибольшее соответствие экспериментальным дан ным даёт зависимость, отражающая связь коэффициента стеснённости с кон центрацией частиц в потоке, в виде:
Kc = (1–S)2.
Для нормальной работы пневмотранспортной системы станка необходи мо, чтобы S Sкр. Установлено, что транспортирование происходит успешно при S до 0,01. Поэтому можно считать, что надёжная очистка скважины от бу ровой мелочи будет обеспечиваться при величине коэффициента объёмной концентрации S 0,01.
С целью транспортирования частицы воздуху необходимо придать до полнительную, избыточную скорость Vизб, величина которой должна быть та кой, чтобы обеспечивалось своевременное удаление буровой мелочи из зоны её образования и затрубного пространства.
Определять теоретически величину необходимой избыточной скорости затруднительно. Применительно к режущему буровому инструменту можно считать, что величина избыточной скорости связана со скоростью стружкооб разования на максимальном радиусе вращения. Если представить, что стружка, снимаемая резцом, является сливной, то скорость подъёма её вверх по передней грани резца будет равняться линейной скорости движения резца. Избыточная скорость воздуха должна быть не менее этой скорости. В соответствии с этим избыточная скорость воздуха принята равной линейной скорости на резцах V'изб = ·D·n, т.е. максимальной скорости стружкообразования. Здесь D – диа метр бурения;
n – частота вращения долота. С учётом уменьшения скорости за счёт сжатия воздуха:
Vизб = V'изб (P0 + Р)/P0 = V'изб (1+10 Р) = ·D·n (1+10 Р).
Зависимость избыточной скорости воздуха от диаметра бурения и часто ты вращения можно сохранить и при других типах долот, в том числе шарош ечных.
Избыточная скорость воздуха является расчётной для определения обще го расхода воздуха при транспортировании буровой мелочи по затрубному про странству и распространяется на частицы всех размеров.
Полученные характеристики движения потока буровой мелочи являются основой для расчёта необходимого для продувки скважины расхода воздуха с целью эффективной очистки её от образующейся буровой мелочи и определе ния необходимых параметров компрессорной установки станка.
Качественная очистка забоя скважины зависит от теплового баланса си стемы, поскольку при разрушении забоя и трении инструмента выделяется теп ло, вызывающее оттайку и налипание на инструмент буровой мелочи. Тепло, образующееся при разрушении забоя, поглощается буровой мелочью и инстру ментом, нарушая условия выноса продуктов разрушения, дестабилизируя про цесс бурения.
Мощность N, подводимая к забою скважины и реализуемая при разруше нии, складывается из мощностей: N0, затрачиваемой на образование новых по верхностей, NTP – преодоление сил трения при работе долота, NД – на упругие деформации и NФ – на физические эффекты. При инженерных расчётах затра тами мощности на упругие деформации и физические эффекты можно прене бречь и считать, что N = N0 + NTP. Нагрев частиц буровой мелочи будет проис ходить только за счёт работы, совершаемой при разрушении породы и образо вании новых поверхностей, а нагрев бурового инструмента – за счёт работы, за трачиваемой на преодоление сил трения долота о породу и трения в опорах ша рошек. Отдельное влияние имеет передача теплоты от продувочного потока сжатого воздуха, поступающего на очистку скважины.
При разрушении забоя выделяется тепло, которое распределяется между буровым инструментом Q' и частицами буровой мелочи Q'' Оно влияет на тем пературу продувочного воздуха, вызывая оттайку породы:
Q = Q' + Q''.
Для исключения оттайки буровой мелочи необходимо поддерживать тем пературный режим на забое скважины на уровне 0 С. Это может быть достиг нуто подачей на забой продувочного воздуха с отрицательным значением тем пературы:
Q = 1000·N·K1·fД-1·(П·CП·V)-1·1-1, где N – подведённая мощность к забою скважины, кВт;
K1 – коэффициент, учиты вающий потери тепла;
fД – площадь долота, м2;
П – плотность пород, кг/м3;
СП – удельная теплоёмкость пород, Дж/(кг.С);
V – механическая скорость бурения, м/с;
1 – коэффициент теплообмена между долотом и продувочным воздухом, Вт/(м2.С).
Наиболее простым и эффективным является охлаждение воздуха путём его теплообмена его с атмосферным воздухом, что в условиях карьеров Якутии может быть обеспечено на протяжении большей части года. Для поддержания требуемого температурного режима в процессе бурения скважин разработаны батарейные и радиаторные охладители с учётом требуемых параметров тепло обменных процессов. Температура воздуха на выходе из теплообменника должна поддерживаться на уровне:
t'2 = t'1 – K4·FH(tВН–tНАР)·(G·CP)-1, где t1 – температура потока сжатого воздуха на входе в теплообменник, °С;
К4 – коэффициент теплопередачи;
FH – наружная площадь теплообмена, м2;
tВН – сред няя температура воздуха внутри труб теплообменника;
tНАР – средняя температу ра наружного воздуха;
G – массовый расход воздуха;
СP – удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг °С).
На этих принципах разработаны специальные конструкции охлаждающих устройств, промышленные испытания которых дали положительные результа ты.
В четвертой главе обобщены результаты исследований и приведены итоги промышленных испытаний предлагаемых решений.
Решение вопросов ресурсосбережения при бурении взрывных скважин на алмазорудных карьерах АК "АЛРОСА" обеспечивается реализацией комплекса научно-технических мероприятий, заключающихся в разработке: принципов выбора и расчёта параметров буровых долот;
конструкций режущих долот с продувкой скважин сжатым воздухом;
конструкций комбинированных режуще шарошечных долот;
параметрического ряда режущих и комбинированных до лот;
устройств для нормализации температурного режима бурения скважин;
инженерной методики бурения скважин.
Режущие долота для бурения с продувкой на сегодня единствен ный инструмент, способный решить в АК "АЛРОСА" проблему бурения верх них горизонтов при вскрытии, реконструкции или разноске бортов карьера.
Подобная проблема возникла при отработке трубки "Юбилейная" Айхальского ГОКа, когда столкнулись со значительными таликовыми зонами, распростра няющимися до 300 м по всему рудному телу, где обычными шарошечными до лотами бурили лишь 1–2 скважины в смену.
Для бурения скважин диаметра до 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 более высокую по срав нению с используемыми на карьере долотами РК 160-3. Для бурения с продув кой скважин на россыпных месторождениях применялись также долота 3РД 215,9 на станках 6СБШ-200/32 и DM-45HP. Нюрбинский ГОК ежегодно нара щивает потребление режущих долот 3РД-244,5. Перспективы их применения увеличиваются с началом разработки новых алмазорудных месторождений.
На карьере "Юбилейный" АК "АЛРОСА" режущие долота типа РД на 215,9 и 244,5 мм с очисткой скважины сжатым воздухом применяются с 1988 г.
и до настоящего времени. Использование их позволило увеличить сменную производительность станков в 2,2 раза и снизить расход буровых долот в раз. При этом снижаются запылённость атмосферы при выдаче бурового шлама и вибрация в кабине бурового станка.
При разработке трубки "Интернациональная" и разноске бортов трубки "Мир" столкнулись ещё с одной трудностью – переслаиванием пород по крепо сти. Поскольку каждый тип шарошечных долот предназначен для определённо го, довольно узкого диапазона крепости пород, шарошечные долота не обеспе чивали эффективного бурения основной массы пород. Для данных условий бы ли разработаны и на карьерах "Мир" и "Интернациональный" испытаны ком бинированные режуще-шарошечные долота типа РШД.
Комбинированные долота РШД-215,9, РШД-244,5 и РШД-244,5ТЗ про шли широкую промышленную проверку на различных горнодобывающих предприятиях, в том числе на карьерах Мирнинского ГОКа. При этом установ лено, что в диапазоне изменения коэффициента крепости от 4 до 12 скорость бурения комбинированными долотами в 1,52 раза выше, а энергоёмкость про цесса бурения в 22,5 раза ниже, чем шарошечными.
На основании расчётов теплообменных процессов в скважине для охла ждения продувочного воздуха разработаны специальные холодильные установ ки 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 46 оC и со кращение случаев нарушения режимов очистки скважин от буровой мелочи. В процессе испытаний было установлено, что производительность станков СБШ 250 МНА при этом увеличивается в среднем в 1,5 раза, а расход долот сокраща ется в 1,3 раза. Стоимость бурения скважины снижается в 1,4 раза.
На основании анализа условий и накопленного опыта бурения на алма зорудных карьерах Якутии разработана инженерная методика новой тех нологии бурения скважин, утверждённая руководством Мирнинского ГОКа и ИрГТУ. Инженерная методика включает в себя ресурсосберегающие техноло гии бурения скважин на карьерах, описанные выше. Она широко апробирована и внедрена на карьерах Айхальского, Мирнинского и Нюрбинского ГОКов.
Комплексное использование предложенных технических решений позво лит усовершенствовать условия труда, интенсифицировать проходку взрывных скважин и улучшить технико-экономические показатели добычи алмазосодер жащего сырья в целом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно – квалификацион ную работу, в которой предлагается новое техническое решение актуальной задачи – обоснования параметров технологии процесса бурения скважин в условиях мёрзлых сложноструктурных породных массивов кимберлитовых ме сторождений Якутии, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Основные научные и практические результаты работы, полученные лично соискателем, состоят в следующем:
1. Выявлены закономерности технологии бурения взрывных скважин и вы дачи продуктов разрушения из затрубного пространства в условиях карь еров кимберлитовых месторождений АК "АЛРОСА".
2. Разработана конструкция режущего инструмента со сменными резцами серийного производства для бурения мёрзлых пород в режиме крупного скола.
3. Разработана конструкция режуще-шарошечных долот для бурения взрывных скважин в условиях перемежающихся по крепости пород.
4. Разработан типоразмерный ряд режущего и режуще-шарошечного ин струмента в соответствии с требованиями ведения буровзрывных работ на карьерах АК "АЛРОСА".
5. Доказано, что поддержание необходимого размера затрубного простран ства для равномерной выдачи продуктов разрушения должно обеспечи ваться охлаждением воздуха, подаваемого для очистки скважины.
6. Разработаны и практически реализованы специальные устройства для охлаждения забоя скважины.
7. Разработана инженерная методика и доказана эффективность специаль ной технологии бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров Якутии исполнительными органами принципиально нового типа.
8. Режущие буровые долота нашли промышленное применение на карьерах Мирнинского, Айхальского и Нюрбинского ГОКов АК "АЛРОСА" и ра ботают с высокой эффективностью.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
- в изданиях перечня, рекомендуемого ВАК РФ:
1. Дойников Ю.А. Совершенствование исполнительных органов буровых станков в условиях карьеров АК "АЛРОСА" / Ю.А. Дойников // Вестн.
Иркут. гос. техн. ун-та. – 2012. – № 4. – С. 77–80.
2. Дойников Ю.А. Ресурсосберегающие технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев // Горный журнал. – 2012. – № 4. – С. 42–44.
3. Дойников Ю.А. Алгоритм обработки экспериментальной информации стационарного случайного процесса / А.Е. Беляев, Ю.А. Дойников // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. – 2011. – № 12. – С. 89–92.
4. Дойников Ю.А. Стабилизация процесса бурения мёрзлых пород оптими зацией температурного режима очистки скважины от буровой мелочи / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин // Изв. ВУЗов. Горный жур нал. – 2010. – № 5. – С. 61–67.
5. Дойников Ю.А. Разработка параметрического ряда буровых долот режу щего и комбинированного типов / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин // Горное оборудование и электромеханика. – 2010. – № 1. – С. 37–41.
6. Дойников Ю.А. Обоснование оптимальных параметров пневмотранспор тирования продуктов разрушения при бурении скважин с очисткой сжа тым воздухом / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев // Вест. Чит. гос ун-та. – 2010. – № 1. – С. 11–16.
7. Дойников Ю.А. Совершенствование технологии бурения взрывных сква жин на алмазорудных месторождениях / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин // Горное оборудование и электромеханика. – 2009. – № 6. – С. 54–56.
8. Дойников Ю.А. Опыт применения режущих долот с продувкой скважин / Ю.А. Дойников, С.С. Лаврентьев, С.Г. Киртянов // Горный журнал. – 1995. – № 2. – С. 33–36.
- в научных изданиях и сборниках трудов:
9. Дойников Ю.А. Условия и специфика бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев // Сб. научн. тр. научно техн. конф. – Новочеркасск: Изд-во НПИ. – 1999. – С. 63–68.
10. Дойников Ю.А. Геометрические параметры режущих долот со сменными резцами. / Ю.А. Дойников, В.А. Перетолчин, А.Е. Беляев // Рациональное природопользование при освоении ресурсов Сибирского региона. Ир кутск: Изд-во ИрГТУ. – 1998. – С. 69–76.
11. Дойников Ю.А. Опыт применения эмульсионных взрывчатых веществ на карьере «Юбилейный» Айхальского ГОКа / Ю.А. Дойников, В.Ф. Косты рин, А.А. Юркевич, В.В. Забула // Сб. Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений. – М.: Издательский дом «Руда и метал лы». – 2002. – С.75–80.