Опыт и развитие технологии силового бурения резанием на карьерах, страница 2

Необходимость комплексного подхода к оценке перспектив развития технологии бурения резанием подтверждается историей ее развития.

В развитии (истории) технологии бурения резанием выделяются характерные этапы. Длительное время бурение резанием применялось со шнековой очисткой на маломощных буровых станках, которые вследствие известных ограничений не позволяли создавать рациональные силовые режимы бурения в крепких породах. Поэтому этот способ проходки взрывных скважин дает высокую производительность и приемлемую стойкость долот только в мягких и средней крепости породах до f= 3 - 4. Именно в этих условиях шнековое бурение используется и сейчас при проходке скважин небольшого диаметра (160 мм, реже 125 мм).

Новый этап развития технологии бурения резанием наступил при использовании стержневых режущих долот диаметром 190, 216, 245 - 250 и 270 мм на станках шарошечного бурения (СБШ) с пневматической очисткой скважин. Важность этого этапа состоит в том, что он привел к прогрессивному преобразованию не только конструкции режущих долот и технологии бурения резанием, но и характеристик ряда карьерных станков, придавая им черты универсальности по способам бурения и очистки скважин. Стало возможным в крепких породах устанавливать силовые режимы резания (увеличить удельную нагрузку на долото в 2,5 - 3 раза при уменьшении скорости вращения долота до 80 - 120 об/мин.), использовать охлаждающее влияние потока сжатого воздуха, исключить зашламовывание долота на забое, снизить энергоемкость процесса. В результате область эффективности бурения резанием существенно расширилась до пород крепостью f = 6 - 7.

На сегодняшнем (современном) этапе должна решаться задача дальнейшего расширения области бурения резанием в сторону более крепких пород (f > 7), учитывая, что его теоретическим пределом эффективности является разрушение горных пород крепостью . Решить эту задачу при существующих конструкциях стержневых РД не удается. Долота такой конструкции при встрече с прослойками пород крепостью  быстро изнашиваются и теряют работоспособность. Эти негативные явления усугубляются с увеличением диаметра долота от 160 - 216 до 250 - 320 мм, так как скорость резания у периферийных резцов возрастают в 1,35 - 1,7 раза. По этим причинам применяемые в настоящее время на станках СБШ режущие долота с неподвижно закрепленными на корпусе резцами имеют довольно узкую область рационального использования и мало пригодны для бурения на широко распространенных уступах сложного строения, содержащих среди пород мягких и средней крепости (f = 2 - 5) включения крепких и абразивных песчаников и твердых известняков (f= 8 - 10).

Таким образом, специфика буровых работ на многих карьерах требует создания специальных буровых инструментов и технологий, которые можно эффективно применить для бурения сложноструктурных горных пород с коэффициентом крепости f= 2 - 10. Решению этой проблемы и посвящена данная монография.

Искомые буровые долота должны занять промежуточные положения между шарошечным и режущим инструментами, и в их разработке может быть несколько направлений. Одно из них - создание комбинированного режуще-шарошечного инструмента (РШИ), как простого механического соединения классического двухшарошечного и режущего долот. Однако, разработанные на этом принципе РШИ значительно дороже и сложнее ШД, сохраняют все недостатки как ШД (преобладание отказов по опоре и износу козырьков лап, высокая энергоемкость и т.д.), так и режущих долот со стержневыми резцами. Поэтому целесообразная область использования РШИ сильно ограничивается экономическим фактором. Одним из направлений является наложение на РД ударных нагрузок, т.е. переход к вращательно-ударному или режуще-ударному способам бурения.

Данная работа выполнена в другом направлении. В его основу положена разработка разборных режущих долот, оснащаемых шарошками зубчато-дисковой формы с такой ориентацией в пространстве скважины, которая позволяет иметь простейшие надежные опоры скольжения и осуществлять разрушение горных пород в режиме силового резания. Первые модели буровых долот нового вида, имевшие обозначение ДРВ (долота с вращающимися резцами), предложены в России (в институте НИИОГР, авторы Буткин В.Д., Телешов А.С., Брюхов Б.Ф.) давно, но не были должным образом изучены и востребованы по причинам организационного характера и слабых маркетинговых усилий разработчиков в условиях полной загрузки долотных заводов выпуском ШД с высоким спросом нефтяной и газовой промышленности.

В результате многолетних дальнейших теоретических исследований, сосредоточенных в ГУЦМиЗ, буровой инструмент нового вида был существенно усовершенствован, получил название долота с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ) и прошел длительный период эволюционного развития.

Использование нового вида бурового инструмента потребовало изменений в технологии бурения, касающихся модернизации пневмотранспортной системы бурового станка и определения рациональных режимов бурения, для которых, как оказалось, существуют предельные значения осевых нагрузок не только по условиям прочности вооружения, но и связанных с особенностями кинематики работы долот ДЗДШ.

          В монографии рассмотрены вопросы теории, технологические зависимости и критерии оценки бурения резанием; раскрыты возможности конструктивных преобразований ДЗДШ в соответствии со свойствами буримых горных пород; освещены процессы изменения концентрации бурового шлама в забое и на различных участках затрубного пространства скважины; изложены теоретические предпосылки разработанного нового пневмо-эжекционного метода эвакуации бурового шлама, позволяющего оптимизировать параметры пневмотранспортной системы бурового станка.

В заключительной части книги даны сравнительные технико-экономические оценки применения буровых инструментов различного типа и приведены результаты промышленных испытаний ДЗДШ на карьерах Минусинского, Кузнецкого, Южно-Уральского и Экибастузского угольных бассейнов, Кайерканского месторождения и известняковом карьере Ачинского глиноземного комбината. Новые долота обеспечивали увеличение производительности и снижение себестоимости бурения сложноструктурных вскрышных уступов с включениями (20 – 30 %) песчаников крепостью до f= 8 - 10 в 1,5 - 2 раза по сравнению с серийными ШД типа 244,5-Т. Режущие долота со стационарными резцами в таких осложненных условиях оказались неконкурентоспособными.

В монографии кроме исследований, проведенных в ГУЦМиЗ, нашли обобщенное отражение результаты экспериментальных и проектно-конструкторских работ, выполненных несколько лет тому назад в НИИОГР под руководством проф. В.Д. Буткина и частично опубликованных разрозненно в статьях и брошюрах и не потерявших своей актуальности. Тем более, что в настоящее время проведение промышленных экспериментов с необходимыми измерительными системами дорого и затруднено.