Буровой инструмент для RC-бурения производства АО «Машиностроительный Холдинг», г. Екатеринбург

С.Н. Трофимов, директор конструкторского отдела АО «Машиностроительный холдинг»

Во всем мире горнодобывающие предприятия обращают особое внимание на пополнение и изучение запасов месторождений полезных ископаемых.

Особую роль в этом вопросе играют геологические исследования и их технологическая оснащенность. Одним из важнейших элементов геологических исследований при поисках и разведке всех типов полезных ископаемых является разведочное бурение. Современная экономическая реальность диктует все более жесткие требования при проведении геолого-разведочных работ – это повышение объемов, снижение затрат и сокращение сроков проводимых работ.

До недавнего времени одним из наиболее применяемых методов геологоразведки было колонковое бурение, так называемый отбор проб в виде столбцов керна. Колонковое бурение – это вид быстровращательного бурения, при котором разрушение породы происходит по кольцу, а не по всей площади забоя. Внутренняя часть породы формируется и сохраняется в виде столбика ненарушенной структуры керна (рис. 1). Для этого керн периодически заклинивают для отрыва от забоя и поднимают на поверхность. Основное снижение производительности при процессе колонкового бурения происходит при дополнительных операциях на разборку и сборку бурового става при подъеме керноприемника для отбора проб, которые занимают значительное время.

Рис. 1 Керновые пробыРис. 1 Керновые пробы

Сегодня же все большую популярность набирает метод бурения с обратной циркуляцией, или RC-бурение, экономическая эффективность и производительность которого существенно выше, чем колонкового.

Дело в том, что залежи полезных ископаемых (рудные, минеральные и т.д.) чаще всего имеют неправильную форму, далекую от любой геометрической фигуры. Размеры залежей по простиранию и падению изменяются от нескольких десятков до сотен метров, отдельные залежи могут простираться до нескольких километров. Запасы одного рудного тела могут составлять от тысячи до миллиона тонн, а иногда превышать и миллиарды тонн, которые при разработке месторождения необходимо анализировать с целью составления правильной оценки экономической эффективности.

Все это и привело к поиску и разработке более эффективного метода отбора проб по сравнению с колонковым (алмазным) бурением. Поиск и разработка нового метода начались с 1970-х годов в Австралии. В 1972 г. для вращательного бурения был разработан метод с обратной циркуляцией, принцип которого заключался в использовании двойных буровых штанг. Данный метод к концу 1980 г. зарекомендовал себя как более производительный и экономически эффективный по сравнению с колонковым бурением.

В 1980 г. RC-бурение позволило Западной Австралии значительно повысить объем добычи полезных ископаемых. С развитием технологий и стремлением к совершенствованию метода обратной циркуляции для повышения качества проб в 1990 г. был создан первый пневмоударник для RC-бурения. В этом же году к пневмоударному бурению с обратной циркуляцией были добавлены компрессоры на высокое давление сжатого воздуха, что привело к еще большей производительности и увеличению скорости проходки. Все это позволило существенно повысить эффективность проведения геологоразведочных работ, и в результате RC-бурение стало одним из наиболее экономичных и точных методов бурения в геологоразведке.

Получение проб методом обратной циркуляции (RCбурение) – это бурение, при котором используется сжатый воздух для эффективного получения выбуренной породы из скважины по внутренней области применяемого инструмента с целью дальнейшего сбора образцов. При методе с обратной циркуляцией бурение производится сплошным забоем без лишних вспомогательных операций.

Метод бурения с обратной циркуляции достигается за счет того, что в рабочей области бурения применяется поводковый колокол, который стоит после буровой коронки и образует замкнутую рабочую область. В данной области создается дифференциальное давление, которое преобразуется в аэродинамическую подъемную силу (рис. 2). Эта сила поднимает шлам вверх по внутренним трубкам, находящимся в каждой штанге.

Рис. 2 Схема обратной циркуляции (в рисунке: подъемная, дифференциальное)Рис. 2 Схема обратной циркуляции (в рисунке: подъемная, дифференциальное)

Двойные буровые штанги состоят из наружных и внутренних труб (рис. 3). Использование внутренней трубы позволяет разделить буровую штангу на две замкнутые области (трубопроводные магистрали). Межтрубная область (между наружной и внутренней трубой) обеспечивает непрерывный поток сжатого воздуха высокого давления от компрессора к RC пневмоударнику. В процессе бурения измельченная горная порода выносится на поверхность для сбора образцов по внутренней трубе.Рис. 3 Конструкция двойной буровой штангиРис. 3 Конструкция двойной буровой штанги

Использование компрессоров на высокое давление позволяет добиться не только высокой производительности RCбурения, но также получить эффект предварительного высушивания непробуренной горной массы в рабочей области перед буровой коронкой. Воздух в рабочей зоне, где создается дифференциальное давление, проникает в трещиноватость, пористость, вытесняя воду. Предварительно высушенная и пробуренная порода моментально поступает от буровой коронки по внутренним трубам вначале к дефлектору, а затем по пробоотборным шлангам к циклону и потом к делителю, где непосредственно производится сбор в пробоотборные мешки (рис. 4). В данной схеме отбора проб нет перекрестного загрязнения от внешней отбуренной среды. Использование качественного оборудования, инструмента и квалифицированных машинистов дает такие результаты по отбору проб, которые конкурируют с точностью колонкового метода.Рис. 4 Схема отбора проб: 1 – буровая коронка; 2 – компенсационный корпус (юбка); 3 – RC пневмоударник; 4 –буровая штанга; 5 – верхний адаптер; 6 – подвод сжатого воздуха; 7 – вертлюг; 8 –вращатель; 9 – дефлекторы; 10 – шланг; 11 – циклон; 12 – делительРис. 4 Схема отбора проб: 1 – буровая коронка; 2 – компенсационный корпус (юбка); 3 – RC пневмоударник; 4 –буровая штанга; 5 – верхний адаптер; 6 – подвод сжатого воздуха; 7 – вертлюг; 8 –вращатель; 9 – дефлекторы; 10 – шланг; 11 – циклон; 12 – делитель

При RC-бурении образцы могут оставаться сухими даже на несколько сотен метров ниже уровня грунтовых вод. Сухие образцы предпочтительнее, так как они более точно расщепляются для последующего анализа. Начальная стадия подготовки пробы для химического анализа при колонковом бурении начинается с измельчения образца (керна) на куски размером приблизительно 10–20 мм. При RC-бурении данная процедура не требуется, что значительно ускоряет процесс получения данных по содержанию полезных ископаемых.

Скорость бурения с обратной циркуляцией соизмерима со скоростью бурения пневмоударниками на высокое давление сжатого воздуха, применяемого в основном для взрывных и технологических скважин, а на больших глубинах может и превосходить ее. Производительность пробуренных метров в день составляет от 150 до 300 м, что во много раз превышает колонковое бурение.

Бурение методом обратной циркуляции применяется не только на открытых месторождениях (карьерах), но и в шахтных условиях. Одной из целей использования RC-бурения является обеспечение оперативной информацией по содержанию полезных ископаемых на том или ином объекте. Высокая производительность бурения позволяет оперативно собирать образцы и отправлять их на оценку, что в свою очередь дает четкое представление по распределению границ рудных тел с пустой породой. Сокращение времени на обработку и правильное распределение фронта работ способствуют снижению общих затрат. На данный момент RC-бурение является наиболее производительным и экономичным методом извлечения образцов горной породы.

До недавнего времени буровой инструмент для RC-бурения был представлен только зарубежными компаниями. Накопленный в производстве горного оборудования с проведением опытно-экспериментальных работ опыт позволил российской компании АО «Машиностроительный Холдинг», г. Екатеринбург (АО «МХ»), запустить в производство целый ряд бурового инструмента для RC-бурения, с которым можно ознакомиться на сайте компании (http://www.mash-hold.ru).

Специалисты АО «МХ» имеют большой опыт в изготовлении бурового инструмента на высокое давление сжатого воздуха для взрывных и технологических скважин. Накопленный опыт был применен в производстве пневмоударников, буровых коронок, буровых штанг и адаптеров для RC-бурения. Самыми распространенными типоразмерами являются 4-х и 5-дюймовые RC пневмоударники и буровые коронки к ним, поскольку они соответствуют требованиям к размеру образца и обладают достаточно большой мощностью для пробуривания глубоких пластов.

Рис. 5 Пневмоударник DMM4-MR116 МХ 872 производства АО «Машиностроительный холдинг»Рис. 5 Пневмоударник DMM4-MR116 МХ 872 производства АО «Машиностроительный холдинг»

На рис. 5 представлен пневмоударник DMM4-MR116 МХ 872.00 производства АО «МХ», который зарекомендовал себя как высокопроизводительный инструмент для бурения, в том числе глубоких (300…500 м) и сильно обводненных скважин.

Пневмоударник и все компоненты бурового става имеют внутренние трубки (рис. 6), по которым пробуренная порода на высокой скорости доставляется на поверхность. Скорость подъема пробуренной породы достигает 200…250 м/с. В результате высокой скорости потока внутренние трубки подвергаются сильному абразивному износу. Степень износа зависит от характеристик пород, объема воздуха и давления компрессорной установки.Рис. 6 Конструкция внутренней трубкиРис. 6 Конструкция внутренней трубки

В конструкцию RC пневмоударника (рис. 7) входит более 16 деталей, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и износостойкости. В принципиальной схеме бурения с обратной циркуляцией две детали подвержены наиболее интенсивному износу – это внутренняя трубка и поводковый колокол, которые являются расходными материалами. Специалисты АО «МХ» изготавливают данную продукцию из высоколегированных марок сталей с хорошей износостойкостью и подвергают их дополнительным поверхностным упрочнениям для более значительного ресурса. Стабильное высокое качество изделий, производимых АО «МХ», также обеспечивается за счет применения современного оборудования и высококвалифицированных специалистов.Рис. 7 Конструкция RC пневмоударникаРис. 7 Конструкция RC пневмоударника

Буровые коронки для RC пневмоударников имеют конструктивные отличия от коронок для обычных пневмоударников на высокое давление сжатого воздуха:

• первое – на внешних поверхностях корпуса коронки имеются глубокие продувочные пазы (рис. 8), предназначенные для подачи воздуха в рабочую зону;

• второе – диаметрально увеличенные отверстия (рис. 8), предназначенные для беспрепятственного забора пробуренной породы.

Рис. 8 Буровые коронки для RC-буренияРис. 8 Буровые коронки для RC-бурения

Во многих странах RC-бурение является признанным методом при геологоразведочных работах. Это быстрый и эффективный способ для получения точных образцов горных пород. АО «МХ» изготавливает широкий ассортимент бурового инструмента для RC-бурения, а также учитывает пожелания заказчиков по конструктивным особенностям для их горно-геологических условий. Буровой инструмент для RC-бурения производства АО «МХ» применяется на многих горнодобывающих предприятиях, в подрядных организациях и геологоразведочных экспедициях как в России, так и за рубежом. Специалисты АО «МХ» индивидуально подходят к каждому клиенту, предлагая оптимальные условия по сервисному и гарантийному обслуживанию, а также заключение пометрового контракта, при котором клиент платит только за фактически отработанный буровой инструмент. Также специалисты АО «МХ» располагают возможностью организации консигнационных складов на территории заказчика, при такой схеме сотрудничества у клиента отсутствуют складские запасы, а буровой инструмент всегда есть в наличии.

Журнал "Горная Промышленность" №6 / 2020, стр.44