Новые возможности бурения

Р.А. Румянцев, «Транстехновация» Г.С.Загорский, к.т.н., «Московский Университет путей сообщения»

В.И.Пугачев, д.т.н.

Шарошечное бурение является наиболее распространенным способом из применяющихся в настоящее время на открытых горных работах.

Одним из направлений повышения эффективности применения шарошечных буровых станков является интенсификация основных режимных параметров процесса бурения.

Как известно, механическая скорость бурения шарошечным инструментом определяется, прежде всего, двумя режимными параметрами: осевым усилием на долоте и частотой его вращения.

В отечественной и зарубежной практике шарошечного бурения на открытых горных работах традиционным считалось исполнение станков с высоким, максимально допустимым по долоту осевым усилием (Кос=1 -1.5 т/см диаметра скважины) и ограниченной частотой вращения бурового става (п6ур.ст.< 150 мин-1).

Хотя такой «силовой» подход приводил к утяжелению станков и ухудшению их ресурсных показателей вследствие высокой нагруженности оборудования, он был неизбежен, так как попытки повышения скорости проходки за счет форсирования частоты вращения бурового става оказывались безрезультатными.

Это объясняется тем, что бурение с частотой, превышающей 150 мин-1, неизбежно сопровождалось возникновением мощных вибрационных режимов, недопустимых по воздействию на буровой инструмент и станок.

Снабжение станков наддолотными амортизаторами и стабилизаторами, самонастраивающимися системами управления подачей на забой не давало эффекта, так как таким путем пытались погасить якобы генерируемые долотом продольные колебания бурового става.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных Московским Университетом путей сообщения и фирмой «Транстехновация», установлено, что причиной формирования вибрационных режимов является сухое трение вращающихся частей бурового става о стенки скважины, которое обуславливается потерей ставом продольной устойчивости (отклонением от прямолинейности) под действием осевого усилия и центробежных сил.

Предложена простая и технологичная конструкция противовибраци-онного бурового става (см. рисунок), на штангах которого на определенном расстоянии L друг от друга в подшипниковых опорах смонтированы центраторы.

Для исключения касания буровым ставом стенок скважины шаг размещения центраторов рассчитывается с учетом геометрических параметров става и параметров режима бурения (осевого усилия и частоты вращения).

«Скоростной» подход реализован в конструкциях буровых станков БТС-150М, СБШ-160, БТС-160К (см. фото). В общей сложности изготовлено и эксплуатируется более 100 этих станков (БТС-160К выполнен в опытном варианте).

Увеличение частоты вращения бурового става в модернизированном станке БТС-150М со 130 мин-1 (в серийном варианте) до 360 мин-1 позволило повысить механическую скорость бурения в различных грунтах в 2.5-3 раза. При этом исключались как вибрационные режимы, так и любые отдельные динамические воздействия на буровой став.

Особо следует сказать о стойкости бурового инструмента. По данным Московского Горного Университета и ВНИИБТ, проведших испытания в ус-
ловиях гранитного карьера на переоборудованном из серийного станке БТС-150 в объеме 1012 пог. м. скважин, стойкость долот 111-145 ОК-ПВ при частоте вращения бурового става 360 мин-1 оказалась вдвое выше, чем при частоте 150 мин-1, а износ буровых штанг вообще не был отмечен. По их же оценкам скорость вращения шарошечного инструмента может быть повышена до 450-500 мин-1 с сохранением линейного возрастания механической скорости бурения и без ущерба ресурсу бурового инструмента.

В целом использование высокоскоростного бурения с противовибрационными буровыми ставами реально может обеспечить:

• увеличение производительности бурения не менее чем в 2-2.5 раза;

• снижение удельной энергоемкости бурения не менее чем в 1.5-2 раза;

• повышение ресурсных показателей бурового инструмента, основных приводов бурового станка и станка в целом;

• повышение точности направления буримых скважин.

В качестве примеров эффективного применения высокоскоростного бурения можно привести следующие.

У отечественных станков СБШ-250 возможно существенно поднять показатели надежности, снизив на 20% усилие подачи бурового става с одновременным увеличением частоты его вращения до 320-350 мин-1. Простой расчет показывает, что одновременно достигается 50% выигрыш в производительности.

Использование высокоскоростного бурения дает возможность горным предприятиям без снижения экономических показателей перейти на взрывную отбойку скважинными зарядами среднего диаметра (150-160 мм). Это позволит управлять действием взрыва с целью решения актуальной на сегодня задачи защиты окружающей среды, включая сохранение естественной устойчивости горного массива за границами отбиваемого блока, значительное уменьшение выбросов в атмосферу газообразных продуктов взрыва и минеральной пыли, предотвращение распространения пыли за границы горного отвода.

Достаточно реальным просматривается вариант принципиально нового исполнения «легкого» шарошечного станка с осевым усилием, сниженным до уровня, обеспечивающего объемное разрушение породы, и частотой вращения бурового става 450-500 мин-1. Буровое оборудование такого станка может быть смонтировано на базовом шасси с манипуляционными возможностями так, чтобы с одной стоянки можно было обуривать веер скважин. Увеличение производительности бурения в этом случае сопровождается снижением материалоемкости, улучшением маневренности и транспортабельности.

Журнал "Горная Промышленность" №4 1997