Пневмоударный буровой инструмент, работающий при высоком давлении сжатого воздуха

В.В. Люханов, С.Б. Алферов, С.Н. Трофимов, В.Ф. Роженцов

Понятие «низкое» и «высокое» давление сжатого воздуха появилось в 1970–1980 годах. Так сложилось исторически, что в горнодобывающей промышленности бывшего СССР в качестве энергоносителя в основном применялось давление сжатого воздуха 0,5–0,7 МПа. Его и принято называть «низким». Многие идеи по созданию компрессоров высокого давления сжатого воздуха (от 1,0 до 3,0 МПа) наша промышленность в то время по разным причинам в полной мере реализовать не смогла. И это стало основным сдерживающим фактором развития многих прототипов бурового оборудования отечественного производства, рассчитанного на работу при высоком давлении сжатого воздуха. Соответственно и горнодобывающие предприятия, находящиеся в единой индустриальной цепочке с машиностроителями, не получив своевременно высокопроизводительного бурового оборудования, на какой-то период затормозились в освоении передовых технологий.

Но несмотря на отсутствие промышленного применения компрессоров высокого давления, многие институты СССР продолжали разработку оборудования под высокое давление сжатого воздуха для использования в различных отраслях промышленности.

№5 (105) 2012

Научно-исследовательский проектно-конструкторский институт горного и обогатительного машиностроения «НИПИГОРМАШ» (в 1992 г. на базе института и опытного завода образовано ОАО «НИПИГОРМАШ») приступил к разработкам бурового оборудования на высокое давление сжатого воздуха по целевому заданию Госплана СССР ещё в 1981 г. В круг исследований института вошли несколько моделей буровых станков для подземной разработки месторождений и несколько моделей станков для открытой добычи полезных ископаемых. А так как одними из основных факторов, определяющих эффективность эксплуатации буровых установок, являются показатели стойкости и производительности бурового инструмента, государственная комиссия Госплана СССР поручила институту «НИПИГОРМАШ» провести научно-исследовательские работы по созданию основных типоразмеров погружных пневмоударников и буровых коронок, предназначенных для работы при высоком давлении сжатого воздуха. В период 1981–1989 гг. специалистами института «НИПИГОРМАШ» проведен значительный объем работ:

- разработаны технические задания и выполнены конструкторские работы, на основе которых изготовлены и испытаны опытные образцы буровых станков, работающих при повышенном давлении сжатого воздуха, как для подземных, так и для открытых работ;

- разработана конструкторская документация, по которой изготовлены и смонтированы на территории института лабораторные стенды для испытаний погружных пневмоударников и буровых коронок;

- разработаны технические задания, выполнены конструкторские работы, по которым изготовлены и испытаны как в лабораторных условиях, так и в условиях горного производства опытные образцы погружных пневмоударников и буровых коронок, номинальными диаметрами бурения 85 мм; 105 мм; 125 мм и 160 мм, работающих при высоком давлении сжатого воздуха.

Основные опытно-исследовательские работы проводились в производственных лабораториях института «НИПИГОРМАШ», а также в промышленных условиях горного производства, в шахте «Естюнинская» Высокогорского ГОКа и Зыряновского свинцово-цинкового комбината. Специалистами Высокогорского ГОКа на горизонте 60 м шахты «Естюнинской» была подготовлена специальная камера для проведения изыскательских работ при бурении взрывных скважин установками, работающими на повышенном давлении сжатого воздуха. Испытательный комплекс состоял из компрессорного оборудования, включающего три компрессора 302ВП 6/18, производительностью 6 м3/мин, давлением 1,8 МПа. Питание каждого компрессора осуществлялось от электродвигателя мощностью 75 кВт; воздухонакопителя – на давление 1,8 МПа, а также стенда со специальной аппаратурой для фиксирования данных, изготовленного на базе буровой установки БПС-100В.

В условиях Зыряновского комбината опытно-исследовательские буровые работы проводились как на открытых, так и в подземных условиях. С поверхности проводилось бурение геологоразведочных скважин глубиной до 120 м по породам крепостью 12–17 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, с использованием передвижной компрессорной станции ПД-15/25 и модернизированной самоходной буровой установки УРБ-2,5. В подземных условиях Зыряновского комбината бурение проводилось по породам крепостью 16–18 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, с использованием стационарного компрессора ВП-20/18 и бурового станка СБУ-6М. Для фиксирования данных испытаний в конструкцию станка СБУ-6М была вмонтирована специальная аппаратура, а также изменён пульт дистанционного управления, в который была вмонтирована линия высокого давления сжатого воздуха. Государственные комиссии Госплана СССР все промежуточные и приемо-сдаточные этапы лабораторных и опытнопромышленных испытаний бурового инструмента, работающего при высоком давлении сжатого воздуха, признали успешными.

Проведенный специалистами ОАО «НИПИГОРМАШ» экономический анализ результатов опытного бурения скважин в шахте и карьере с целью определения целесообразности внедрения в горное производство пневмоударного бурового инструмента и компрессорного оборудования, работающего на давлении энергоносителя до 1,8 МПа, показал: при повышении давления энергоносителя до 1,5–1,8 МПа сменная эксплуатационная производительность бурового станка увеличивается в 2–3 раза, ресурс пневмоударников и стойкость буровых коронок возрастает в 3–4 раза, а себестоимость бурения скважин снижается в 1,57–2 раза.

В 1989 г., в связи с «перестроечными» событиями в нашей стране, внедрение в горное производство всех разработок института «НИПИГОРМАШ» резко затормозилось, в том числе и по использованию бурового инструмента, работающего на высоком давлении сжатого воздуха. При плановой экономике отраслевые институты были связующим звеном между академической наукой и промышленностью. В перестроечный период государственное финансирование отраслевых институтов практически прекратилось, а заводы горного машиностроения были приватизированы разного рода коммерческими структурами, которые по разным причинам не хотели финансировать отраслевую науку.

В этих условиях было принято решение сконцентрировать научно-производственный потенциал института «НИПИГОРМАШ» на разработках и изготовлении:

• Вентиляторов главного и местного проветривания горных выработок ВОR12,5; ВОR21К; ВОR24К; ВОR30К; ВОМR18.

• Смесительно-зарядных машин типа: МСЗR12RНПRК; МЗR3бR12; МСЗR12Г; МЗВR10; МЗГR10; МЗУR15R5КТ; МЗR3бR8; МЗR3бR12; МЗR3бR15; МЗR3бR15Э; МЗВR15; МЗУR15R4К; АСЗМ для открытых работ на базе шасси КАМАЗ, Iveco, Volvo и т.п., в зависимости от технических требований заказчика, для приготовления гранулированных или эмульсионных ВВ.

• Смесительно-зарядных машин для подземных работ МЗКСR160; ЗМКR1А.

• Проходческих комплексов: КПВR4А; КПНR4А; БПОR20.

• Буровых установок различного назначения: УБШR222R03; УБШR222R04; УБШR222R06; СБРR160Т; СБУR160R36; СБR350; СБУR360.

• Буровых комплексов для обустройства железных дорог: УКБС; УОR2.

Вместе с тем было принято решение о создании коммерческо-производственной структуры для доведения основных разработок института в области бурового оборудования и бурового инструмента до серийного производства. Так в 2003 году на опытно-производственной базе ОАО «НИПИГОРМАШ» было основано ЗАО «Машиностроительный Холдинг» (ЗАО «МХ»). За относительно короткий промежуток времени специалисты ЗАО «МХ» и ОАО «НИПИГОРМАШ» развернули на опытном заводе института серийное производство широкого ряда бурового оборудования и инструмента:

• Пневмоударников: ПR85; ПR105; ПR110; ПR130; ПR160; ПR180; ПR190; ПR200; ПR300; ПR400; ПR550.

• Буровых коронок:

- лезвийного типа КR110; КR130; КR135; КR160;

- штыревого типа КНШR85; КНШR105; КНШR110; КНШR130; КНШR140; КНШR145; КНШR160; КНШR180; КНШR200; КНШR250; КНШR300; КНШR320; КНШR340; КНШR380; КНШR400; КНШR550.

• Расширителей скважин: РR168; РR200; РR220; РR250; РR280; РR300.

• Буровых коронок забурников (диаметр коронки/тип пневмодарника): КНШR130/110; КНШR140/130; КR160/130; КНШR160/130; КНШR180/160.

• Буровых штанг к станкам: БПR100, НКРR100, БТСR150, СБУR100.

• Пневмодвигателей: ДАРR5М; ДАРR14М.

• Переходников, переходов фрезерных, замков.

• Ловильного инструмента: метчиков, колоколов ловильных.

• Освоен серийный выпуск буровых станков для подземной разработки: БПR100, БПR100М, БПR100Н, БПR100С.

В рамках реализации программы изготовления импортозамещающей продукции налажено серийное производство гидроперфораторных буровых коронок с резьбовыми соединениями: R32, R38, Т45, Т51, SТ58, GТ60, SТ68; номинальными диаметрами бурения 51 мм, 64 мм, 76 мм, 89 мм, 102 мм, 115 мм, 127 мм, 140 мм, 152 мм в зависимости от диаметра резьбы.

Необходимо отдельно отметить, что в зависимости от конкретных горно-геологических особенностей месторождения (крепости, трещиноватости, абразивности) все типоразмеры породоразрушающего бурового инструмента производства ЗАО «МХ» изготавливаются с разной формой ударной (головной) части: плоской, вогнутой, выпуклой, с утопленным центром, а также оснащаются твердосплавным вооружением различной формы: полусферической, конусной, полубаллистической, баллистической или параболистической.

В рамках программы по изготовлению импортозамещающей продукции, утвержденной в ЗАО «МХ», с 2006 года возобновлены исследовательские и изыскательские работы по погружным пневмоударникам и буровым коронкам, работающим при высоком давлении сжатого воздуха, которые были приостановлены в 1989 г. Более 5 лет понадобилось специалистам ЗАО «МХ», чтобы полностью освоить технологические процессы серийного производства этого типа бурового инструмента. За этот период была проведена комплексная подготовка производственно-технологических процессов, приобретено высокоточное и высокопроизводительное станочное оборудование, подобран мерительный и режущий инструмент, обучены квалифицированные специалисты.

Кроме того, совместно с отечественными металлургами проведены комплексные мероприятия, которые позволили существенно улучшить качественные характеристики ряда высоколегированных марок сталей и согласовать регламенты для выявления в них дефектов на стадиях плавки и изготовления проката.

Вместе с тем под современные требования горного производства, под повышенное до 2,0–3,0 МПа рабочее давление сжатого воздуха разработаны технические задания, проведены конструкторские работы, по которым изготовлены опытные образцы погружных пневмоударников номинальными диаметрами бурения от 105 мм до 203 мм. В данный момент проводятся лабораторные исследования и опытные испытания данных изделий.

Разработаны технические задания, выполнены конструкторские работы, по которым изготовлены опытные экземпляры и испытаны как в лабораторных условиях, так и в условиях горного производства сначала опытные, а затем и промышленные партии буровых коронок на высокое давление сжатого воздуха.

В настоящее время мы уверенно говорим, что ЗАО «МХ» освоило серийный выпуск высококачественных пневмоударных буровых коронок на высокое давление сжатого воздуха номинальными диаметрами: 105 мм, 110 мм, 115 мм, 130 мм, 140 мм, 146 мм, 149 мм, 152 мм, 165 мм, 171 мм, 178 мм и 203 мм. Буровые коронки высокого давления производства ЗАО «МХ» выполняются с различными конфигурациями хвостовиков под разные типы пневмоударников, с различными вариантами головной части, с применением разнообразных форм твердосплавного вооружения.

Для подтверждения технологической стабильности оборудования на всех этапах подготовки серийного производства нового бурового инструмента проведены расширенные исследовательские, опытные и промышленно-сравнительные его испытания в условиях горнодобывающих предприятий.

Высокие показатели эффективности применения пневмоударных буровых коронок производства ЗАО «МХ», предназначенных для эксплуатации при высоком давлении сжатого воздуха, достигнуты на всех горнодобывающих предприятиях, где прошли промышленносравнительные испытания.

На наш взгляд, создание ЗАО «МХ» и ОАО «НИПИГОРМАШ» импортозамещающего пневмоударного инструмента на высокое давление сжатого воздуха является одним из положительных примеров современного, межотраслевого взаимовыгодного сотрудничества в реальном секторе экономики. В это сотрудничество вовлечены все основные представители индустриального сообщества: подразделения от фундаментальной и отраслевой науки; горнодобывающего производства; металлургического комплекса; серийного машиностроения (см. рис.). При данной схеме сотрудничества основным приоритетом является ориентированность на конечного потребителя, соответственно происходит оперативное внедрение инноваций, улучшаются качественные характеристики продукции, значительно повышается экономическая эффективность всех участников процесса.

Особенно хотелось бы заострить внимание на межотраслевом сотрудничестве в вопросе изготовления высококачественного проката и штамповок для нужд горного машиностроения, ведь длительное время считалось, что отечественные высоколегированные марки сталей для тяжелых условий эксплуатации (для значительных знакопеременных нагрузок), не могут конкурировать в вопросах качества со сталями европейского производства. На практике же, при тесном сотрудничестве специалистов от фундаментальной и отраслевой наук, металлургии и машиностроения, удалось добиться значительных результатов в достижении качественных высоколегированных марок буровых сталей, не уступающих мировым аналогам. Такой комплексный подход в решении задач по постоянному совершенствованию предприятий одной индустриальной цепочки принесет множество положительных результатов – от изготовления отечественных инновационных товаров и создания дополнительных высококвалифицированных рабочих мест в разных отраслях промышленности – до экономии валютных средств РФ.

www.npgm.ru

Журнал "Горная Промышленность" №5 2012, стр.28