Математическая модель обуривания H-метрового уступа буровым станком с гидрообъемной силовой установкой

Р.Ю. Подэрни, д.т.н., профессор, Московский горный институт (МГИ) НИТУ МИСиС

И.Ю. Пятова, горный инженер, аспирант, Московский горный институт (МГИ) НИТУ МИСиС

Современная тенденция к повышению единичной установленной мощности карьерных буровых станков обусловливает необходимость поиска более совершенных систем привода, к которым следует отнести гидрообъемные передачи вращательного действия.

На современных карьерах и разрезах РФ разработка породного массива производится в основном 15-, 30- и 55-метровыми уступами 10-метровыми штангами с возможностью их размещения в кассетирующем устройстве станка. Подготовка к выемке горной массы этих уступов может быть осуществлена буровыми станками легкого, среднего и тяжелого типоразмера [1]. С рабочими параметрами, предложенными нами в работе [2], базирующимися на обладающей мировым приоритетом и патентной защитой [3] на международном рынке – конструкции мачты станка в двух модификациях – нераздвижного и раздвижного (телескопического) исполнения [4].

Для оценки взаимодействия основных механизмов бурового станка во времени воспользуемся суммарной длительностью его рабочего цикла:

116 f1

(1)

В уравнении (1) индексы s, l и j обозначают соответственно: способ бурения скважины однозаходный «о» или многозаходный «м»; конструкцию мачты бурового станка нераздвижную «н» или телескопическую «т»; j – типоразмер бурового станка: легкий «л», средний «с» или тяжелый «т».

Рис. 1 Зависимость длительности рабочего цикла Tц slj бурового станка с нераздвижной и тяжелого с телескопической мачтой – от прочности буримой породы на сжатие σj при обуривании 15-метрового уступа вертикальными и наклонными скважинами

В работе [4] нами аналитически получены слагаемые для определения длительностей активации основных механизмов бурового станка j-го типоразмера для i-го режима его эксплуатации, входящие в выражение (1). Графическая интерпретация зависимости (1) от прочности буримой породы на сжатие σj приведена на рисунках 1 и 2, соответственно.

Рис. 2 Зависимость длительности рабочего цикла Tц slj бурового станка тяжелого типоразмера с нераздвижной и теле скопической мачтой от прочности буримой породы на сжатие σj при обуривании 30/55-метрового уступа вертикальными и наклонными скважинами

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 1 и 2, свидетельствует о том, что при обуривании H-метрового уступа станком j-го типоразмера, как с нераздвижной, так и с телескопической мачтой, длительность рабочего цикла станка линейно возрастает с увеличением прочности буримой породы на сжатие; при обуривании 15-метрового уступа, минимальный рабочий цикл имеет станок легкого типоразмера при бурении вертикальных скважин, а максимальный – станок тяжелого типоразмера при бурении наклонных скважин; при обуривании 30/55-метровых уступов, минимальный рабочий цикл имеет станок тяжелого типоразмера с нераздвижной мачтой при бурении вертикальных скважин, а максимальный – при бурении наклонных скважин; рабочий цикл у станка тяжелого типоразмера с телескопической мачтой (Тт), в диапазоне прочностей буримой породы на сжатие 160·106 ≤ σ ≤ 200·106 Па в среднем на 5,3% меньше, чем у станка с нераздвижной конструкцией мачты (Тн).

Следует отметить, что уравнение (1), хотя и принимает в расчет технологические параметры бурения скважины, прочность породы, кинематические и конструктивные параметры, не является полной математической моделью, поскольку не учитывает как параметры силовой установки (СУ) бурового станка, так и мощности приводов механизмов активированных в i-м режиме его работы.

На основе выполненной нами систематизации длительностей активации приводов основных механизмов бурового станка при однозаходном и многозаходном бурении взрывной скважины нами аналитически получена зависимость средневзвешенной загрузки СУ бурового станка j-го типоразмера по мощности в течение всего цикла обуривания H-метрового уступа в виде суммы произведений относительной длительности активации его приводов Tij /Tцj на сумму их мощностей в i-м режиме эксплуатации СУ:

116 f4

(2)

Зависимости для аналитического определения мощностей приводов Ni j основных механизмов бурового станка, входящих в выражение (2), для каждого режима его эксплуатации приведены в работе [2].

Для установления взаимосвязи энергоемкости обуривания H-метрового уступа с кинематическими, конструктивными и силовыми параметрами приводов СУ бурового станка в течение его рабочего цикла нами предлагается математическая модель взаимодействия рабочих органов основных механизмов бурового станка j-го типоразмера с забоем в виде его удельной производительности , представляющей собой отношение высоты уступа к произведению средневзвешенной мощности на длительность его рабочего цикла Tц s lj:

116 f3

(3)

Уравнение (3) в отличие от уравнения (1) представляет собой зависимость производительности бурового станка при бурении одной скважины от технологических параметров бурения скважины, прочности породы, кинематических и конструктивных параметров, параметров силовой установки бурового станка и мощностей приводов механизмов активированных в i-м режиме его работы. Графическая интерпретация зависимости (3) от прочности буримой породы на сжатие σi приведена на рис. 3 и 4, соответственно.

Рис. 3 Зависимость удельной производительности бурового станка j-го типоразмера с нераздвижной мачтой при обуривании 15-метрового уступа многозаходным бурением и станка тяжелого типоразмера с телескопической мачтой при обуривании 15-метрового уступа однозаходным бурением от прочности буримой породы на сжатие σ в диапазоне изменения КПД гидрообъемной СУ 0,55 - ηСУ- 0,95

Анализ результатов моделирования приведенных на рис. 3 и 4 свидетельствует о том, что при обуривании H-метрового уступа удельная производительность бурения одной скважины в диапазоне угла α наклона скважины от 0 до π/6 (рад) для всех типоразмеров бурового станка нелинейно убывает с увеличением прочности буримой породы; при однозаходном бурении 15-метрового уступа и многозаходном бурении 30/55-метрового уступа удельная производительность бурения одной скважины у станка тяжелого типоразмера с телескопической мачтой, в диапазоне прочности буримой породы на сжатие 160·106 - σ - 200·106 Па в среднем на 0,3% меньше, чем у станка с нераздвижной мачтой; наибольший темп убывания удельной производительности бурения скважины имеет место при бурении станком легкого типоразмера в диапазоне прочностей буримой породы 60·106 - σ - 100·106 Па; наименьший темп убывания удельной производительности бурения скважины имеет место при бурении станком тяжелого типоразмера в диапазоне прочностей буримой породы 160·106 - σ - 200·106 Па; максимальная удельная производительность достигается у всех типоразмеров станков с нераздвижной и с телескопической мачтой, как при многозаходном, так и при однозаходном бурении 15/30/55-метровых уступов только при величине КПД гидрообъемной силовой установки ηСУ = 0,95.

Рис. 4 Зависимость удельной производительности бурового станка тяжелого типоразмера с нераздвижной и теле скопической мачтой при обуривании 30/55метровых уступов многозаходным бурением от прочности буримой породы на сжатие σ в диапазоне изменения КПД гидрообъемной СУ 0,55  ηСУ  0,95

Сопоставительный анализ удельной производительности каждого типоразмера бурового станка, в зависимости от вариации величины КПД гидрообъемной СУ (см. рис. 3 и 4), показал, что при обуривании H-метровых уступов, превышение максимальной над минимальной производительностью составляет от 23,8 до 28,3% у всех типоразмеров станка.

Что актуализирует изыскание новых технических решений трансмиссий гидрообъемных приводов основных механизмов карьерного бурового станка с высоким уровнем КПД.

Ключевые слова: карьерный буровой станок, типоразмер, многозаходное и однозаходное бурение скважины, удельная производительность станка, гидрообъемная силовая установка

Журнал "Горная Промышленность" №2 (120) 2015, стр.116