автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка технологии отбойки руды на основе уменьшения искривления скважин

РГО од

1 Г, л. , . Г, Г .'1

, НбвОЧЕРКАССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Гаврилевский Олег Иванович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОТБОЙКИ РУДЫ НА ОСНОВЕ УМЕНЬШЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН

Специальности

05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».

05.05.06 — «Горные машины».

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-Работа выполнена в Новочеркасском ордена .Трудового Красного Знамени политехническом "институте и СевероКавказском ордена Дружбы Народов горно-металлургическом институте.

Научный руководитель

член-корр. РАЕН, заслуженный деятель науки и техники, докт. техн. наук, проф. ШЕСТАКОВ В. А.

Официальные оппоненты :

докт. техн. наук, проф. ГОЛИК В. И. канд. техн. наук, заслуженный деятель науки и техники ШАМШИН В. Н.

Ведущее предприятие — «Кавказгипроцветмет»

Зашита диссертации состоится « -/,.< , »■ _<1993 г.

в //Ц час, на заседании Специализированного совета Д-063.12.01 Северо-Кавказского горно-металлургического института по адресу:

362021, г. Владикавказ, ул. Космонавта Николаева, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского горно-металлургического института.

Я .

Автореферат разослан « п^! », ЧЧ ¡199Я г

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук

СЕРГЕЕВ В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ускоренное развитие сырьевом базы страны органически связано с необходимостью повышения эффективности горнодобывающей промышленности за счет совершенствования конструктивных параметров систем разработки на основе внедрения принципиально новой техники и прогрессивных технологий отбойки руды. Одним из основных процессов, влияющих на конструктивные параметры и техннко-экономиче-скле показатели систем разработки, является бурение скважин. Практика ведения горных работ с использованием скважинной отбойки показывает, что переход на высокопроизводительные технологии добычи возможен когда в отбитой руде полностью ликвидируются негабаритные фракции, а эксплуатационные потери и разубоживание близки к нормативным показателям. Однако, обеспечить качественное разбуривание горного массива при существующей технологии отбойки проблематично, так как в процессе бурения трассы скважин значительно отклоняются от проектного направления. Причина искривления заключена в ошибках при ориентировании бурового станка, забуриванин скважин и непрогнозируемом изменении их траектории в процессе бурения. Вместе с тем, если первые две ошибки возможно устранить еше в начальной стадии ведения буровых работ, то трудоемкость коррекции искривленных скважин очевидна и требует их перебуринания. До настоящего времени законы управления трассированием скважин при бурении исследованы недостаточно. При этом не существует универсальных методов и эффективных технических средств, обеспечивающих сохранение проектного положения трасс в горном массиве. Недостаточно полно исследовано также влияние искривления па конструктивные и технологические параметры систем разработки со скважинной отбойкой. Выявленные резервы позволят равномерно разместить взрывчатое вещество в блоке, сохранить его проектные контуры при очистной выемке и упростить конструктивные элементы систем разработки.

Таким образом, сохранение показателей отбойки на оптимальном уровне не может быть достигнуто существующими методами управления качеством рудной массы, поэтому разработка высокоэффективных технологий на основе уменьшения искрив-

ления скил ж и н в процессе их бурения является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы. Повышение качества дробления руды, снижение потерь и разубоживания, совершенствование конструктивных элементов в системах разработки со скважинкой отбойкой.

Идея работы заключается в оптимизации технологических параметров отбойки руды и конструктивных элементов систем разработки на основе уменьшения искривления взрывных скважин в процессе бурения.

Научные положения защищаемые в работе:

— выявлены закономерности изменения технологических параметров и качественных показателей отбойки руды от глубины и направления бурения скважин, проявляющиеся в виде линейных и нелинейных функций высших порядков;

— разработана математическая модель управления головным участком бурового става, характеризующая качественно и количественно процесс формирования трассы скважины в массиве горных пород, обусловленный статической и динамической устойчивостью вращающегося става на границе взаимодействия с его головным участком и достаточно точно описываемый дифференциальными уравнениями второго порядка;

— разработана экономико-математическая модель комплексного анализа технологических параметров и качественных показателей отбойки руды на оптимум при изменении глубины бурения скважин.

Научная новизна:

— установленные закономерности для технологических -параметров и качественных показателей отбойки руды определены с учетом интенсивности искривления и отклонения скважин в процессе бурения;

— разработанная математическая модель управления головным участком става рассматривает процесс формирования трассы скважнны в пространственной системе координат и комплексно учитывает влияние на ее отклонение механизма перехода вращающегося бурового става от устойчивых форм изгиба первого порядка к равновесным формам высшего порядка, физико-механических свойств горных пород, коэффициента отпорностн стенки скважины, глубины и утла наклона при режимных параметрах, реализуемых в станках подземного бурения;

— разработанная экономико-математическая модель отлича-

стся тем, что критерий оптимизации технологических параметров и качественных показателей отбойки определяется с учетом искривления трасс скважин при дискретном изменении глубины их бурения.

Значение работы. Научное значение работы состоит в том, что:

— полученные закономерности позволили обосновать предельно-допустимое искривление скважин, при котором обеспечиваются оптимальные параметры отбойки и сохраняются нормативные показатели дробления, потерь и разубоживания руды;

— полученная и реализованная в виде пакета прикладных программ математическая модель позволила разработать для кругового веера методику расчета и выбора оптимальных схем компоновок бурового става, обеспечивающих управление трассами скважин по углу наклона и в азимутальной плоскости с точностью, не превышающей предельно-допустимых значений искривления;

— полученная экономико-математическая модель позволила на основе уменьшения искривления скважин разработать методику выбора рациональных конструктивных элементов в системах разработки со скважннной отбойкой.

Практическое значение работы заключается в разработке технологии отбойки руды, уменьшающей искривление скважин при их бурении расчетными схемами компоновок и обеспечивающей увеличение параметров подэтажа блока при одновременном снижении объемов нарезных работ, выхода негабарита, эксплуатационных потерь и разубоживания руды.

Достоверность научных положений и в и подов подтверждается:

—удовлетворительным согласованием теоретических оценок изменения технологических параметров и качественных показателей отбойки с результатами их определения методами ннкли-нометрии и акустическим приборами в промышленных условиях (погрешность не более ±20% при надежности 0.9);

— удовлетворительной сходимостью теоретических расчетов с результатами анализа искривления трасс скважин, полученными при моделировании работы оптимальных схем компоновок на экспериментальном стенде и их фактическим положением, установленным при инклннометрическом зондировании в опытном блоке (отклонение забоев скважин уменьшилось в 2.9-3.3 раза);

— удовлетворительным качеством разбуривания очистного блока, где выход негабарита снизился с 22 до 7%.

Реализация и промышленности. Разработанное «Методическое руководство по бурению скважин высокой точности» внедрено в системе подзтажного обрушения и системе .сплошной выемки вертикальными слоями-прирезками с закладкой на Урупском ГОКе и Лениногорском полиметаллическом комбинате при отбойке руды глубокими скважинами диаметром 65 и 105 мм; на проходке восстающих выработок методом секционного взрывания, а также при бурении скважин специального назначения: опережающих по оси горных выработок, дренажных, коммуникационных и т.д. Экономический эффект от внедрения разработки составил 58,8 тыс.рублей в ценах 1989 года.

«Методическое руководство» рекомендовано Горным отделом Министерства металлургии СССР для использования на подземных горных работах предприятиям, организациям и концернам отрасли.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IX Всесоюзной конференции по комплексному исследованию физических свойств горных пород и процессов в МГИ (г.Москва, 1987. г.), на X научно-техническом совещании по совершенствованию СВР (г.Губкин, 1988 г.), на Всесоюзном семинаре по проблемам горного давления (г.Кривой Рог, 1990 г.), а также на кафедре «Сопротивления материалов» СКГМИ (г.Владикавказ, 1990 г.), координационных совещаниях во ВНИИцветмете (г.Усть-Каменогорск, 1988-1989 г.г.), техническом совете Урупского ГОКа (п.Медно-горский, 1989 г.), кафедрах «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» Мовочеркасского политехнического института (г.Новочеркасск, 1990, 1993 г.г.) и «Горные машины» СКГМЙ (г.Владикавказ, 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пятнадцать работ, в том числе три авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 102 источника, изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 14 таблиц, 3 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность профессору С.Г.Го-зюмову (посмертно) за помощь и критические замечания при подготовке работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Повышение производительности труда и интенсивности разработки месторождений связано с совершенствованием технологии буровзрывных работ и конструктивных параметров систем разработки.

Научные основы совершенствования технологии БВР и конструкций систем разработки заложены М.Г.Агошковым, Д.М.Бронниковым, Г.П.Дсмидюком, Н.Г.Дубыниным, В.Р.Именитовым, Б.П.Кутузовым, В.И.Тсремтьсвым, В.А.Шестаковым и др.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в последние годы в области развития теории и практики добычи руды с использованием скважинных зарядов, дальнейшим работам в направлении оптимизации технологических параметров отбойки и эффективного управления качеством рудоподготовки препятствует искривление скважин.

Отсутствие комплексного подхода в изучении процесса искривления скважин не позволяет прогнозировать его влияния на выбор рациональной высоты подэтажа выемочного блока и другие конструктивные элементы систем разработки со скважинкой отбойкой.

Значительный вклад в изучение закономерностей искривления скважин п разработку методов и технических средств, снижающих их отклонение в процессе бурения внесли работы Бо-ррдихина А.Д., Григулецкого В.Г., Гозюмова С.Г., Дмитриева В.П., Дунаева М.В., Кантовича Л.И., Коваля ГЛ., Кодзаева Ю.В., Колесникова А.Е., Рязанова В.И., Ханукасва А.Н., Эпш-тейна Е.Ф., Янтурина А.Ш. и др.

В эволюции исследований заметен переход от выявления..закономерностей естественного искривления к аналитическому описанию процесса бурения трасс с проектной точностью и разработке специальных технических средств направленного бурения. Широкое применение для снижения искривления скважин нашли утяжеленные бурильные трубы, специальные компоновки с центраторами, а также различные модификации буровых станков и автоматически управляемых буровых штанг. Оценка проблемы искривления скважин с новых позиций позволила установит!. эффективность их использования для вертикальных скважин, тогда как при наклонном бурении отклонения в

азимутальной плоскости достигают 3% и более. Очевидно механизм потери устойчивости вращающегося става в скважине при режимных параметрах, реализуемых в станках подземного бурения, требует уточнения. В связи с отмеченным актуальна разработка универсальных методов, обеспечивающих сохранение проектного положения трасс скважин, которые позволят изменять конструктивные параметры блока и создавать новые технологии отбойки руды с прогнозируемым качеством дробления, потерями и разубоживанисм руды.

Для достижения поставленной цели сформулированы основные задачи исследований:

1. Разработать методику оценки влияния глубины бурения и искривления скважин на технологические параметры и качественные показатели отбойки, а также конструктивные элементы систем разработки.

2. Исследовать для наклонной скважины механизм перехода вращающегося става от устойчивых форм изгиба первого порядка к высшим и обратно при режимных параметрах, реализуемых в станках подземного бурения.

3. Разработать универсальные методы и технические средства управления головным участком бурового става по углу наклона и в азимутальной плоскости, обеспечивающие снижение искривления скважин до предельно-допустимых значений.

4. Разработать технологию отбойки руды на основе уменьшения искривления скважин, обеспечивающую увеличение параметров подэтажа блока при оптимизации технологических и качественных показателей добычи.

Комплексное исследование процесса искривления взрывных скважин при бурении и его влияние на параметры отбойки руды производилось в промышленных условиях. Выбор был остановлен на двух наиболее характерных системах разработки: под-этажное обрушение руды, принятой на Урупском месторождении и сплошная система выемки вертикальными слоями-прирезками с закладкой, применяемой на Лениногорском полиметаллическом комбинате ( далее по тексту система вертикальные слои-прирезки). Отличие исследуемых систем состоит в технических особенностях применяемой буровой техники, обусловленной предельной глубиной бурения, диаметром скважин, режимными параметрами станка и т.д. Так на Урупском руднике бурение вееров скважин диаметром 65 мм, глубиной 10-14 м

производилось станками КБУ-50М. На Тишинском руднике использовался станок ЛПС-ЗМ и скважины диаметром 105 мм. Оценка положения трасс скважин и контуров выемочных блоков производилась на основе результатов замеров инклинометром МИ-ЗОУ и акустическим прибором «Сфера-1». Сравнение проектных и фактических трасс скважин и контуров блока позволили установить связь между интенсивностью их искривления и эксплуатационными потерями и разубоживанием руды при отбойке. Одновременно в процессе выпуска руды фиксировался выход негабаритных фракций.

Полученная информация систематизировалась методами математической статистики. Определены параболические зависимости интенсивности искривления скважин от глубины бурения, соотнесенные к ширине отбиваемого слоя (л.н.с.). Установлено, что наиболее интенсивно л.н.с. изменяется при бурении наклонных скважин малого диаметра, искривление которых в 42% случаев превышало размеры сетки разбуривання. Скважины диаметром 105 мм в наклонной части веера отклоняются преимущественно вниз-влево (68% случаев). В вертикальной части вееров, независимо от диаметра, закономерностей в искривлении не обнаружено. Аналогичные зависимости получены для выхода негабарита при изменении глубины бурения и искривления скважин:

— скважины диаметром 65 мм

Kj = 0,057 L2 - 1,173L + 12,215;

— диаметром 105 мм

К2 = 0,034L2 - 0,588L + 11,526; (I) подтверждающие, что качество дробления определяется эффективностью размещения ВВ в горном массиве. Установлено, что искривление ограничивает использование скважин до глубины 10-12 м, при которой выход негабарита не превышает нормативных показателей. Для потерь и разубоживания руды получены линейные зависимости из которых следует, что при изменении высоты панели с 13 до 19 м (Тишинский рудник) потери в среднем увеличиваются на 6%, разубоживание на 4%. Максимальные значения составляют соответственно 9 и 12 %.

На втором этапе исследований определялось предельно-допустимое отклонение скважин, а основу анализа которого положены затраты на отбойку руды при изменении л.н.с., выход нега-

барита и удельный расход ВВ. Установлено пределыю-допусти-мое отклонение скважин при котором следует использовать методы и технические средства, уменьшающие искривление трасс, равное 0,5-1 % от глубины бурения.

В соответствии с поставленной задачей исследование работы бурового става в наклонной скважине требует определения критических значений режимных параметров, при которых образуются устойчивые формы изгиба его оси по одной полуволне, а также наблюдается переход к равновесным формам устойчивости высших порядков. На начальном этапе рассматривалась статическая устойчивость бурового става. Расчетная схема представлена в виде весомого, шарнирно опертого стержня, помещенного в оболочку с углом наклона (X, на который действует осевая нагрузка Рос. (рис. 1а). '

)

Р-Р

X

Рис.1.

Схема к расчету потери устопчнности буроноп» аи-11Л и циклонном скпмжппс.

Для определения- критических значений осевой нагрузки использован энергетический метод. Полная потенциальная энергия става в деформированном состоянии представлена в виде:

П = П0 + ÓV + <5W - <5А - <5Т (2)

где П0 — потенциальная энергия става в исходном состоянии;

ÓV — приращение потенциальной энергии изгиба става для перехода системы в смежную форму равновесия;

<5W — приращение энергии упругого основания ( стенки скважины);

(5Л — приращение работы внешних сил от действия осевой нагрузки;

¿¡Т — приращение работы внешних сил от действия продольной составляющей собственного веса бурового става.

Выражения для ÓV, ÓA, и дт известны. При подсчете ÓW определялась общая энергия бокового смещения контактного участка става длиной а (рис. 16) и деформации упругой стенки скважины:

Р h + а

¿W = J- f у20 dx; (3), i,

где С — коэффициент отпорности стенки скважины; — критическая длина полуволны става.

Форма оси изогнутого става контактного участка длиной а принята в виде синусоиды, имеющей прогиб f:

у о = f sin (лх/й); (4)

Коэффициент отпорности, через который учитывается влияние поперечной составляющей веса бурового става на критическое значение осевой нагрузки определяется по формуле:

р _ q соsCi'a lg<Pi 2(R - г)

где q-costt — поперечная составляющая собственного веса става;

<Р\,— угол смещения контактного сечения става от вертикали при действии осевой нагрузки (угол «надвига»); R, г — соответственно радиусы скважины и става.

После преобразовании выражение для угла смещения полуволн изогнутого става относительно вертикальной плоскости скважины имеет вид:

,2 „2 I

2 (лп)2 (R - г) (Рос - Е J —р- + ^ Q 1 Ып«)

ifi = arclg-—-—-J (6)

7 qcosCC 1 (I - 21^

где EJ — жесткость става; 1 — глубина бурения; n — число полуволн.

Анализ динамики вращения бурового става в наклонной скважине показал, что вслсдствии действия собственного веса реализуется менее энергоемкий вид движения — вращение вокруг собственной оси.

Дифференциальные уравнения плоского движения става:

nix" = q-«-siny32 " Ftp!

my" = Rc - q-fl-cosy32; (7)

hP" = Ftp-1";

где <рг — угол смещения контактного сечения става от вертикали при его вращении (угол «наката»); FTP — силы трения-сцеплсния между ставом и скважиной; ш — масса става; Rc — реакция стенки скважины.

После преобразований выражение, определяющее пространственное положение оси става при вращении примет вид:

и (Зг2 + г?)

<р2 = arclg-^-5-^; (8)

п + rf

гдс/i — коэффициент трения; г u Г] — соответственно внешний и внутренний радиусы бурового става.

Коэффициент ft связан с контактной прочностью горных пород зависимостью: ц - -0,000494'РШТ + 0,4531;

Анализ (6) и (8) позволил установить механизм перехода бурового става от изгиба по одной полуволне к устойчивым (]юрмам изгиба высшего порядка с учетом характера его вращения, определяющий пространственное искривление наклонных скважин в процессе бурения.

Выделено три основных состояния:

1. Действие собственного веся става qa, когда длина его больше критических размеров, приводит к образованию одной полуволны и участка контакта с нижней стенкой скважины длиной а реакция которого Ry (рис.1). Приложение осевой нагрузки при абсолютно жесткой стенке скважины (Ry -» «) обуславливает возникновение в ставе силы упругости Рх, направление действия которой горизонтальное. Такое положение става является устойчивым до момента пока Рх1 s qa^ При вращении став за счет сил трения накатывается на стенку скважины и его положение относительно вертикали определяется углом <р2.

2. Дальнейшее увеличение осевой нагрузки нарушает равновесие и при Рх2 > РХ1 вызывает перемещение контактного участка става по стенке скважины, образуя плоско-горизонтальную форму изгиба (в виде змейки) с двумя полуволнами. Когда РХ2 = qr/2 наступает новое равновесное состояние контактного участка при котором его положение в скважине определяется углом yjj. Увеличение глубины скважины при Рос = const приводит к формированию 3, 4, ..., n-ого числа полуволн, кратных длине 1/п. Однако угол «надвига» за счет влияния собственного веса става уменьшается и при Рх2 = Pxi система возвращается в исходное состояние с одной полуволной. Вращение става, в зависимости от значения осевой нагрузки, изменяет угол «надвига» при <р1 < <р2 или не оказывает влияния когда <рг > <р2. В этом случае из комбинации двух углов (рх и <р2 в расчет берется наибольшее значение.

3. Дальнейшее увеличение Рос приводит к возрастанию угла

«надвига» до значения = у. Это состояние стаЬа является

предельным для существования плоско-горизонтальной формы изгиба за которым образуется более плотная его упаковка- спиралеобразная. При этом собственный вес бурового става и вращение на его пространственное положение влияния не оказывают. Характер вращения, как правило, неустойчив и зависит от сил треиия- сцепления локальных участков изогнутого става.

Результаты исследований были положены в основу расчета и выбора оптимальных схем компоновок бурового става, по данным практики которые являются наиболее эффективным способом управления трассами скважин. Теоретическое решение вы-

бора состоит в определении на первой от забоя опоре значении углов-лесоосности става и скважины, а также углов

характеризующих положение'гребней полуволн изогнутого става относительно вертикальной плоскости скважины.

Расчетная схема представлена как многопролетная неразрезная балка с опорами на одном уровне, статическая неопределимость которой раскрыта с помощью уравнения трех моментов (рис.2).

Рис.2.

1 Схсм:> к расчету оптимальной компомонки голошюго ■ участка стана. 1]...15 — расстояния между опорами компоионки; (к)— пертпкальпая плоскость; п) — наклонная плоскость.

Для удобства решения плоскости действия веса става д и изгибающего момента Мс были разделены на вертикальную и наклонную.

Момент Мс найден из условия равновесия участка Ц (рис.1):

Мс = Рос (Я - г) + 0,5д1|со:>асо:>у?расч. (9)

где <ррасч- — угол между вертикальной плоскостью скважины

и плоскостью действия изгибающего момента.

Искомые углы, характеризующие пространственное положение оси става на опорах компоновки, определены методами векторной алгебры. Осуществляя последовательно вычислительные операции на всех опорах, начиная с-правой крайней, окончательно имеем:

СОЬ©||, + СОХ0Ц)

Ох, = агссоя-т—7-7^-~---5~*~—. гч —-——"

УСМПОП! 81Пу7расч.) + (этУщ соьг/эрасч. +

+ ЬЧ'пЭн!)2 + (СОХ©!!! + СОХ©»!)2

¡¡¡пОц, С05>у)расч + ¡>Н1©|!,

Фу, = агссох-!—г-тх-:-5—' . ^-——

У(ЫП0Ц1 51пу?расч.;г + (51110!^ СОХ«/5р

+■ ьт©!^)2

где ©ни ©в! — углы, определяющие несоосность става и скважины на первой от забоя опоре в вертикальной и наклонной плоскостях;

©Х1 — суммарный угол несоосности стана и скважины; -угол между вертикальной плоскостью скважины и плоскостью действия Мс (на первой от забоя опоре).

Идеальной считается компоновка, обеспечивающая выполнение на первой от забоя опоре условий:

©^ = 0; <рхг = (12)

Выражение (12) качественно характеризует пространственное отклонение бурового инструмента в процессе бурения. Количественное значение отклонения трассы наклонной скважины определялось по формуле:

•'н = К \'в 'Г 1«©^; (13)

где .1н — критерий стабилизации направления бурения для наклонной скважины; Ув — скорость бурения, м/мин;

Т — время бурения скважины на полную глубину, мин; К — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства горного массива.

Вычисление JH производится численным методом с использованием ПЭВМ типа IBM. На основе анализа результатов расчета установлено, что в наклонной скважине эффективны четырех-опорные схемы компоновок бурового става, обеспечивающие отклонение по углу наклона и азимуту в пределах 0,5-1,0% от глубины бурения.

Проверка расчетных схем компоновок производилась на экспериментальном стенде. Геометрические, силовые и физико-механические параметры для стенда определялись на основе теории подобия и размерностей. При моделировании использовались следующие критерии:

■£2 — подооие геометрических размеров, qL3 Рос L2 EJ Mfcp L

-p-r; р . ; —г—-т; г ч — подобие устойчивости vnpv-u, j t. j w л q L4 и j р

roi'i оси бурового стана, PfflTS Миэ <и 2 с| L

-р— ; --g-; — подооие условии взаимодействия вра-

1 ос Ре

щающегося бурового инструмента с забоем и стенками екпажи-ны.

где Ь — длина става (участка става); Рй — боковая составляющая осевой нагрузки; Мкр — крутящий момент на буровом инструменте; GJp — жесткость буровых труб на кручение; Б — площадь забоя скважины.

Подобие собственного веса става осуществлялось за счет утяжеления его моделей ртутью. Как показала проверка выбранные модели с достаточной точностью (погрешность 1-14%) имитируют став по параметру устойчивости продольно-поперечному изгибу. В качестве модели бурового инструмента, использовались кольца. Моделирование удельных давлении бурового инструмента, пропорциональных натурным, потребовало забой скважины формировать из эквивалентных материалов (алюминий, дерево,

кожа п т.д.).

Полученные критериальные зависимости использовались при конструировании экспериментального стенда, позволяющего исследовать:

— статическую устойчивость бурового става;

— режимы движения бурового става при вращении в скважине;

— динамические процессы взаимодействия инструмента и става с забоем н стенками скважины;

На стенде определялись следующие параметры:

— статическая и динамическая составляющие осевой нагрузки в продольном направлении на забое скважины;

— то же в радиальном направлении на забое и в любом контактном сечении скважины;

— крутящий момент (момент трения) на забое и в любом контактном сечении скважины;

— угол закручивания модели става по длине.

В процессе эксперимента моделировалось бурение станками ИКР-100МА и КБУ-50М при соотношениях диаметров скважины и става соответственно в миллиметрах 105/63 н 60/32.

Результаты эксперимента подтвердили теоретические положения о механизме перехода става к устойчивым формам изгиба высших порядков и режимов его движения в скважине. Установленная погрешность в определении значений критических длин ставов не превышала 5,2%, а расчетных углов положения его контактных сечении относительно вертикали 8-20%.

Для проверки эффективности расчетных схем компоновок на стенде моделировался наиболее сложный случай- бурение горизонтальных скважин глубиной до 40 м, промышленный заказ на которые поступил от Урупского ГОКа. Согласно алгоритму расчета для горно-тсхничсских условии предприятия была рассчитана схема компоновки, обеспечивающая предельно-допустимое отклонение не более 1 % от глубины скважины. Стендовые эксперименты, как показал анализ, дали завышенные на 58% результаты по отклоняющим усилиям, что соответствовало предельно-допустимому отклонению 1,4%. Однако сопоставление данных расчета и опытно-промышленных испытании показало, что погрешность метода не превышает 10%, то есть среднее значение отклоненнй по 8 скважинам составило 1,1% (рпс.З).

и it « 33 )s e «

I'ne.3

1 - расчетная (по формуле 13);

2 - экспериментальная: JH = -0,24 10~ 4 t2 + 0,016t - 0,03;

3 - фактические отклонении при бурении.

Эффективность применения технологии ошойки рулы скважинами высокой точности

•<

V Л V''

\ V

i Л

53 IV и

Рис.4 . ,

1,1' — примятая технология ;итя систем иодэтажиоп) обрушения и вертикальные слоп-ирпрсзки; 2,2' — отбойка скважинами высокой точности; 3-базовая прибыли. ' 11

И И

13

Для управления трассами скважин кроме метода был также разработан ' параметрический ряд технических средств направленного бурения- центраторов. В основу ряда положены две. типовые конструкции, охватывающие диаметры скважин 55-150 мм. Испытания конструкций показали их соответствие техническим условиям эксплуатации. Ресурс безотказной работы центраторов составил 250 пог; метров. Не наблюдалось снижение рейсовой скорости бурения. Приемы бурения в короткий срок были освоены обслуживающим персоналом. Полученные взрывные полости использовались на Урупском ГОКе для дегазации рудного тела, а также в качестве компенсационной в горнокапитальных выработках. В результате производительность проходчика увеличилась на 15%, а заданное скважиной направление выработки облегчило се контроль со стороны маркшейдерской службы. Экономический эффект уже на стадии промышленных испытании компоновок направленного бурения составил 11,5 тыс.рублей (здесь и далее в ценах 1989 года). Опыт бурения показал, что методика и технические средства уменьшающие искривления скважин являются перспективным направлением улучшения технологических и качественных параметров отбойки руды, а также оказывают влияние на выбор и совершенствование конструкций систем разработки. Для детального анализа была разработана экономико-математическая модель технологии отбойки руды ,в выемочном блоке с увеличенными параметрами подэтажа, учитывающая влияние на оптимум затрат объемов подготовительно-нарезных работ, бурения и выпуска руды при снижении выхода негабарита, потерь и разубожпванпя. Комплексная оценка производилась по ранее приведенным системам разработки, принятым на Урупском и Леииногорском комбинатах.

Прибыль от дополнительных объемов горной массы, которые при этом вовлекаются в технологическую цепочку добычи и переработки руды определяется по формуле:

Пр = - Сб) - {^-^(Ui - Со; (14)

где Сй,. Ci — себестоимость добычи и переработки 1т руды соответственно при базовом и предлагаемом вариантах; I46, Ui — извлекаемая ценность 1т рудной массы; Пб, Рб — потери и разубожпвание руды при базовом варианте отработки блока; Пь

Рх — то же для предлагаемого варианта.

В формуле (14) параметры П1 и Р! являются функциями искривления скважин с глубиной бурения, а в себестоимости С! учитывается изменение затрат при увеличении высоты подэтажа блока Ьвл> в основных процессах добычи. Расчеты показали, что экономически предпочтительным является увеличение высоты подэтажа до 25-30 м при перфораторном бурении и до 60-70 м при использовании буровых станков с погружными пневмоудар-никамп. Установленное оптимальное значение подэтажа позволяет только по основным процессам добычи исследуемых систем разработки снизить затраты на 13-17% при условии сохранения проектной точности буровых трасс. Полученная дополнительная прибыль с учетом качественных показателей отбойки составила 10-12% (рис.4). Резервом дальнейшего повышения эффективности добычи является создание мощных, автоматизированных систем способных осуществлять бурение скважин на больших скоростях глубиной до 60 м и более.

Полученная экономико-математическая модель была положена в основу изменения конструктивных параметров нижней панели блока № 789 на Урупском комбинате. С учетом технических возможностей направленного бурения и параметров устойчивости вмещающих пород веера скважин в блоке ориентировались по простиранию рудного тела, что позволило глубину скважнн увеличить до 25 м при сохранении проектной точности их трасс. Проектное размещение скважин в горном массиве обеспечивалось за счет использования четырехопорной компоновки в буровом станке КБУ-50М ( рис.5 ).

Данное решение позволило достичь высокой концентрации горных работ, сохранить нормативные показатели потерь и раз-убожнвания руды, снизить выход негабарита с 22 до 7 % и расход ВВ на вторичное дробление с 0.11 до 0.075 кг/т. Одновременно производительность скреперной доставки увеличилась в пределах панели на 20% в целом по блоку на 14%.

Экономический эффект от использования нового конструктивного решения в исследуемой системе разработки составил 26,6 тыс. рублей. Суммарный эффект при использовании технологии отбойки на основе уменьшения искривления скважин составил 58,8 тыс. рублен в ценах 1989 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационно» работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки технологии отбойки руды скважинами высокой точности. Применение технологии позволит оптимизировать конструктивные параметры система разработки в направлении повышения эффективности основных процессов добычи при одновременном улучи/снии нормативных показателей отбойки: дробления, потерь и разубоживания руды.

Результаты исследований позволили сформулпропать следующие выводы.

1. Искривление скважин диаметром 50-105 мм в процессе бурения ограничивает их эффективную глубину до 10-12 м. При высоте подэтажа блока 15-20 м нарушение оптимальных параметров отбойки увеличивает выход негабарита на 5-7%, потерь и разубоживания руды на 4-6%.

3. Критерием предельно-допустимого отклонения скважин является его значение равное 0,5-1% от глубины бурения. Существующие методы и технические средства обеспечивают с достаточной точностью бурение вертикальных скважин, тогда как при наклонном бурении отклонения в азимутальной плоскости достигают 3% и более.

3. В наклонной скважине при осевых нагрузках, соизмеримых с собственным весом бурового става, реализуется плоско-горизонтальная форма изгиба. Механизм перехода бурового става от изгиба по одной полуволне к устойчивым формам изгиба высших порядков с 2, 3, ..., п-ым числом полуволп достаточно точно описывается дифференциальными уравнениями второго порядка.

4. Критерий управления, прогнозирующий конечное отклонение буровой трассы, определяется как произведение скорости бурения, угла несоосности бурового става и скважины, а также времени се бурения на полную глубину при минимизации угла между плоскостью проходящей через сечение изогнутого става и вертикальной плоскостью скважины.

5. Формирование трассы наклонной скважины с предельно-допустимым отклонением достигается за счет использования че-тырехопорных схем компоновок бурового става. Для вертикальной скважины эффективны жесткие двух и трехопорные схемы

компоновок.

6. На основе экономико-математическом модели разработана методика выбора рациональных конструктивных параметров выемочного блока с учетом влияния искривления скважин на технологические и качественные показатели отбойки руды.

Схема отработки выемочного блока № 789 принятая (Л-Л) и прслтагасмаи (1>-1>), с отбойкой неерами скважин ориентированных по нростнрашпо рудного тела.

Б-Б

I- панельным це.тнк; 2- камера; 3- буровой штрек; 4- штрек скрепиронаипм; 5- блочный целик; 6- буровой восстающий; 7- скважины высокой точности.

7. Разработанная технология отбойки руды позволила снизить искривление скважин в 2,9-3,3 раза, увеличить высоту подэтажа блока в 2,5-4 раза и получить дополнительную прибыль в размере 10-12%.

8. Разработанное «Методическое руководство по бурению скважин высокой точности» рекомендовано Горным отделом Минмсталлургин СССР дли использования предприятиям, организациям, концернам и внедрено на Урупском, Лениногорском, Тырныаузском и других комбинатах. Получен экономические! эффект п сумме 58,8 тыс. рублей в ценах 1989 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И. Метод бурения скважин высокой точности.- Информационный листок Сев.-Осет. ЦМТИ,-1981-№ 90.-4 с.

2. Старцев Ю.Г., Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И. Опыт бурения скважин высокой точности// Цветная металлургия.-1982.-№ 6-С! 6-8.

3. Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И. Способ повышения точности бурения взрывных скважин// Горный журнал.- 1984.- № 2. — С." 36-38.

4. Моделирование бурового става при бурении взрывных скважин/ Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И., Шуликина Т.К.; Дел. в Ц11И11ЭИцветмет 22.09.86, № 1469-86.

5. Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И. Экспериментальные исследования поведения бурового става в скважине// Тез. докл. IX Всесоюзной конференции по компл. исслед. физических свойств горных пород и процессов.- М., 26-30 января 1987.- С. 54.

6. Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И. Бурение горизонтальных скважин высокой точности прогнозируется критерием стабилизации// Тез.докл. X Всесоюзного науч.-техн. совещания Совершенствование БВР в народном хозяйстве.- М., 27-29 сентября 19S8.-C.129.

7. Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И. Нормальный ряд центраторов для станков подземного бурения.- Информационный листок Сев.-Осет. ЦНТИ.- 1988.- № 114,- 4 с.

8. Влияние точности бурения скважин на выбор параметров систем разработки /Гозюмов С.Г., Гаврилевский О.И.: Дсп. в ЦНИИЭИцветмет 18.01.89. № 1779-89.

9. Разработка компоновок для наклонного бурения взрывных

скважин / Гозюмов С.Г., Гаврилсвскин О.И., Дмитриева H.H.: Деп. в ЦП И11ЭИцветмет 11.12.89, № 1879- 89.

10. Гаврилсвскин О.И., Лкоева Е.И. Прогнозирование процесса износа сменных ребер центраторов// Тез. докл. научн.-техн. конференции, посвященной 60-летию СКГМИ.- Владикавказ, 1991.- с.248.

12. Гаврилсвскин О.И., Бурда В.В. Промышленные испытания технологии бурения скважин с проектной точностью// Горный журнал.- 1992.- № 1.- С. 51-53.

13. A.c. 983248 СССР, МКИ E2IB 17/10. Центратор/ С.Г.Гозюмов, 0.1!.Гаврилсвскин, С.А.Антаманов (СССР).- Опубл. 23.12.82. Бюл. № 47 // Открытия. Изобретения.- 1982.- № 47.-С.40.

14. A.c. 1189984 СССР, МКИ Е21В 7/04. Стенд для моделирования работы бурового става в наклонной скважине/ О.И.Гаврилсвскин и др. (СССР).- Опубл.07.11.85, Бюл. № 41 // Открытия. Изобретения.- 1985.- № 41.- С. 42.

15. A.c. 1461860 СССР, МКИ Е21В 17/10. Центратор бурового става/ С.Г.Гозюмов, О.И.Гаврилсвскин и др. (СССР).-Опу'бл. 28.02.89, Бюл. № 8// Открытия. Изобретения.- 1989,- № 8.- С.56.

/