автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Научно-технические основы создания специализированных буровых инструментов и технологий их применения на карьерах

На правах рукописи

ГИЛЁВ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ НА КАРЬЕРАХ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск - 2005

Работа выполнена на кафедре «Горные машины и комплексы» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет цветных металлов и золота»

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Буткин Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Дворников Леонид Трофимович

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Катанов Борис Александрович

Член-корреспондент РАЕН РФ, доктор технических наук, профессор Нескоромных Вячеслав Васильевич

Ведущая организация ОАО «Рудгормаш»

Защита диссертации состоится 19 октября 2005 г. в 10 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус К, Конференцзал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Автореферат разослан 22 августа 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

_ Н.Н. Страбыкин

МЧ ъяб^

m/Y

3 ' /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и направленность работы. В современном горном производстве одним из главных технологических процессов является бурение взрывных скважин. В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят 60 млн. м скважин, освоение которых при существующем устаревшем оборудовании потребует списочного состава буровых станков более 1500 ед. и расходования в год 160 - 200 тыс. буровых инструментов. Ежегодные эксплуатационные затраты на бурение взрывных скважин могут достигнуть 6 млрд. руб. Из них примерно 60 - 65 % составят затраты на буровой инструмент (БИ). Поэтому создание эффективных БИ и технологий их применения является важной научно-технической задачей.

Большие расходы на буровой инструмент объясняются преимущественным применением на карьерах ресурсоемких и сложных шарошечных долот (ШД) (свыше 80 % от всех объемов). Их стоимость непрерывно повышается, особенно долот увеличенного диаметра (244,5 - 320 мм), масштабы потребления которых интенсивно возрастают по технологическим причинам. Стойкость отечественных ШД в 5- 6 раз ниже лучших зарубежных образцов.

Практика показывает, что выпускаемые шарошечные долота, конструктивные и ресурсные параметры которых изначально рассчитаны на жесткие требования проходки глубоких скважин, не могут соответствовать всем условиям бурения неглубоких взрывных скважин.

В горных породах с относительно небольшим коэффициентом крепости (f = 2-10), составляющих на открытых горных работах значительную долю (от 25 - 35 % на добыче руд, алмазов и строительных материалов и до 85 - 90 % на угольных разрезах), в 1,5-3 раза большую производительность и экономичность по сравнению с ШД могут обеспечить более дешевые и простые режущие долота, а в сложноструктурных породных массивах - долота с зубчато-дисковыми шарошками и различные комбинированные инструменты. Пилотные образцы некоторых видов долот в ряде НИИ и вузов (НИИОГР, ИГД им. A.A. Скочинского, ГУЦМиЗ, ИрГТУ, КузГТУ и др.) разработаны давно, но серийное их изготовление и должное использование не организовано (за исключением режущих долот диаметром 160 мм для шнековых станков) и четкие границы их применения не определены.

Больших изменений при использовании высокопроизводительных долот режущего действия требуют устройства и параметры пневмотранспортных систем буровых станков. Их работа сопровождается выходом из скважины крупнокомпонентных концентрированных пневмосмесей, оптимальные условия стабильного перемещения которых из скважины окончательно не установлены. Следовательно, возникает необходимость совершенствования и разработки новых способов очистки скважин от бурового шлама.

Выпускаемые шарошечные долота являются неремонтопригодными, и 80

% из них преждевременно выходят из строг — —---------D-"-"pc долот

при этом остается невыработанным. Кроме и ении до-

рогостоящий металлокерамический твердый сплав (ВК8В, ВК11ВК и др.), и до настоящего времени нет эффективной технологии переработки изношенных долот, в связи с чем остро стоит вопрос разработки методов вторичных конструктивных преобразований долот и их утилизации.

Таким образом, важное значение приобрела научная проблема теоретического обоснования и разработки эффективных буровых инструментов и технологий их использования на карьерах, решение которой внесет существенный вклад в повышение уровня рентабельности горных предприятий.

Диссертационная работа основана на результатах исследований, проведенных при непосредственном участии автора в течение 1995 - 2005 г.г. на кафедре «Горные машины и комплексы» ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ» по научно-техническим программам Госкомвуза РФ, Министерства образования и науки РФ и по договорам с горнодобывающими предприятиями.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка буровых инструментов и технологий их применения, обеспечивающих интенсификацию процессов разрушения пород, повышение производительности и экономичности бурения взрывных скважин на карьерах.

Основная идея работы заключается в создании эффективных разборных буровых инструментов и способов удаления бурового шлама, соответствующих специфике условий бурения взрывных скважин.

Основные задачи исследований. Указанная цель реализуется решением следующих задач:

1) оценка проблемы и направлений совершенствования конструкций и технологий использования буровых инструментов на карьерах;

2) разработка экономико-математической модели процесса работы системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок» и обоснование эффективных конструктивных и схемных решений буровых инструментов;

3) теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей процесса бурения горных пород, кинематики и параметров (конструктивных, аэродинамических и режимных) долот режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ);

4) изыскание способов и средств повышения эффективности очистки скважин с учетом применения высокопроизводительных буровых инструментов;

5) разработка методов конструктивных преобразований буровых инструментов, их восстановления и утилизации.

Основные защищаемые научные положения диссертации:

1. Эффективное функционирование системы «горная порода - буровой инструмент — буровой станок» достигается созданием специализированных буровых инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью породоразрушающих элементов, а также установлением пропорции между применяемыми типами долот и объемами буримых пород по крепости.

2. Разработанные конструкции и практика применения долот с зубчато-дисковыми шарошками обеспечивают двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарными резцами и расширяют об-

ласть эффективного применения высокоскоростного бурения резанием в слож-ноструктурных породных массивах с Г< 8, имеющих включения до Г = 10 -12.

3. Созданная теория и математическая модель взаимодействия вооружения ДЗДШ с разрушаемой породой, а также конструктивных и аэродинамических параметров с показателями систем очистки скважины от бурового шлама являются достаточной основой для определения рациональных режимов бурения и параметров буровых станков.

4. Предложенный пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство - шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор -обеспечивают рациональный режим очистки, увеличение скорости подъема бурового шлама из скважины, снижение расхода и давления воздуха.

5. Разработанные методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации буровых инструментов значительно повышают эффективность использования их ресурса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием и согласованностью теоретических исследований и опытных испытаний разработанных способов и устройств очистки скважин, конструкций буровых инструментов, способов их конструктивных преобразований; применением методов смещенных гипербол, статистического и математического анализа, конечно-элементных технологий моделирования (численных методов расчета), а также кинематических исследований новых буровых инструментов. Научно-технические рекомендации и разработки диссертации подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытаний новых буровых инструментов, технологий их восстановления и способов удаления бурового шлама, проведенных на карьерах Сибири и Хакасии.

Научная новизна результатов исследований состоит в:

- разработке экономико-математической модели системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок», включающей описание процесса вращательного бурения методом смещенных гипербол;

- обосновании целесообразности создания разборных буровых инструментов с возможностью многократного использования деталей, взаимозаменяемости по-родоразрушающих элементов и для применения в широком диапазоне изменения горно-технологических условий бурения;

- обосновании осевых усилий, необходимых для устойчивой работы долот с зубчато-дисковыми шарошками;

- разработке пневмо-эжекционного способа и устройства очистки скважины от бурового шлама;

- оценке влияния конструктивных, аэродинамических, кинематических и технико-экономических параметров долот с зубчато-дисковыми шарошками на эффективность процесса бурения;

- обосновании способов конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента;

- разработке экономико-математических моделей забойного процесса для сравнительной оценки и прогнозирования эффективности буровых инструментов с

учетом их новых конструктивно-потребительских качеств и конструктивных преобразований.

Практическая и методологическая значимость результатов работы состоит в разработке:

- ряда новых видов специализированных буровых инструментов, способных осуществлять эффективное бурение взрывных скважин в расширенных диапазонах изменения горно-геологических условий и составить успешную конкуренцию дорогим отечественным и зарубежным шарошечным долотам;

- буровых долот с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗД1Н), обеспечивающих в сложноструктурных породных массивах с Г < 8 (при наличии включений до Г = 10-12) повышение скорости и экономичности бурения в 1,3 - 1,5 раза по сравнению с шарошечными долотами и увеличение стойкости породоразрушающих элементов в 2 раза по сравнению с режущими долотами;

- методики определения рациональных конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса очистки скважины от бурового шлама;

- методики определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих устойчивую работу их с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот;

- пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама и шнекового пнев-мо-эжекционного эвакуатора, повышающих эффективность процесса очистки скважин при бурении сложноструктурных породных массивов и снижающих энергоемкость процесса очистки скважин;

- методов конструктивных преобразований бурового инструмента, обеспечивающих повышение ресурса работы долот и снижение расходов на бурение;

- методов извлечения твердосплавных зубьев из отработанных шарошечных долот, что приводит к экономии ресурсов;

Реализация результатов работы. В научно-технических программах, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:

- «Исследование и разработка перспективных способов и устройств бурения крепких пород», № гос. регистрации 01900059971, 1995 г. Заказчик: Госкомвуз РФ;

- «Разработка технологии, проектирование участка и изготовление шарошечного и режуще-вращательного бурового инструмента», № 390/98, 1998 г. Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- «Теоретические основы извлечения твердого сплава из бурового инструмента с целью его вторичного применения». Единый заказ-наряд, 1996-1998 г.г. Заказчик: Минобразования РФ;

- «Разработка перспективных способов и устройств для бурения крепких пород», 1999 г. Заказчик: Минобразования РФ;

- «Проектирование участка, разработка технологии изготовления и восстановления бурового инструмента», № 852/00, 2000-2002 г.г. Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- «Разработка и поставка разборных буровых долот режущего действия», № М-04-01,2004 г. Заказчик: ООО «Черногорская угольная компания»;

- «Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов»; № гос. регистрации 01200309829; НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003-2004 г.г. Заказчик: Министерство образования и науки РФ.

В промышленности:

- проект участка, техническая документация для изготовления специализированного бурового инструмента и технология восстановления долот приняты к использованию в ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- опытная партия долот ДЭДШ-244,5-3 и ДЗДШ-244,5-4 реализована на Ма-зульском известняковом руднике, в ОАО «Угольный разрез "Чалпан"» и на разрезе «Черногорский» ООО «Черногорская угольная компания»;

- технологическая документация на изготовление специализированных долот (РШД-244,5-3, ДЭДШ-244,5-3 и ДЗДШ-244,5-4) принята к реализации в ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод»;

- конструкторская документация на изготовление шнекового пневмо-эжекционного эвакуатора бурового шлама (ШПЭ-244,5) передана в ООО «Сор-ский горно-обогатительный комбинат», по которой создан опытный образец устройства;

- пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и устройство ШПЭ-244,5 испытаны на Мазульском известняковом руднике ОАО «АГК»;

- экономико-математическая модель оценки эффективности работы бурового инструмента используется в ОАО «АГК» при выборе и приобретении долот отечественного и зарубежного производства.

В учебном процессе:

- основные резулыаты диссертационной работы, изложенные в пяти учебных пособиях (2 - автор A.B. Гилев, 3 - авторы В.Д. Буткин и A.B. Гилев) и двух монографиях, используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»;

- стенд «Пневмо-эжекционный способ очистки скважин» применяется в научно-исследовательских работах студентов и аспирантов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались:

- на Международных конференциях: «Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых» (Красноярск, 1996 г.); по открытым горным работам (Москва, 1996 г., 1998 г.); «Проблемы разработки месторождений глубоких карьеров» (Челябинск, 1996 г.); «16ТН ANNUAL ISTD TECHNICAL CONFERENCE» (Las Vegas, Nevada, USA, 1996 г.); Всероссийской научно-практической конференции и выставке с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999 г.); «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений» (Мирный, 2001 г.); на научных симпозиумах «Неделя Горняка» (Москва, 1999, 2005 г.г.); «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании» (Пенза, 2003 i.); «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2004, 2005 г.г.);

- на Всероссийских конференциях: «Перспективные материалы: получение и технологии обработки» (Красноярск, 1998 г.); «Перспективные материалы, тех-

нологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 1998, 2001, 2002 г.г.), VII Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» и III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003 г);

- на научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2003 г.), на конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва, 2004 г.).

Личный вклад соискателя в работу состоит: в постановке цели и задач диссертационной работы; создании ряда конструкций специализированных буровых инструментов (защищенных патентами) и их систематизации; научном обосновании рациональных режимов бурения долотами ДЗДШ; усыновлении влияния конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ на закономерности движения бурового шлама при пневматическом и шнекопневма-тическом способах очистки скважины; в разработке пневмо-эжекционного способа эвакуации бурового шлама и устройства для его реализации; разработке ряда методов конструктивных преобразований и утилизации буровых инструментов с обоснованием их эффективности применения.

Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором.

Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору В.Д. Буткину за научные консультации и неоценимую методологическую помощь при работе над диссертацией. Отдельная признательность - доценту В.Т. Чеснокову за помощь в проведении опытно-промышленных испытаний и оформлении работы. Автор благодарит инженерно-технические персоналы ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Сибинстрем» за оказанную помощь в реализации предложенных научных разработок.

Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 75 научных работ, в том числе 2 монографии, 5 учебных пособий, 9 статей в центральных изданиях, представлено 10 докладов на международных научно-практических конференциях, получено 14 патентов на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 23 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 386 страниц машинописного текста, включая 120 рисунков, 42 таблицы и библиографический список литературы из 167 наименований.

Введение содержит обоснование актуальности работы, основные научные положения диссертации, ее научную и практическую значимость.

В первой главе дана оценка проблемы и перспективных направлений совершенствования конструкций и технологий использования буровых инструментов на карьерах, определены задачи и методы исследований.

Во второй главе изложены теоретические основы создания специализированных долот для открытых горных работ и даны методики оценки эффективности функционирования системы «горная порода - буровой инструмент -буровой станок».

Третья глава посвящена выбору и разработке базовых моделей специализированных буровых инструментов. Дана их систематизация по конструктивным признакам и области применения.

Четвертая глава содержит исследование и разработку долот режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками. На основе кинематических исследований дано обоснование двукратного повышения стойкости долот ДЗДШ по сравнению с режущими долотами со стационарными резцами.

В пятой главе представлены исследования режимов работы долот с зубчато-дисковыми шарошками и способов очистки скважин от бурового шлама с учетом конструктивных и аэродинамических параметров ДЗДШ. Рассмотрены результаты опытно-промышленных испытаний долот ДЗДШ и нового способа очистки скважин от бурового шлама.

В шестой главе изложены методы конструктивных преобразований бурового инструмента, его восстановления и утилизации. Приведены результаты опытно-промышленных испытаний восстановленных долот и дана методика технико-экономической оценки эффективности их работы.

В заключении обобщены основные результаты, полученные в работе.

В приложении приведены материалы о реализации основных технических решений, предложенных в диссертационной работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Значение и теоретические предпосылки создания эффективного бурового инструмента для открытых горных работ

Изучению вращательного бурения горных пород посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых, осветивших в той или иной степени разные стороны этого процесса.

Существенный вклад в разработку и решение вопросов, связанных с развитием техники и технологии буровых работ, внесли О.Д. Алимов, Г.В. Арци-мович, Т.Г. Агошашвили, В.Д. Буткин, П.В. Борденов, Д.Н. Башкатов, Г.Д. Бревдо, К.Е. Винницкий, JI.T. Дворников, A.A. Жуковский, К.И. Иванов, Б.Н. Кутузов, Б.А. Катанов, Л.И. Кантович, М.Г. Крапивин, Е.Д. Карпухин, Н.В. Мельников, И.Э. Наринский, П.П. Назаров, М.М. Протодьяконов, В.А. Пере-толчин, Р.Ю. Подэрни, В.В. Ржевский, Н.Я. Репин, А.Ф. Суханов, Б.А. Симкин, H.H. Страбыкин, И.А. Тангаев, Г.С. Филиппов, В.В. Царицын, Ф.А. Шамшев, К. А. Чефранов, Е.Ф. Эпштейн и др.

Большой вклад в создание специального породоразрушающего инструмента внесли Д.Н. Башкатов, В.Д. Буткин, Б.В. Брюхов, А.Е. Беляев, В.М. Го-рячкин, И.К. Владимирцев, Я.Н. Долгун, В.И. Дусев, Б.А. Катанов, Ю.М. Коле-дин, М.Р. Мавлютов, Б.Р. Ракишев, B.C. Травкин, A.B. Телешов, Ю.П. Шеме-тов, О.В. Чернецкий, Е.В. Чудогашев, М.К. Якушин и др.

Кроме работ, непосредственно относящихся к технологии бурения на открытых горных работах, были изучены научные труды по теории разрушения горных пород, в области совершенствования бурового оборудования и бурения глубоких скважин: Л.И. Барона, М.Г. Бингхэма, Л.Б. Глатмана, B.C. Владислав-лева, Б.И. Воздвиженского, Ю.Е. Воронова, Г.Р. Кинга, Н, Маковея, Ю.Ф. Потапова, В.П. Рожкова, С.С. Сулакшина, В.В. Симонова, B.C. Федорова, JI.A. Шрейнера, P.M. Эйгелеса и других исследователей.

Проблемам удаления бурового шлама из скважин посвящены научные работы Н.П. Елманова, Б.Н. Кутузова, Б.А. Катанова, А.И. Кирсанова, Б.Б. Куд-ряшова, А.Т. Лактионова, Ю.С. Лопатина, Г.М. Осипова, A.A. Перегудова, Б.А. Перетолчина, Б.С. Филатова и др.

Значительное влияние на современное состояние и развитие буровой техники оказали работы ряда производственных организаций, учебных, проектных и научно-исследовательских институтов: ОАО «Рудгормаш», ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Уралбурмаш», СПбГТУ, СибГИУ, МГУНиГ, МГРА, ИПКОН РАН, НИИОГР, ИГД СО РАН, ВНИИБТ, ВНИИТС, МГГУ, КузГТУ, ИрГТУ, ИГД МЧМ РФ, ГУЦМиЗ, ИГД Севера СО РАН и др.

Однако возможности вращательного бурения взрывных скважин далеко не исчерпаны как на уровне техники и технологии, так и на уровне теоретических основ. Практика и современные условия буровых работ выдвинули ряд новых задач, требующих дальнейших научных исследований.

Соотношение различных способов бурения зависит от многих факторов (горнотехнических, экономических), но главным образом - от горногеологических условий и крепости пород. По данным НИИОГР на разрезах России примерно 60 % объема буримых пород характеризуются коэффициентом крепости f < 7 (табл. 1), при бурении которых наиболее высокие технико-экономические показатели имеют долота режущего действия (РД).

Таблица 1

Соотношение вскрышных пород с разными значениями f на разрезах России

Соотношение вскрышных пород, (%)

Характеристика горных по- f Кузбас- Канско-Ачинский Южно- Восточно-

род ский и Минусинский Якутский Сибирский

бассейн бассейны бассейн бассейн

Четвертичные отложения - 16 6,3 7 32

Алевролиты и аргиллиты 1-6 15 57,4 10,5 25

Песчаники:

крупнозернистые 3- 5 5 3,8 18,1 20

среднезернистые 6-8 11 11,2 22,8 2

мелкозернистые 8-12 31 21 38,6 18

Конгломераты, галечники, 8-16 22 0,3 3 3

крепкие известняки

Всего: 100 100 100 100

Однако, практически на разрезах режущими долотами выполняется лишь 30 - 35 % объема буровых работ, а остальные 65 - 70 % - шарошечными доло-

и

тами. В других отраслях горной промышленности доля использования режущих долот еще меньше, хотя возможности их применения значительны.

Установление пропорции между соотношением применяемых долот по типам (ШД, РД, и др.) и соотношением объемов разрабатываемых пород по крепости только по разрезам угольной промышленности позволяет повысить среднюю производительность буровых станков со 182 до 280 м/смену (рис. 1) и снизить удельные затраты на бурение 1м скважины более чем в 1,5 раза, что характеризуется экономией ресурсов по отрасли на несколько млрд. руб. Пб,м/см 5,рс/г/м

Рис 1. Повышение производительности (1) и снижение удельных затрат на бурение 1 м скважины (2) на разрезах при увеличении объемов буровых работ долотами режущего действия

Аспекты проблемы бурового инструмента многообразны. Буровое долото является не только основной функциональной частью бурового станка, но и важнейшим элементом технологии буровых работ. Схема комплекса факторов, определяющих эффективность работы долота, представлена на рис. 2.

Рис 2 Комплекс факторов, влияющих на эффективность работы бурового долот Г - крепость горной породы, - контактная прочность породы а - абразивность породы, рг - плотность породы, я- - обволнснпость горного массива, \аг -характер изменения свойств горных пород, С'а -стоимость долота, у - ресурс стойкости до юга.

аэродинамическая характеристика до юта. Ка-конструктивный тип (особенности) долота (ШД ДЗД111, РД и т д), с1 - диаметр долота I* - режимные параметры (Р - осевая нагрузка, о - скорость вращения Р - расход воздуха), V,, - скорость подачи, К,- мощность вращателя. 1с -1 1убина скважины. /,.- стойкость (проходка на доюш). V, -скорость бурения, Ьр удельная жергоемкость рз¡рушения породы (N1,

Основными входными переменными факторами, влияющими на эффективность работы бурового инструмента, являются: со стороны забоя скважины - свойства массива горных пород, а со стороны бурового станка - режимные параметры (Р, Р, со) Для оценки качества и эффективности использования долота важное значение имеет зависимость его текущей проходки / от времени бурения. Определение конкретного вида кривых бурения /(/) для различных конструкций долот с учетом горно-геологических условий и режимов бурения является одной из

Свойства горных порол Гмока

{ Р* а Рп уаг

важнейших задач в теории бурения. Поэтому исследователями предложено несколько зависимостей /(/) и , как правило, степенных с трудно определяемыми эмпирическими коэффициентами.

Проф. М.М. Протодьяконов (младший) установил, что при бурении резанием шпуров и скважин твердосплавными коронками зависимости /(?) и У(() носят асимптотический характер и хорошо описываются уравнениями смещенных гипербол.

Обработка полученных в ходе выполнения настоящей работы экспериментальных данных по методу смещенных гипербол показала, что процесс бурения современными шарошечными долотами (как классического типа, так и с зубчато-дисковыми шарошками) можно аппроксимировать смещенной гиперболой вида

/(О =1Т •//(/ +/0). (1)

где /г - теоретическая максимальная проходка долота, t0 - постоянная времени бурения.

Преобразованием координат уравнение (1) приводится к линейному виду

(2)

' + ', = Г.

1Т I

что позволяет на основе опытных данных определить параметры 1Т и /0 не

только расчетным, но и графическим способом (рис. 3).

Проф. В.Д. Буткин выявил важное, ранее не отмеченное соотношение

1,-к <Р~Г0

(3)

а также зависимость механической скорости бурения от текущей проходки:

П, (4)

т = ы 1

1т

где У0 - начальная скорость бурения; ср - коэффициент интенсивности падения скорости бурения вследствие изнашивания долота. е

к го

Ьр*0,О0вг ¿т = ггзн

Гг 1 1

■по •бо 0 60 по 1Ю ?,мо»

Рис 3 Общий вид зависимости (а) и ее линеаризация (б) по опытным данным бурения долотами ДЗДШ-244,5-4 (станок РД-10) на Черногорском разрезе

График зависимости (4), поясняющий методику определения параметров /7 и «р по опытным данным, представлен на рис. 4. Сопоставление (3) и (4) пока-

зывает соответствие уравнения (4) известной экспоненциальной зависимости общего характера и следующей из нее формулы

V(l) = V0-<p.l. (5)

Зависимость вида (5) имеет место в глубоком бурении (Г.Д. Бревдо, К.А. Чефранов), а ее графическая интерпретация (рис. 4) в несколько иной форме отмечена проф. Ф.А. Шамшевым в области геологоразведочного бурения твердосплавными коронками. Это подтверждает общий характер зависимостей для всех видов бурового инструмента вращательного бурения и правильность их описания смещенными гиперболами. В отличие от твердосплавных коронок при использовании шарошечных долот в формулы функций V(j) и V(t) нами вводится ордината асимптоты I,.

Рис. 4. График зависимости VQ) = К0-'/!,)= К-</>1 при бурении долотами с зубчато-дисковой и конусной формами шарошек: VK<¡ и 1К0 - соответственно скорость бурения и проходка долота в конце области объемного разрушения пород с показателем интенсивности <р

0!ллсть Объемною, рсирушения

Проведенные автором данной ра_-.с . боты теоретические исследования

0 о Л £т С позволили сформировать математи-

ческую модель забойного процесса работы существующих и новых буровых инструментов в виде совокупности следующих зависимостей:

= (7)

l(t) = V0-t/(\ + <p-t), (6)

<р

v = 7t = (8)

У(1) - К\ 1

= Vo-9-¡.

(9)

Установленные зависимости, характеризующие забойный процесс работы долота, входят составной частью в выражение (модель) критерия оптимальности системы «горная порода - буровой инструмент буровой станок» (ГП-БИ-БС), учитывающее параметры станка и обширный комплекс горногеологических и технико-экономических условий бурения (рис. 5).

Среди ряда критериев оценки эффективности функционирования системы ГП-БИ-БС (удельная энергоемкость, производительность и др.) наиболее общим и представительным критерием являются удельные затраты на бурение 1 м скважины.

Математически для проектных целей принятый технико-экономический критерий в самом общем виде выражается уравнением

$ = + (10) где Б - удельные затраты на бурение, руб/м; Си- стоимость долота, руб; г„-удельные затраты времени на вспомогательные операции, мин/м; у - стоимость машино-часа работы станка, выраженная соотношением у - А/{Т^ г}); А - стой-

мость машино-смены, руб; Тс - продолжительность смены, ч; т] - коэффициент эффективного использования станка в течение смены.

Рис 5 Факторы, определяющие процесс и эффективность работы бурового станка' А -стоимость машино-смены: С'^., - стоимость станка; (1 - диаме1р применяемых долот: 1в -затраты времени на вспомогательные операции; Н - параметры надежности станка; К -установление режимов бурения (Р. О, <»): Т — продолжительность смены; // - коэффициент эффективного использования станка в течение смены; I. — глубина скважины; У0 -скорость бурения: и - стойкость долота. П — сменная протводшелыюсп, станка, Ь — удельные шграты на б>рение 1 ч скважины; Е,-, — энергоемкость процесса бурения (с > четом энергозатрат на >вак\ацию бурового шлама из скважины); XV — сопротивление по подошве уступа (сетка скважины)

В уравнение (10) входят текущие значения скорости бурения V и проходки долота /, которые выражаются в различных формах в зависимости от решаемых задач, поэтому и математическая модель (10) также изменяется при сохранении общей структуры. Введя в (10) функцию (9), получим

S{l) = tв.y + yl{Vй-<p■l)+Cdll. (П)

Условие <1$1сЯ = 0 приводит к формуле оптимальной стойкости долота

( I- ^ ' 4

1~т=Уа --1

опт и

Уч. ,

Анализ с помощью уравнений (11) и (12) опытных данных по эксплуатации шарошечных долот показал, что в себестоимости 1 м взрывных скважин затраты на ШД даже при рациональных режимах работы могут превышать другие затраты (в крепких и абразивных породах в 2 - 3 и более раз) из-за высокой их стоимости и плохой адаптации к различным горным породам.

Низкая адаптация шарошечных долот к изменяющимся горногеологическим условиям бурения, как органический недостаток шарошечного бурения, наиболее рельефно проявляется на разрезах, где преобладают сложно-структурные уступы с частым чередованием горных пород с коэффициентом крепости в диапазоне f = 1-8, в меньшей степени до Г = 10-12. В итоге потенциальные возможности шарошечного способа не используются.

Результаты анализа привели к выводу о целесообразности создания для карьеров разборных долот с корпусом многократного использования сменных шарошек (конусной или зубчато-дисковой формы) с различным вооружением для широкого диапазона условий бурения. Такая задача ставилась и ранее в области глубокого бурения, но надежное решение не было найдено.

С

(12)

В настоящее время повсеместно применяется трехшарошечный буровой инструмент одноразового использования и при отказе даже одного из элементов долото отправляют в металлолом при неиспользованных затратах на довольно сложную корпусную часть.

Стоимость корпусной части, изготавливаемой из высококачественных легированных сталей по многооперационной технологии, составляет 30 - 50 % от стоимости всего долота. Ресурс корпусной части долота, как показали промышленные испытания разборных ШД типа ДЗДШ, оценивается проходкой 20 - 40 км скважин в зависимости от абразивности и твердости пород.

Коэффициент, учитывающий увеличение ресурса разборного шарошечного долота (РШД), в экономическом отношении можно представить следующим выражением:

. (13)

где Ку - коэффициент увеличения экономического ресурса РШД по сравнению с неразборным ШД; п - число сменных вооружений (шарошек с опорами), которое может быть использовано на одном корпусе; К| = CK/Cd - соотношение стоимости неразборного долота Cd и его корпусной части Ск. Экономия удельных затрат AS при использовании РШД составляет, руб/м:

о«>

где 1В - стойкость сменного вооружения РШД, м.

В результате обработки большого объема опытных данных (1433 отработанных долота в породах с f = 3-20) В.Д. Буткиным, A.C. Телешовым и Б.Ф. Брюховым установлена зависимость стойкости ШД от коэффициента крепости пород f, которая удовлетворительно описывается уравнением

ld=R!f\ (15)

где R - интегральный коэффициент, обобщенно характеризующий уровень качества шарошечных долот.

Корреляционные отношения зависимости (15) составили ч, ,=0,82 и tjfn =0,7. Это свидетельствует о том, что стойкость ШД на 70-80 % зависит от крепости (свойств) пород и только на 20-30 % от прочих факторов.

Из (14) и (15) следует

&S = CK- /^l-ij/Ä (16)

Каждый типоразмер долота имеет свой коэффициент качества R, среднее значение которого может быть определено по опытным данным карьера, пользуясь формулой (15). Эффективность РШД возрастает в квадратичной зависимости от f и оказывается весьма значимой. Например, в условиях Мазульского известнякового карьера переход на РШД на базе серийного долота 111250,8 ТКЗ-ПГВ в породах крепостью f=8-10 характеризуется экономией AS=15,3 руб/м (табл. 2). При этом годовая экономия по карьеру (10 станков СБШ-250 МНА) может составить около 3 млн. руб.

Экономико-математическая модель системы «ГП-БИ-БС», учитывающая особенности применения разборных шарошечных долот, имеет следующий вид:

Б(1) = ь-Г + г'(Уо-Ч>-П + Сл{\ + К,1п-К1)/1. (17)

Для сравнительной оценки разборных и неразборных буровых инструментов с различными показателями скорости бурения и стойкости вооружения, с учетом выражения (17), использована следующая зависимость:

Д5 = Л

Л -Я

п„ • л„

с„

_ч

с.

' I

(18)

где ДБ - разница в удельных затратах на 1 м бурения (при экономии с положительным знаком, при удорожании - с отрицательным), руб/м; П„ и Пр - сменная производительность станка соответственно при бурении неразборным и разборным долотом, м/см; С„ и 1и - соответственно стоимость (руб) и стойкость (м) неразборного долота; Спрэ и /„рт - соответственно стоимость и стойкость породо-разрушающих элементов разборного долота; Ск и /, - соответственно стоимость и стойкость корпуса разборного долота.

В табл. 2 приведены результаты расчетов применительно к бурению скважин долотами различных типов диаметром 244,5 и 250 мм станками СБШ-250 МНА-32 на Мазульском известняком руднике. Скорость бурения и стойкость долот приняты по результатам испытаний, проведенных под руководством и при непосредственном участии автора работы. Величина А=6000 руб. Стоимость корпусов Ск принята от 40 % (для разборных ШД) до 50 % ( для ДЗДШ) от стоимости долот. Величина /, = 20-40 км.

Таблица 2

Экономическая эффективность бурения серийными, зарубежными и специализированными (разборными) шарошечными долотами. Горная порода - извест-

Тип долота с, тыс. руб V, м/ч П. м/см Ь, м Удельные затраты на бурение, руб/м Разница (срав ная) удельных на 1м, читель-затрат руб/м

Серийное ШД РШД 1 СП РШД а

111250,8 ТКЗ-ПВ 34 29 134 816 86,4 71,1 - -45,8 +15,3 +15,8

Ш244.5Т-ПГВ 16 19 100 613 89,9 80,1 - -42,3 +9,8 +19,3

Тегга-5, Тегга-б 133 29 134 1530 132,2 - - - - -

ДЗДШ-244,5 12/6 45 199 150 - 70,6 - ■ -

Примечание: РШД - разборные долота; ЗД - зарубежные долота типа Тегга-5 и Тегга-6.

Данные табл. 2 показывают, что в рассматриваемых условиях ^ = 8-10) использование дорогих ШД зарубежного производства не дает эффекта, в то время как применение разборных ШД (на базе отечественных моделей) обеспе-

чивает значительное снижение затрат на буровые работы. Зарубежные долота повышенной стойкости, очевидно, эффективны в породах высокой крепости (f = 15-20) и абразивности, а также в глубоком бурении на нефть и газ.

Характерен результат по шарошечному долоту режущего действия типа ДЗДШ. При заданной стойкости его вооружения (150 м), в 4 раза (в среднем) меньшей (но гарантированной), оно даже в критической для бурения резанием области оказывается экономичнее по сравнению с серийными шарошечными долотами за счет меньшей стоимости, простой конструкции, разборности, многократности использования корпуса, высокой скорости бурения и ничтожности затрат времени на замену изношенного вооружения на новое.

Выдвинутые принципы создания специализированных разборных долот вначале были практически осуществлены и проверены обширными промышленными испытаниями на примере разборных шарошечных долот со сменными зубчато-дисковыми шарошками, имеющими в зависимости от условий бурения различное исполнение вооружения (рис. 6).

В отличие от серийного шарошечного долота ось вращения зубчато-дисковой шарошки перпендикулярна к диаметральной плоскости долота.

£яЯEPEf ч

1

бНННГ^

а

Рис. 6. Разборные долота с зубчато-яисковыми шарошками- трехшарошсчное (а) диаметром 160 мм; трех - (б) и четырехшарошечное (в) диаметром 244,5 мм (патент № 2250344)

Такая ориентация зубчато-дисковой шарошки позволила применить простые и надежные опоры скольжения и коренным образом изменила кинематику работы по сравнению как с ШД, так и с применяемыми РД со стационарными резцами. На базе указанного вида специализированного бурового инструмента разработаны конструкции долот с дисковыми и зубчато-дисковыми шарошками с регулируемыми диаметром и частотой вращения, а также углами наклона шарошек в вертикальной и горизонтальной плоскостях забоя скважины.

Конструктивно- юхнологические признаки разборности, многократного использования корпуса и применения сменных породоразрушающих элементов в работе распространены на долота с конусными (рис. 7), полусферическими (рис. 8) и сферическими шарошками (рис. 9).

На одном корпусе разборного долота можно применять сменные шарошки различного типа (Т, ТЗ, К и х.д.). Они монтируются fie на свариваемых между собой лапах, а на сменных секциях, хвостовики которых вставляются в пазы цельного массивного корпуса так, что все долото работает как единый объем и обладает достаточной прочностью в тяжелых условиях работы. Наиболее простыми и надежными являются двухшарошечные долота (рис. 7, а), принцип построения которых пригоден для долот любого диаметра.

Рис. 7. Схемы разборных долот с конусными шарошками (РШД): а - двухшарошечное (патент№ 2182213); б - двух -и трехшарошечное (патент № 2191245); 1 - корпус, 2 -хвостовики сменных секций, 3 - шарошки, 4 - упорный подшипник скольжения, 5 — крепежный стержень, 6 - серийная опора, 7 - крепежные элементы (вариант), 8 - подшипник скольжения, 9 - шнек для циркуляции смазки

Опоры РШД могут быть освоенной конструкции (рис. 7, а) на переходный период, а в дальнейшем выполнены на подшипниках скольжения (с плавающей втулкой), герметизированными и маслонаполненными (рис. 7, б).

Разборное долото с полусферическими шарошками (рис. 8) для соответствующих условий бурения снабжено комплектом сменных секций, оснащенных шарошками с различным вооружением (штыревым, фрезерованным или резцовым). Вертикальные опоры скольжения обеспечивают большие осевые нагрузки на долото. Эксцентриситетное исполнение секций дает возможность изменения его диаметра с обеспечением рациональных размеров затрубного пространства В и окружной скорости шарошек, уменьшения износа корпуса.

Рис 8 Схема разборного долота с полусферическими шарошками (патент № 2228423): 1 - корпус; 2- смазочный канал; 3 - сменная секция; 4 - уплотнение; 5 - шарошка; 6 - упорный подшипник; 7 - упорный стержень; 8 - цапфа; 9 - замковый подшипник

При планетарном характере движения шарошек с цилиндро-шаровой формой и нижней рассечкой шарошек создается благоприятная эпюра окружных усилий, когда нижние венцы обеспечивают условия разрушения для верхних резцов. Принятая форма шарошек вместе с центральным продувочным каналом обеспечивает успешную проходку скважин в осложненных условиях, характеризующихся сочетанием карстовых зон, валунов и вязких глин.

В разборном долоте со сферическими шарошками (рис. 9) расположение цапф под острым углом к вертикальной оси долота позволяет создать большие осевые усилия на шарошки, что обеспечивает его эффективную работу в крепких породах при силовых режимах бурения.

Для горно-геологических условий, в которых долото работает с сопоставимым сроком службы всех элементов (породы трещиноватые, однородные, средней крепости) долото выполняется цельнокорпусным, с возможностью замены шарошек (рис. 9, а). При бурении крепких пород шарошки устанавливают

на цапфах, расположенных на сменных секциях (9, б). Для различных условий бурения применяют секции с соответствующим углом а.

Рис. 9. Схемы РШД со сменными сферическими шарошками, устанавливаемыми в корпус (а) и ва секциях (б) (решение о выдаче патента № 2003137271/03): 1-корпус; 2-иапфа; 3-смазочные каналы; 4-уплотнение; 5-подшипних; б-стопор; 7-замковый подшипник; 8-шарошка; 9-упорный стержень; 10-упорный подшипник; 11 -сварочное соединение; 12- сменная секция

Специализированный буровой инструмент систематизирован по конструктивным схемам исполнения и условиям применения (табл. 3).

Таблица 3

Вид долота Модифика- Количество Диа- Тип Способ Типизирован-

(базовая мо- ция ПРЭ; (вид метр;мм станка очистки ные условия

дель) опор) (воору- сква- применения

жение) жины

Долото с дздга-пд rn.iv 160-320 СБШ П,ШП, Сложнострук-

зубчато- ДЗДШ-РД И, III (ВЗ, СБР ПЭ турные масси-

дисковыми ДЗДШ-РВ II ВП, ФЗ) СВБ вы с £-1-8

шарошками ДЗДШ-РУ III БТС (включения до

(ДЗДО1) ДЗДШ-РД III МО-12)

ДЗДШ-УК IV

ДЗДШ-КС III,тсю

Разборное до- РШД-К-Ц И, (К-СК) 160-320 СБШ п, Породы сред-

лото с конус- РШД-К-И 11,Ш(СК) (ВЗ, ПЭ ней крепости и

ными шарош- ФЗ) крепкие (Г»6-

ками (РШД-К) 12)

1 Разборное до- РШД-УС-В п, (ск, кГ 250-320 СБШ П, Крепкие и

1 лото со сфери- РШД-С-Н 1П(СК, К) (ВЗ, ПЭ очень крепкие

> ческими ФЗ) породы с

1 шарошками (М0-18)

1 (РШД-С)

Примечание: ПРЭ - породоразрушающий элемент; ПД, РД, РВ, РУ - долото соответственно с постоянным, регулируемым диаметром, регулируемой скоростью вращения ПРЭ, регулируемыми углами наклона ПРЭ; К, УК, КС долото соответственно с конусными шарошками, дисками в форме усеченного конуса, со сменным корпусом; II, ГО, IV - количество ПРЭ и опор; СК и К - опоры скольжения и качения; П, ШП и ПЭ - пневматическая, шнекоп-невматическая и шевмо-эжекционяая очистка; ВЗ, ВЛ и ФЗ - вставные зубья, вставные пластины и фрезерованные зубья; Ц, И соответственно централизованное и индивидуальное крепление ПРЭ; В, Н - с вертикальными и наклонными опорами.

Одной из важных характеристик бурового инструмента является его напряженно-деформированное состояние (НДС), которое для конструкций разборного бурового инструмента (РБИ) рассмотрено как проектный параметр. НДС одного из видов РБИ (рис. 7) исследовано совместно с C.B. Дорониным с применением конечно-элементных технологий моделирования. Прочностные расчеты НДС элементов разборного бурового инструмента выполнены при условии максимальных нагрузок, действующих на долото со стороны бурового станка и забоя скважины (при взаимодействии с породой), и неравномерного их распределения по элементам РБИ (рис. 10).

Видно, что исключение в РБИ консольных выступающих элементов (кроме шарошек) и отсутствие резкого изменения сечений приводят к тому, что все долото работает как единый объем. Внешние усилия распространяются на сплошное массивное тело, что приводит к незначительным величинам напряжений и отсутствию слабых мест в конструкции долота. При распределении нагрузок на все шарошки напряжения в теле долота не превышают 5-10 МПа. В зонах крепления шарошек они достигают 50 МПа.

□ :ь 39

□ :: :

Рис 10 Напряженное состояние элементов разборного бурового инструмента при работе с максимальными нагрузками а - корпуса по длине; б - корпуса в горизонтальном сечении; в -сменной секции, г - соединительная ось

При работе одной шарошкой (неравномерные нагрузки на долоте) одна сторона долота оказывается нагруженной более другой до уровня 20 МПа (рис. 10, а). В зонах приложения нагрузки в теле долота напряжения достигаю! 90 МПа (рис. 10, б), а в месте соединения сменной секции с корпусом, воспринимающим нагрузку на долото, напряжения не превышают 20 МПа (рис. 10, в). Несущая конструкция соединительного узла в локальных зонах испытывает пиковые нагрузки до 120 МПа (рис. 10, г).

Полученные распределения полей эквивалентных напряжений при двукратной максимальной нагрузке показывают, что работоспособность долота с точки зрения прочности его наиболее ответственных и нагружаемых элементов не вызывает сомнений.

Конструктивные особенности предложенных специализированных долот позволяют принципиально изменить и существенно упростить технологию изготовления бурового инструмента, которая может быть поточной и автоматизированной, с применением литья и штамповки деталей, а также армирования шарощек с помощью автоматов пайки-закалки.

Таким образом, обосновано первое научное положение:

Эффективное функционирование системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок» достигается созданием специализированных буровых инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью породоразру-шающих элементов, а также установлением пропорции между применяемыми типами долот и объемами буримых пород по крепости.

2. Разборные долота режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками как перспективный вид бурового инструмента

Большое распространение на карьерах (особенно угольных) сложно-структурных уступов с Г = 2-10 потребовало создания для таких условий простого и дешевого бурового инструмента режущего типа.

В итоге теоретических и экспериментальных исследований создан шарошечный буровой инструмент режущего действия с радикальным изменением геометрических и кинематических параметров - долота с зубчато-дисковыми щарошками (ДЗДШ).

Новый тип бурового инструмента (рис. 6) занимает промежуточное положение между режущими долотами со стационарными резцами и шарошечными долотами классического типа.

Зубчато-дисковые шарошки, установленные в корпусе долота, в скважине перемещаются по сложной траектории (рис. 11). Каждый зуб шарошки (точка МО вращается с частотой пш относительно ее оси (точка СЬ) и вместе с шарошкой также вращается относительно оси скважины 01- 01 с частотой пг!.

Кроме того, под действием осевого усилия шарошка совершает поступательное движение и перемещается вдоль оси скважины 01- О1 сверху вниз со скоростью, равной скорости бурения Уо, и за один оборот вращения долота (за

один оборот вращения шарошки вокруг оси 01- О1) проходит вертикальный участок, равный величине внедрения долота в породу Ь.

Рис. 11. Траектория движения зуба дисковой шарошки в скважине

При этом зуб за один оборот вращения шарошки вокруг вертикальной оси скважины О1- О) также перемещается вниз на определенный отрезок и проходит вертикальный участок /ш (без учета сил трения в опоре скольжения на оси О2 и возможного проскальзывания по стенкам скважины).

С каждым оборотом шарошки вокруг оси скважины 0,-0, зуб возвращается на дугу а-н (рис. 11), а с каждым полуоборотом - на дугу б-м. При перемещении по отрезку дуги а-ж и дуги б-ж зуб с породой не имеет контакта, т. е. разрушение породы он не производит. При перемещении по дугам ж-н и ж-м зуб с породой контактирует, осуществляя ее разрушение и образуя рабочий сектор ж-м-н.

На стойкость зубьев шарошки, а следовательно, и на стойкость долота в целом, оказывает влияние не только характер взаимодействия с породой, но и путь трения при их контакте в зоне разрушения. Для определения пути трения зуба при разрушении породы составлена кинематическая схема работы ДЗДШ-244,5 (рис. 12).

Рис . 12. Кинематическая схема работы долота ДЗДШ

С помощью кинематических исследований работы долота получено параметрическое уравнение траектории точки M¡, т. е уравнение движения зуба, установленного на зубчато-дисковой шарошке бурового долота, при разрушении породы в скважине, которое выглядит следующим образом:

' Х = гш сотйН}±<жъпtJ),

) У = гш -sinm¿( 1 ±cosctJ), (19)

Z = ^hTrulsinriTj.

I 2яг

где гш и сош - соответственно радиус, м, и угловая скорость вращения зубчато-дисковой шарошки, с1; co¡¡ - угловая скорость вращения долота, с ; t — время перемещения точки М, (зуба), с.

Знак (+) учитывается при движении точки М , от Б к А (работа зуба на среднем участке забоя), а знак (-) - при движении точки М, от А к Б (работа зуба на периферийном участке забоя).

Решением уравнения (19) при условии, что точка М; (зуб) описывает винтовую линию со средним радиусом вращения Я = ^ вокруг оси долота, определяется путь трения /г, проходимый зубом долота ДЗДТТТ за один оборот, в сравнении с длиной пути Ьт резцов, установленных на режущих долотах со стационарными породоразрушающими элементами. Соотношение этих путей определяется следующим выражением:

LT г-ж-dK-nd-h Л

Km ~ ~Г--i---~ L ■

It

* „ * (20) 1Т 7С ■аш -пш

Сравнение путей трения показывает, что стойкость вооружения долот ДЗДШ в 2 раза выше, чем у режущих долот со стационарными резцами.

Долота ДЗДШ прошли широкую апробацию в условиях угольных разрезов Южного Урала, Хакассии и Красноярского края, а также на Мазульском известняковом руднике. На Черногорском разрезе долота ДЗДШ испытаны при бурении станком РД-10 вертикальных и наклонных скважин (75°) глубиной до 40 м в сложноструктурных породных массивах, характеризующихся широким диапазоном крепости f = 2-12 (табл. 4).

Таблица 4

Производительность станка и удельные затраты бурения 1 м скважины на сложноструктурных блоках долотами ДЗДШ

Тип долота Коэффициент крепости породы f Стойкость долота 1, м Скорость бурения Ус, м/мин Сменная производительность станка Г1, м Затраты на бурение 1м скважины, руб

1П244.5- окпв 7,2 (до 9) 2166 0,26 110 82,4

6 (до 8) 4000 - 150* 55,1

дздш- 244,5 6 (до 8) 6018 1,2 298 24,5

7,2 (до 9) 80 0,68 224 106,3

7,2 (с включениями / > 10) 120 (возможный ресурс) 0,68 224 81,3

Примечание: в расчете принято: Тсм = 720 мин; стоимость машино-смены 7000 рублей; стоимость шарошечного долота типа Ш244,5 0К-ПВ 34000 руб; стоимость сменного комплекта зубчато-дисковых шарошек долота ДЗДШ 6000 руб; * - данные разреза.

В породах крепостью { = 6-7 бесспорно преимущество долот типа ДЗДШ. При бурении наклонных скважин в породах с <ср= 7,2 со значительными прослойками (39,3 % от общей мощности пластов) абразивных песчаников с £=8-10 (до f= 12) производительность ДЗДШ в 2 - 2,5 раза выше, но и стоимость бурения 1 м скважины на 25 - 30 % выше. Двукратный рост производительности ДЗДШ при одинаковых удельных затратах на бурение достигается при обеспечении стойкости этих долот в породах с {= 8 - 10 порядка 120 - 130 м за счет применения рациональных режимов бурения и усиленного армирования вооружения шарошек.

Результаты опытного бурения на Черногорском разрезе показали резкое снижение стойкости вооружения долот ДЗДШ при переходе на бурение наклонных скважин глубиной 40 м в крепких и абразивных породах. В случае бу-

рения вертикальных скважин в осложненных условиях (глубина скважины 40 м и включения пород с > 10) биение бурового става резко снижается, поэтому можно применять скорость вращения долота около 100- 120 об/мин, что обеспечит ускоренное вращение зубчато-дисковых шарошек относительно оси долота и, как следствие, увеличение их стойкости. Этот вывод подтверждается опытными испытаниями долот ДЗДШ при бурении крепких известняков (табл. 3). Следовательно, возможность экономически приемлемого бурения резанием пород крепостью £=8-10 вполне реальна.

Необходимо отметить, что в отличие от долот ДЗДШ режущие долота с постоянным контактом резцов при встрече с включениями пород с £ > 8 теряют работоспособность после проходки 0,2 - 1 м.

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют обосновать второе научное положение: Разработанные конструкции и практика применения долот с зубчато-дисковыми шарошками обеспечивают двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарными резцами и расширяют область эффективного применения высокоскоростного бурения резанием в сложноструктурных породных массивах с Г < 8, имеющих включения до { = 10 -12.

3. Особенности определения конструктивных, аэродинамических и режимных параметров долот с зубчато-дисковыми шарошками

Эксплуатация ДЗДШ на станках СБШ-250 МНА-32 показала, что долота этого вида могут длительно обеспечивать высокоскоростное объемное разрушение пород повышенной твердости при определенных осевых нагрузках и расходах сжатого воздуха, отклонение от которых приводит к форсированному износу вооружения и зашламовыванию забоя скважины.

Работа ДЗДШ в забое при воздействии на него осевого усилия Р^ может характеризоваться следующими режимами (рис. 13).

1. Устойчивый режим. Вращение зубчато-дисковых шарошек в опорах скольжения происходит за счет зацепления зубьев с породой в периферийиой зоне забоя, т.е. при условии

Мш>мт, (21)

где Мш - момент, вращающий зубчато-дисковую шарошку вокруг оси 02, Нм; М,- момент сопротивления вращению, возникающий от сил трения и реактивных усилий породы, Н м.

2. Режим противокачения. Вращение шарошек на осях происходит снизу вверх за счет зацепления зубьев с породой в средней и центральной зонах забоя, а не стенок скважины. В этом случае Мш < Мт.

3. Блокированный режим. Шарошки работают без вращения, т.е. Мш = М„.

Эффективное разрушение породы долотом ДЗДШ и длительный срок службы его вооружения возможен лишь при работе зубчато-дисковых шарошек в устойчивом режиме.

Рис. 13. Взаимодействие зубчато-дисковой шарошки с породой в забое скважины

Зона забоя скбажина

Периферийная Средняя Цштраяг- ная (керн) Средняя Периферийная

1 + вт

6 • ж

> — • я- ■ 16

-к-К.

Исходя из того, что осевое усилие Рос распределяется равномерно на количество зубчато-дисковых шарошек р и количество зубьев N. находящихся в зоне разрушения породы в забое (рис. 13), неравенство (21) приобретает вид . 2-я-

-»п —-Л»

N

из которого определяется осевое усилие, необходимое для устойчивой работы долота с зубчато-дисковыми шарошками, Н:

М-а.-Г.-К.-а^-т—м.-*

Р„ >-;—--. (22)

(1 + 8111—")

N

где ом6 - предел прочности породы при механическом разрушении, Па; цп - коэффициент трения зубчато-дисковой шарошки о породу.

Для долота ДЗДШ- 244,5 с шестнадцатью зубьями на зубчато-дисковой

шарошке выражение (22) принимает вид (при Ц„ = 0,52; Кк = 0,5):

Рос>0М-с/ш-И-амй-/3.

(23)

Минимальные значения осевых усилий Рос т1П, обеспечивающие устойчивый режим работы бурового долота ДЗДШ-244,5, представлены в табл. 5. Приближенные (начальные для У0) значения глубины внедрения долота в породу за один оборот Ь приняты в соответствии с данными, полученными нами в результате испытаний опытных образцов долот ДЗДШ. Частота вращения долота составляла Па = 100 об/мин.

Видно, что при крепости горных пород f < 6 значения Р^ ^ возрастают, а при { > 6 уменьшаются. Наибольшие значения Р„ приходятся на породы с коэффициентом крепости {= 6. Это свидетельствует о том, что при проходке пород с г" > 6 имеется резерв увеличения осевого усилия на долото и, следовательно, скорости бурения при объемном разрушении породы на забое скважины в силовом режиме бурения.

Таблица 5

Минимальные значения Рос, обеспечивающие устойчивую _работу ДЗДШ-244,5_

Степень крепости пород f ср. МПа h, м/об Рос» mm* кН

Р = 2 3 = 3 р = 4

Мягкие и довольно мягкие 2 18,2 0,0283 5 82 109

Средние 4 35,0 0,020 74 111 148

Средние и довольно крепкие 6 60,0 0,015 95 143 191

Крепкие 8 74,3 0,010 79 118 158

Крепкие 10 86,0 0,0050,0075 46 68 91

Для создания устойчивого режима работы долота ДЗДШ значения оптимального осевого усилия должны отвечать следующему условию:

Рос ~ Кр- f-d d" 6 ' Шр ' F7 > Рос.mini где Кр - безразмерный параметр, учитывающий степень нагружения долота в зависимости от крепости и абразивности породы, Кр = 18,4-33 (бблыпие значения для малоабразивных пород); dd - диаметр долота; 8 - число породоразру-шающих элементов; тР - коэффициент, учитывающий влияние рассечки (керна) и расстояния между зубками на длину режущей части шарошки (тр = 0,7 -0,75); Fy -максимальная площадка притупления зубьев долота, приходящаяся на 1 см длины рабочей части зубчато-дисковой шарошки (по аналогии с режущими долотами Fy =1,2 мм2/см).

На эффективность процесса бурения существенное влияние оказывают параметры воздуха, определяющие показатели работы пневмотранспортной системы станка и зависящие от конструктивных и аэродинамических параметров долота. К последним, согласно исследованиям В.А. Перетолчина, относятся: а — коэффициент соотношения площадей сечения продувочных окон долота и сечения затрубного пространства скважины; к0- коэффициент относительной ширины продувочных окон долота.

Нами установлена следующая зависимость между конструктивными и аэродинамическими параметрами долота ДЗДШ:

а = 2ф - D. ) • [*(D + DJ / 2 - \ ■ р ■ Кх ] • К2 - D2 я )} k^l/p-hj-KJivD), ( }

где D - диаметр скважины, м; Dm - диаметр буровой штанги, м; D, - диаметр корпуса долота, м; /? и hj - соответственно количество и ширина зубчато-дисковых шарошек, м; Кг коэффициент, учитывающий ширину пазов, выпол-

ненных в корпусе долота для установки зубчато-дисковых шарошек; Kj—1,2-1,4; К2 - коэффициент, учитывающий неравномерность размеров сечения продувочных окон по длине корпуса долота, К2=1,1-1,3.

Влияние коэффициентов к0 и а на параметры сжатого воздуха и показатели работы пневмотранспортной системы станка нами предложено выражать через интегральный аэродинамический показатель кэ:

и г- Л-о,ззз i . ОД

к3=кс.-а + (25)

где кс - коэффициент, учитывающий стесненность движения частиц шлама в воздушном потоке, k« = (1 - S)2; S - объемная концентрация частиц в потоке.

Исходя из прогнозируемого распределения бурового шлама по крупности при бурении песчаников долотом ДЗДШ-244,5 с помотцью станка СБШ-250/270-60 (РД-10), применительно к горно-геологическим условиям Черногорского разреза аналитическим методом определено влияние конструктивных и аэродинамических параметров долота на показатели работы пневмотранспортной системы станка при пневмоочистке скважины (рис. 14).

Видно, что для всех значений р с увеличением Dt на 8 % (с 202 до 218 мм) расход сжатого воздуха и мощность привода компрессора снижаются на 28-30%, а энергоемкость процесса пневмоочистки скважины - на 38%.

Особенности бурения взрывных скважин долотами ДЗДШ со шнекопнев-матической очисткой рассмотрены для условий их применения на станках СБШ и СВБ.

Принимая во внимание исследования Б.А. Катанова, скорость сжатого воздуха в призабойной зоне с учетом выражения (25) определяется

X + g[fi ■ sin(orc + £,) + eos (ae +Д,)] + /2-ет2- Af\ • cos(/?d -/,)- sin(A ~ )]

где L - высота призабойной зоны, м; pd - угол наклона шарошки к плоскости забоя; а с- угол наклона скважины к вертикали, град; fi и f2 - коэффициенты трения частицы шлама соответственно о шарошку и стенку скважины (f| = 0,52 и f2= 0,9); g = 9,81 м/с2; Т - время движения частицы от забоя до шнека, с: у,-угол между векторами абсолютной и переносной скорости частицы, град; у -коэффициент обтекания частицы бурового шлама пластинчатой формы потоком воздуха, у/ = 2,454- v0,138, где v - кинематическая вязкость воздуха, м2/с; рп, рв - плотность соответственно породы и сжатого воздуха кг/м3; С] - коэффициент, зависящий от формы и размеров частицы, Ci=0,9; d - диаметр частицы бурового шлама, в расчетах принят cima* = 0,0193 м; со - скорость вращения частиц в продувочных окнах долота ДЗДШ, с"1.

а б в

Рис. 14. Зависимость показателей работы пневмотраиспортной системы станка от конструктивных параметров долота ДЗДШ: а - расход сжатого воздуха, б - мощность привода компрессора, в - энергоемкость процесса очистки скважины от бурового шлама; Э — диаметр корпуса долота, В - количество зубчато-дисковых шарошек; 1,2,3- ширина зубчато-дисковых шарошек соответственно 24,28, 32, мм

Для определения скорости сжатого воздуха в межвитковом пространстве шне-ковой зоны нами получено следующее выражение:

.Мш

(27)

где Мпр- сила давления воздушного потока, действующая на частицу бурового шлама в призабойной зоне скважины, определяемая по формуле:

Mv = К ■ {«■ s[f\ ■ sin(ac +pd) + cos(ac + Д,)] +

2 • m • L • cos f)d

Т (28)

+ т-а>2 -г- /2[/, • eos (Д, -yx)~ sin (J3d - y{)], где m - масса частицы бурового шлама, кг. М„- сила давления воздушного потока, действующая на частицу бурового шлама в межвитковом пространстве шнековой зоны, определяемая по следующей формуле, Н: Мш =ffi-g(/2-cosaw+sinaa,)-

-fxmr• ar2[cos(ar„ +Гш)~ sinK +ГШ)Ъ (29)

где уш - угол наклона вектора абсолютной скорости движения частицы к горизонту в межвитковом пространстве шнека, град; аш - угол наклона витка спирали шнека. При диаметре скважины D= 0,2445 м рациональные значения аш = 21 -28°.

Результаты расчетов, проведенных по формулам (28) и (29), представлены графиками, показанными на рис. 15.

ш

1»

fi-4

—ГТ 1 2 3

11 3 I

-TÍ 12 s

т

ж ж

Втям

а - - - - - --- б

Рис. 15. Зависимость силы давления воздушного потока на частицу бурового шлама при шнекопневматической очистке: а - в призабойной зоне от конструктивных параметров долота ДЗДШ при ш = 125 мин'1 (1 - ha = 24 мм; 2 - hj = 28 мм; 3 - hd = 32 мм); б - в шнековой зоне от угла Тш при а„ = 24 0 (1 1^ = 90 мин'1; 2-гц^ 125 мин'1; 3-n<i = 150 мин"1)

Сила давления воздушного потока на частицу бурового шлама Мш при всех рассмотренных значениях скорости вращения долота щ имеет максимальные

величины при Уш =45°.

п '

а

1 2 3 1 1

тч

¿•3

/аз

Р-2 1 £ а

г 5 1/

Тг

/ г з

Г4 ьг

»

и

в

а

Н

ш .т

ьь / ¡1 к

/11. а з

И 10.1

о>

т Ж Ж 2/1 314 ¡¡.ям

т ж

ж ж ш ш

Ж т 2Н В, мм >

а б в

Рис. 16. Зависимость показателей работы пневмотранспортной системы станка от конструктивных параметров долот ДЗДШ при бурении скважин со шнекопневматической очисткой: а - расход сжатого воздуха, б - мощность привода компрессора, в - энергоемкость процесса очистки скважины от бурового шлама (пневматическая составляющая); - диаметр корпуса долота, В - количество зубчато-дисковых шарошек; 1,2,3 - ширина зубчато-дисковых шарошек соответственно 24,28,32, мм.

Приняв средние значения М„р из графика, представленного па рис. 15, а, и максимальное значение силы давления воздушного потока при уш = 45°, действующей на частипу в межвитковом пространстве шнека, Мш= 13,0-Ю'3 Н для скорости вращения долота nd = 125 мин'1 (рис. 15, б), получим следующие формулы для определения скорости воздуха в межвитковом пространстве шнека для долот ДЗДШ-244,5:

для двухдискового долота ДЗДШ:

= (0,75 - 0,77) •■Jä-Vvt для трехдискового долота ДЗДШ:

Гш=(0,61-0,63)-^.^, (30)

для четырехдискового долота ДЗДШ:

Vut={0,53-0,55)-^-Vnp.

По формулам (26) и (30) находятся значения скоростей сжатого воздуха в призабойной и шнековой зонах скважины, по которым определяются показатели работы пневмотранспортной системы станка (рис. 16).

На графиках, представленных на рис. 15 и 16, видно, что конструктивные и аэродинамические параметры долот ДЗДШ существенно влияют на показатели работы пневмотранспортной системы станка, как при пневматической, так и при шнекопневматической очистке.

Следовательно, при конструировании долот ДЗДШ целесообразно выбирать такие значения их конструктивных и аэродинамических параметров, которые с одной стороны снижают энергоемкость процесса очистки скважин, а с другой - обеспечивают эффективное шламоудаление, отвечая условиям:

D, =(1.05-1.20)-D-2-d^, я D1 V

S=—г---г-—^-т-< 0,01,

где d„„- максимальный эквивалентный диаметр наиболее крупной фракции

гранулометрического состава шлама; S - объемная концентрация шлама.

Таким образом, обосновывается третье научное положение: Созданная теория и математическая модель взаимодействия вооружения ДЗДШ с разрушаемой породой, а также конструктивных и аэродинамических параметров с показателями систем очистки скважины от бурового шлама являются достаточной основой для определения рациональных режимов бурения и параметров буровых станков.

4. Пневмо-эжскциоиный способ эвакуация бурового шлама из скважин

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процесса бурения взрывных скважин и режимов их очистки привели к разработке пнев-мо-эжекционного способа шламоудаления, сочетающего преимущества пневматического и шнекопневматического способов и в то же время устраняющего их недостатки. Способ характеризуется следующими новыми принципами

формирования и движения воздушно-шламового потока в скважине и конструктивного построения бурового става.

а) внутри става происходит распределение потока сжатого воздуха по вертикальным зонам скважины; б) став сформирован из гладкоствольных штанг, шнекового пневмо-эжекционного эвакуатора и долота с эжекционными каналами; в) в скважине создается эжектирование воздушно-шламового потока разделенными струями сжатого воздуха; г) воздушно-шламовый поток в при-забойной зоне и затрубном пространстве скважины приобретает винтообразное движение за счет его закручивания эжекционными струями сжатого воздуха; д) в процессе бурения происходит регулирование параметров сжатого воздуха и концентрации воздушно-шламового потока в скважине.

В буровом ставе используется долото разборной конструкции, представленное на рис. 7, а. Воздух подается в эжекционные каналы Н и нижнюю часть забоя через технологические вырезы Л (рис. 17).

Так как корпус имеет цилиндрическую форму, отсутствие продувочных окон в долоте обусловливает повышенное избыточное давление воздуха в зоне технологических вырезов Л, поэтому эжекционные каналы Н обеспечивают создание дополнительного потока Е, направленного под углом ОС к оси долота в сторону его вращения. Этот поток эжектирует призабойную зону скважины, суммируется с потоком воздуха К, поднимающимся от забоя, увеличивает скорость восходящего потока И в призабойной зоне и активизирует удаление бурового шлама в периферийной зоне М забоя скважины.

Рис.17 Схема продувки забоя скважины долотом с эжекционными каналами 1 - корпус, 2 - ниппель, 3 - продувочный канал, 4 - по-родоразрушающие элементы

Кроме долота рассмотренной конструкции с пневмо-эжекционными каналами могут применяться другие буровые инструменты в сочетании со шнековым пневмо-эжекционным эвакуатором (ШПЭ) (рис. 18).

В верхнем конусе ШПЭ воздух с расходом Б, распределяется на два потока с расходами ?! и Р2.

Поток воздуха с расходом поступЛё м^ашубную -зону I— П, а поток воздуха с расходом Р2 - на забой скважин|>1. л>|

БИБЛИОТЕКА С Петербург 09 МО мт

¡/»•я А

а б

Рис. 18. Пиеимо-зжекциопная эвакуация бурового шлама т скважины: а - распределение потоков сжатого воздуха в зонах скважины с помощью ШПЭ; б - регулирование потоков сжатого воздуха в механизме управления ШПЭ. 1- гладкоствольная штаяга; 2 - ШПЭ; 3 -скважина; 4, 5 - соответственно верхний и нижний конусы ШПЭ; б - долото; 7,13 - соответственно центральный канал гладкоствольной штанги и ШПЭ; 8 - муфте; 9 - ниппель; 10 -подвижный клапан; 11 - эжекциоикые каналы; 12 - гайка; 14 - спираль шнека

В призабойной зоне Ш -IV скважины воздух с расходом К2 поднимает буровой шлам и подает его на первый виток ШПЭ. Далее воздушно-шламовый поток перемещается вверх по межвитковому пространству 1ШЮ. Поток воздуха с расходом Б] при выходе с большой скоростью из эжекпиошгых каналов поступает в конфузорный участок, образуемый верхним конусом ШПЭ и стенкой скважины, где давление воздуха за счет увеличения его скорости оказывается ниже давления воздушно-шламового потока, поступающего из шнековой зоны П-Ш.

В эжекционное сечение II - II устремляется воздушно-шламовый поток, скорость которого при этом увеличивается. Далее, в затрубной зоне I - II, до устья скважины, эвакуация шлама осуществляется энергией объединенных потоков сжатого воздуха с расходом Р„= + Бг. Для создания устойчивого режима шламоудалешш обеспечивается равенство = Бг = 0,5 Б, за счет равенства площадей сечений эжекционных каналов ШПЭ и долота.

При нарушении устойчивого режима эвакуации бурового шлама повышается стесненность его движения. Расход сжатого воздуха на выходе из долота снижается. В результате этого в центральном канале ШПЭ, а следовательно, в области Ж, давление воздуха по сравнению с давлением в области Е возрастает и поднимает клапан вверх.

В этом случае включается в работу механизм управления: подвижный клапан перекрывает часть площади сечений эжекционных каналов, что приводит к снижению расхода воздуха, поступающего в конфузорный участок скважины, на величину АР. Вместе с этим, при подъеме подвижного клапана увеличивается ширина его проходных каналов. В этом случае происходит перераспределение расходов потоков воздуха Р| и Р2. В зону забоя долота поступает воздух с расходом Р2' = Р2 + ДБ, который увеличивает скорость воздушно-шламового потока в призабойной и шнековой зонах и стабилизирует режим эвакуации бурового шлама, снижая уровень стесненности движения за счет увеличения порозности шламового слоя и уменьшения объемной концентрации. Давление в наддолотной части, центральном канале ШПЭ понижается, подвижный клапан увеличивает сечение эжекционных каналов. Это приводит к выравниванию расходов Р, и потоков сжатого воздуха и их давлений в областях Е и Ж.

Диапазон регулирования параметров воздуха (давления и расхода) устанавливают, исходя из условия обеспечения объемной концентрации потока бурового шлама, не превышающей предельно допустимых значений (8<0,01 м3/м3). Это достигается заданным значением перепада давления в каналах ШПЭ и штанги его соответствием значению веса клапана.

Анализ работы ШПЭ приводит к выводу о том, что по отношению к воздушно-шламовому потоку, перемещаемому из шнековой и призабойной зон, он является эжектором, а по отношению к потоку Ик, перемещаемому по затруб-ному пространству к устью скважины, - инжектором.

На основе составленного уравнения количества движения для затрубного пространства, являющегося камерой смешения эжектирующего потока Р| и эжектируемого потока , с учетом исследований Е.Я. Соколова получено выражение для определения коэффициента инжекции (иин) ШПЭ:

Р -Р 1 + -! с . У^-Р,.

уЕ р -Р п V £-Рв_ -Ч>2 -УО

где Ув - скорость эжекционных струй потока воздуха Р| выходящего из эжекционных каналов ШПЭ, м/с; <р2 - коэффициент скорости затрубной зоны; Уп - скорость воздушно-шламового потока до начала входа в затрубную зону, м/с; УЕ - скорость объединенных потоков Р| и Р2 в затрубной зоне, м/с; Р, - давление потоков воздуха в затрубной зоне, Па; Рс - давление эжекционных струй потока воздуха Р| на выходе из эжекционных каналов, Па.

Эффективная работа ШПЭ обеспечивается соотношением р! = Р2 = 0,5 Рк, при котором коэффициент инжекции и„„~1. Исходя из этого условия по фор-

муле (31) находится скорость Ув а по ней - рациональные сечения эжекцион-ных каналов и другие конструктивные параметры ШПЭ.

Вместе с эжекцией и инжекцией воздушно-шламовый поток в скважине при вращении бурового става приобретает винтообразное движение.

Эжекционные струи потока воздуха Рь выходя из эжекционных каналов ШПЭ, вращаются вокруг вертикальной оси скважины с частотой вращения долота и^. При этом они вовлекают во вращение частицы бурового шлама, которые, перемещаясь в скважине вверх по винтообразной траектории, приобретают абсолютную скорость движения {/„(рис. 19).

Рис. 19. Движение частицы шлама при аиевмо-эжекционной эвакуации из скважины

Параметрическое уравнение движения частицы бурового шлама (точка М,) имеет следующий вид:

_ со-И

Лг = /?-С08/У-/;Г = Л-81ПЙ>-/;2 = ——, (32)

2 к

где И - средний радиус вращения частицы бурового шлама при подъеме по спиральной траектории, м. Если принять допущение, что частица, на которую действует центробежная сила при ее вращении, стремится занять наиболее удаленное расстояние от оси скважины, можно считать, что Л равно радиусу скважины; со- угловая скорость вращения частицы бурового шлама вокруг оси скважины, с ', А - высота подъема частицы бурового шлама за один оборот, м. При решении параметрического уравнения (32) получаем формулу для определения пути движения частицы бурового шлама:

Ь. 1 +

4

•л-4 О2 ф2 -£)2»,»)2

(33)

Абсолютная скорость Ц, движения частицы по винтовой траектории в из треугольника скоростей (рис. 19) определяется по выражению, м/с:

и.

■л-п^-О

1 + -

■п^-й2 ф2 -£>2„Г

(34)

Угол наклона траектории движения частицы бурового шлама к вертикальной оси скважины можно определить по следующей формуле, град:

агсг%а = ■

л2-п, Р(Р2 -Р2„,„) 2Г

(35)

Расчетные значения параметров движения частиц бурового шлама при бурении скважин диаметром 244,5 мм и глубиной 39 м (Черногорский разрез) с

пневмо-эжекционной эвакуацией в сравнении с пневмоочисткой представлены в табл. 6.

Таблица 6

Способ удаления бурового шлама м иа, м/с а, град Т, с

Пневмо-эжекционная эвакуация 41,2 8,5 14 4,9

Пневмоочистка 39,0 8,0 0 4,9

Из табл. 6 следует, что по сравнению с пневмоочисткой путь Ь„ пройденный частицами бурового шлама, при пневмо-эжекционной эвакуации увеличивается, а время Т прохождения пути остается неизменным. При постоянном расходе сжатого воздуха возрастает скорость движения частиц.

Важное значение при пневмо-эжекционной эвакуации приобретает угол наклона траектории движения бурового шлама. При выходе из устья скважины его частицы удаляются под наклоном к вертикали, что исключает их возврат в скважину. Особую значимость это положительное качество пневмо-эжекционной эвакуации бурового шлама приобретает при бурении вязких глинистых и обводненных горных пород, когда буровой шлам оседает непосредственно у устья скважины и обрушается в нее.

Наличие шнековой части в ШПЭ увеличивает крупность частиц транспортируемого шлама, поэтому при бурении взрывных скважин, характеризующихся небольшой глубиной, важно установить такой режим бурения, при котором проходка скважины не будет сопровождаться зашламовыванием какого-либо сечения крупными фракциями шлама. В этом случае должно соблюдаться следующее условие, установленное в данной работе с учетом исследований В.Г. Качана и И.А. Купчинского:

1>-

■m\{F2)m-^

(4 Я-5 ) -ит

Ул.

(36)

где В, Н, ш - соответственно ширина, высота и число частиц в возможном сечении зашламовывания; и - частота поступления частиц бурового шлама крупной фракции, с'1;

100 V

(37)

где У„ - скорость бурения скважины, м/с; V- объем частицы, м ; я - содержание крупных фракций в гранулометрическом составе бурового шлама, %; Б СкВ -площадь сечения скважины, м2.

На рис. 20 приведена зависимость проходки долота ДЭДШ-244,5-3 от скорости бурения и расхода воздуха, определяющая условие (36) (В > 30 мм, ц = 10 %). Видно, что количество пробуренных метров, при котором не произойдет зашламовывание скважины, в первую очередь зависит от скорости бурения и расхода сжатого воздуха.

Рис 20. Зависимость проходки долота от скорости бурения и расхода сжатого воздуха при пнев-мо-эжекционной эвакуации крупных фракций бурового шлама: 1 - У6 = 0,6 м/мин; 2 - Уб = 0,8 м/мин; 3 - Ув = 1,0 м/мин; 4 - У6 = 1,2 м/мин; 5 -Уб = 1,4 м/мин; 6 - Уб = 1,6 м/мин.

Так, при бурении скважины в условиях Мазульского известнякового рудника глубиной Ь = 14 м (точка А) со средней скоростью бурения Уб = 1,2 м/мин (точка В) необходимый расход воздуха в приза-бойной зоне составляет Р2 = 11,5 м /мин (точка О). При бурении скважин с У6 = 1,4 м/мин (точка С) необходимый расход воздуха составляет 12,4 м7мин (точка Е).

При бурении скважин в условиях Черногорского угольного разреза глубиной 39-40 м (точка А1) с Уб = 0,8 м/мин (точка В1), необходимый расход воздуха Р2=11м3/мин (точка Б1). При скоростях бурения У6 = 1м/мин и Уб= 1,2 м/мин (точки С1 и К) расходы сжатого воздуха соответственно равны ¥2 = 14,4 м3/мин и 16,8 м3/мин (точки Е1, К1).

Пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама испытан на Ма-зульском известняковом руднике. Для опытно-промышленных испытаний изготовлен опытный образец ШПЭ-244,5 (рис. 21, табл. 7).

"""............" V*

•'I , /

у'* *

1

-.....^¡Й* ^

Т-/

^

Рис. 21. Опытный образец шнекового пневмо-эжекционного эвакуатора ШПЭ-244,5

Техническая характеристика ШПЭ-244,5

Таблица 7

Параметры Значения

Наружный диаметр шнека, мм 237

Диаметр вала шнека, наружный/внутренний, мм 160/125

Шаг шнековой спирали, мм 330

Угол наклона витка спирали шнека, град 24

Количество эжекционных каналов 4

Угол наклона эжекционных каналов к вертикали, град 35

Диаметр эжекционных каналов, мм 25

Длина эвакуатора, мм 2000

Масса, кг 320

Испытания ШПЭ-244,5 в сравнении с пневмоочисткой проведены при бурении закарстованных массивов, представленных обводненными глинисто-гравийными марганцевистыми породами повышенной абразивности с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова = 4 - 8. Бурение скважин глубиной 13 - 14 м осуществлено на станке СБШ-250МНА-32, оборудованном компрессором ВК-8/32, с использованием долота 111244,5 ОК-ПВ при осевом усилии 200-220 кН и частоте вращения 110-125 мин"1.

Применение пневмо-эжекционного способа эвакуации бурового шлама приводит к значительному повышению эффективности процесса бурения скважин (табл. 8). Давление воздуха на выходе из компрессора по сравнению с пневмоочисткой снижается на 25 %.

Таблица 8

Технико-экономические показатели пневмо-эжекционной эвакуации бурового шлама из скважины в сравнении с пневмоочисткой

Способ очистки скважины от

Показатели бурового шлама

пневматиче- пневмо-

ский эжекционный

Давление воздуха на выходе из компрессора, МПа 0,6 0,45

Скорость бурения, м/мин 0,5-0,8 0,6-0,9

Необходимый расход сжатого воздуха, м^мин 30 23

Необходимая мощность привода компрессора, кВт 161 103

Годовой расход электроэнергии на очистку скважины от бурового шлама, кВт-ч 1044330 551820

Снижение расхода электроэнергии на очистку скважины от бурового шлама, кВт-ч 492510

Зашламовывания устройства ШПЭ-244,5 и долота не происходит. Наблюдается выход более крупных фракций бурового шлама, который выносится на поверхность под наклоном к вертикали в сторону от буровой штанги и оседает на большем расстоянии от устья скважины без возврата в нее, что улучшает показатели бурения: скорость бурения возрастает на 15 %, а расход энергии снижается в среднем на 16 %.

Применение предложенного способа очистки скважины только по Ма-зульскому известняковому руднику позволяет получить годовой экономический эффект около 4 млн. руб.

С учетом выявленных преимуществ пневмо-эжекционную эвакуацию бурового шлама из скважин следует рассматривать в качестве дальнейшего направления для научных исследований в области повышения эффективности буровых работ.

Таким образом, обосновывается четвертое научное положение: Предложенный пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство - шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор - обеспечивают рациональный режим очистки, увеличение скорости подъема бурового шлама из скважины, снижение расхода и давления воздуха.

Конструктивные преобразования буровых инструментов

Решение проблемы повышения ресурса долот может быть найдено на основе следующих предложенных в работе методов конструктивных преобразований и утилизации буровых инструментов: создание рационального способа использования различного вооружения в буровых долотах с унифицированным корпусом, приводя большое разнообразие одиночных конструкций режущих долот к интегральному решению; восстановление изношенных шарошечных долот путем их сборки из деталей и элементов, пригодных к дальнейшей эксплуатации, и преобразования их в долота режущего действия; утилизация буровых инструментов.

Предложенная в работе конструктивная схема бурового инструмента с унифицированным корпусом и сменным вооружением позволяет в зависимости от условий бурения устанавливать различные виды вооружения, с возможностью изменения диаметра долота (рис. 22).

к

1

£

т

ы

й

РГ*

В"

в г

Рис. 22. Буровое долото с переменными породоразрушающими элементами (патент № 2250344): а - с зубчато-дисковыми шарошками; б с резцами, образующими сплошную режущую кромку, в - с резцами, образующими прерывистую режущую кромку; г - с резцами, образующими ступенчатую режущую кромку. 1 - корпус; 2 - ребра; 3 - пазы; 4 хвостовик; 5 - гайка; 6 - оси; 7 - породоразрушающие элементы; 8 переходники

При этом упрощается технология изготовления, сборки, ремонта и восстановления долот, что приводит к повышению их ресурса.

Для восстановления изношенных шарошечных долот предложена технология, основанная на замене деталей, выработавших свой ресурс, деталями, пригодными к дальнейшей эксплуатации. С целью установления технологиче-

ских режимов восстановления и оценки несущей способности преобразованной конструкции долота разработана его объемная конечно-элементная модель, составленная из двух групп элементов: корпусной части с лапами и сварных швов (рис. 23). Выполнен расчет эквивалентных напряжений, возникающих при работе долота (рис. 24). Сварной шов шириной 10 мм и глубиной провара 5 мм смоделирован объемом прямоугольного сечения с соответствующими геометрическими параметрами (рис. 23). На рис. 24 представлено напряженное состояние долота в целом, а также вертикальных сварных швов.

В случае приложения нагрузки на одну шарошку при общем напряженном состоянии, находящемся в допустимом диапазоне, в средней и нижней частях сварного шва имеются небольшие зоны, перегруженные до 400 МПа. При нагрузке на три шарошки (рис. 24) перегруженная зона в центральной части шва исчезает, а перегруженная зона в нижней части шва уменьшается в размерах, и напряжения в ней падают до максимальных значений в 320 МПа.

Рис. 23. Модель восстановленного долота с вертикальными сварными швами

Рис 24 Напряженное состояние конструктивного варианта восстановленного долота с вертикальными сварными швами при нагрузке на три шарошки

Для обеспечения безопасного уровня напряженного состояния, как показывает расчет, достаточно увеличить глубину провара, принятую в данном расчете, от 5 до 10 мм.

По предложенной технологии были восстановлены долота Ш 244,5 Т-ПВ и Ш 244,5 ТКЗ-ПВ , которые прошли испытания на Мазульском известняковом руднике при бурении скважин глубиной 12-14 м в известняках (Г = 8-10) с продувкой забоя воздушно-водяной смесью.

Восстановленные шарошечные долота III 244,5 Т-ПВ и III 244,5 ТКЗ-ПВ отработали соответственно в среднем 141 м и 60 м. Основная причина выхода из строя восстановленных долот - заклинивание одной из шарошек на опоре.

В условиях Мазульского известнякового рудника удельные затраты бурения 1 м скважины новыми долотами типа Т и ТКЗ составляют 130 руб./м, а восстановленными долотами - 62 руб./м, то есть в два раза ниже.

Восстановленные ШД из-за частых отказов опор шарошек имеют незначительный срок службы. С целью повышения эффективности конструктивных преобразований бурового инструмента предложен способ переоборудования изношенных шарошечных долот в долота ДЗДШ (рис. 25).

Этот способ значительно снижает затраты на восстановление долот при максимальном использовании ресурса работы их элементов.

Часть вышедших из строя шарошечных долот не подлежит восстановлению ввиду износа лап. Поэтому их восстановление с применением зубчато-дисковых шарошек по технологии, приведенной выше, становится невозможным. В этом случае буровой инструмент предложено восстанавливать по иной технологии, связанной с переоборудованием изношенных ШД в долота режущего типа (рис. 26), применяя вставные пластины, оснащенные резцами.

Рис 25 Схема переоборудования ШД в буровой инструмент ДЗДШ (патент № 2149974) 1 -корпус, 2 - лапа, 3 - накладка, 4 - радиальный паз, 5 - ось фрезерования, 6 - отверстие, 7 -опора скольжения, 8 - зубчато-дисковая шарошка, 9 - ¡убок, 10 - шайба

А 1 *

Рис 26 Схема переоборудования ШД в буровой инструмент РД (патент № 2208121) 1 - линия отреза лапы ШД; 2 - корпус; 3, 8, 11 - пазы, 4 - основание верхней пластины, 5 -верхняя пластина, 6 - уступ; 7, 13 — резцы, 9, 12 - отверстия, 10 - нижняя пластина

Для повторного ис-

а пользования металлокерамиче-, ского твердого сплава отрабо-s тайных ШД предложена эф-

фективная электрогидроим-

t*

пульсная технология извле-

чения зубьев, базирующаяся на электрогидравлическом эффекте воздействия на тело шарошки (рис. 27). В матрицу помещают шарошку, отделенную от опоры изношенного долота. В разрядной камере, залитой водой, устанавливают электроды, между которыми создают электрический импульс. Возникающий гидравлический удар, действующий на шарошку изнутри, создавая в ее теле давления, превышающие прессовые напряжения, удерживающие твердосплавные зубья, выбивает последние из посадочных гнезд.

Способ позволяет существенно повысить эффективность использования ресурса элементов бурового инструмента и снизить его стоимость.

12 3 4

Рис. 27. Схема элсктрогидроимпульсной установки для извлечения твердого сплава из шарошек (патент № 2117131), 1 - повышающий трансформатор, 2 - высоковольтный выпрямитель; 3 - батарея конденсаторов; 4 - разрядник; 5 - крышка; 6 - электроды; 7 - шарошка; 8 жидкость; 9 - зубья шарошки; 10 - матрица; 11 - корпус

Для оценки эффективности конструктивных преобразований бурового инструмента разработана методика, содержащая расчет потребностей и затрат на его приобретение с учетом технико-экономических показателей восстановления долот и дальнейшего их применения.

Экономическая эффективность вторичного преобразования бурового инструмента (БИ) и его применения определяется по следующей формуле, руб.:

С* ЛР \ "Р у

где I,- заданный годовой объем бурения скважин на предприятии, м; г стойкость нового БИ, м; Сл - стоимость нового БИ, руб.; Сл- стоимость вос-

становления БИ, руб.; К„р- коэффициент повышения ресурса БИ при его вторичном конструктивном преобразовании:

+ (39)

где годовая потребность в новом БИ на предприятии, ед; 1Л- стойкость восстановленных долот, м; К,- коэффициент вторичного конструктивного преоб-

разования бурового инструмента (восстановления), Кв /#„,где И,- количество восстановленных долот, ед.

Для Мазульского известнякового рудника с годовым объемом бурения Ьг = 189 438 м долотами П1 244,5 ТКЗ-ПВ при коэффициенте К„ = 0,4 экономическая эффективность от вторичного конструктивного преобразования БИ, с учетом результатов опытных испытаний, приведенных выше, и в соответствии с формулой (45) составляет более 1 млн. руб. в год.

В масштабах горного производства России централизованное восстановление шарошечных долот может дать годовой экономический эффект порядка 160 млн. руб.

Таким образом, обосновывается пятое научное положение: Разработанные методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации буровых инструментов значительно повышают эффективность использования их ресурса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и обоснованы теоретические положения, совокупность которых можно классифицировать как решение крупной научно-технической проблемы повышения эффективности средств и технологий бурения взрывных скважин на открытых горных работах, имеющей важное народно-хозяйственное значение для развития горнодобывающей отрасли страны.

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ современного состояния техники и технологии буровых работ на карьерах, которыб характеризуются большими затратами на бурение вследствие преимущественного использования дорогих, энергоемких и сложных шарошечных долот, которые не могут полностью соответствовать всем существующим условиям бурения взрывных скважин.

2. Разработана комплексная экономико-математическая модель забойного процесса и функционирования системы «горная порода - буровой инструмент -буровой станок», позволившая определять эффективность работы буровых долот и целесообразные пути их преобразования.

3. Обосновано, что значительное повышение эффективности буровых работ на открытых горных работах достигается созданием специализированных буровых инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью сменных породоразрушаю-щих элементов в соответствии с горно-геологическими условиями; оптимизацией параметров режима бурения с учетом новых конструктивных и повышенных скоростных и ресурсных характеристик буровых инструментов; установлением пропорций между соотношением применяемых типов долот и объемов разрабатываемых пород по крепости.

4. Разработан ряд новых моделей специализированных буровых инструментов (11 наименований, защищенных патентами на изобретения), основанных на базовых моделях и систематизированных по конструктивным признакам, способам разрушения горных пород, областям применения и режимам бурения.

5. Обоснованы, разработаны и испытаны новые модели буровых долот режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками, кинематика которых обеспечивает двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарным вооружением и позволяет осуществлять эффективное бурение скважин в сложноструктурных породных массивах с f < 8, имеющих включения до f= 10-12.

6. Разработана методика определения рациональных конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих значительное снижение энергоемкости процесса очистки скважины от бурового шлама.

7. На основе кинематических исследований и забойного процесса разрушения горных пород разработана методика определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих их устойчивую работу с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот.

8. Обоснованы, разработаны и испытаны новый пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство - шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор, позволяющие устанавливать рациональный режим очистки с помощью эжекции воздущно-шламового потока, управления его концентрацией, регулирования параметров воздуха в пневмотранспортной системе станка и винтообразного движения шлама, что приводит к увеличению скорости подъема и наклонному безвозвратному выносу его из устья скважины, снижению расхода и давления воздуха, повышению скорости проходки и уменьшению энергозатрат на процесс бурения.

9. Обоснованы и разработаны методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента (защищенные патентами на изобретения), позволяющие повысить ресурс долот и снизить затраты на процесс бурения скважин. Предложена методика технико-экономической оценки эффективности восстановления долот. Результаты опытно-промышленных испытаний на Мазульском известняковом руднике доказали эффективность метода восстановления шарошечных долот, реализация которого позволяет значительно снизить расходы на буровой инструмент.

10. Практическая значимость научных разработок и технических решений, приведенных в диссертации, подтверждена их опытно-промышленными испытаниями и внедрением, проведенными в условиях ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Угольный разрез "Чалпан"» и др. Техническая документация на изготовление долот ДЗДШ принята к реализации в ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод».

Основные опубликованные работы по теме диссертации

Монографии:

1. Бупсин, В.Д. Опыт и развитие технологии силового бурения резанием на карьерах [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев и [др.]. - М.. Макс Пресс, 2005. - 304 с.

2. Буткин, В Д Проектирование буровых долот для открытых, земляных и строительных работ [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев и [др.]. - М.: Макс Пресс, 2005. - 240 с

Учебные пособия:

3 Буткин, В.Д- Основы техники и технологии бурения горных пород на карьерах [Текст]: учеб. пособие / В. Д. Буткин, А. В. Гилев; ГАЦМиЗ. Красноярск, 1995. - 208 с.

4. Гилев, A.B. Эксплуатация горного оборудования [Текст]: учеб. пособие / A.B. Гилев; ГАЦМиЗ. - Красноярск, 19%. - 128 с.

5. Буткин, В.Д. Технология и техника разрушения горных пород на карьерах. Бурение взрывных скважин и основы теории взрыва и взрывчатых веществ [Тскст]: учеб. пособие / В Д. Буткин, A.B. Гилев; ГАЦМиЗ. - Красноярск, 1998. - 136 с.

6. Гилев, A.B. Буровой инструмент для карьеров [Текст]: учеб. пособие / А. В. Гилев; ГАЦМиЗ. - Красноярск, 1998. - 128 с.

7. Буткин, В.Д. Технология и техника разрушения горных пород на карьерах. Теория и технология взрывных работ [Текст]: учеб. пособие / В. Д. Буткин, А В Гилев; ГАЦМиЗ. - Красноярск, 1999.- 176 с.

Патенты на изобретения:

8. Пат. 2149974 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/12. Способ вторичного использования буровых долот [Текст] / Чесноков В. Т., Буткин В. Д., Гилев А. В. - № 98113670/03; заявл. 06.07.98; опубл. 27.05.00, Бюл. № 15.

9. Пат. 2208121 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/14. Способ реставрации изношенных шарошечных долот в режущие [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В., Чесноков В. Т. [и др.]. - № 2001119884/03; заявл. 17.07.01; опубл. 10 07.01, Бюл. № 19.

10. Пат. 2250344 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/62, 10/12. Буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В., Чесноков В. Т. [и др.]. -№ 2003131924/03; заявл. 30.10.03; опубл 20.04.05, Бюл. №11.

11 Пат 2117131 Российская Федерация, МПК6 Е21В 10/16. Способ извлечения зубков из отработанных шарошечных долот [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В., Чесноков В. Т., Реводько А. В. -№ 96110537/03; заявл. 27.05.96; опубл. 10.08.98, Бюл. № 22.

12. Пат. 2081989 Российская Федерация, МПК6 Е21В 10/12,10/62. Буровое долото режущего типа [Текст] / Гилев А. В , Буткин В. Д. [и др.].- № 94018729/03; заявл. 25.05.94; опубл. 20.06.97, Бюл. № 17.

13. Пат. 2116427 Российская Федерация, МПК6 Е21В 10/12 Дисковое долото фрезерного типа [Текст] / Буткин В Д., Гилев А В., Мишхожсв X. М. - № 96112235/03; заям. 17 06.96; опубл. 27.07.98, Бюл. № 21.

14. Пат. 2117130 Российская Федерация, МПК6 Е21В 10/12. Дисковое долото фрезерного типа [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В., Мишхожев X. М - № 96112335/03; заявл. 17.06.96; опубл. 10.08.98, Бюл. № 22.

15. Пат. 2165515 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/12. Буровое дисковое долото ска-лывающе-раздавливающего типа [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В. [и др.]. -№ 98121397/03; заявл 20 11 98; опубл. 20.04.01, Бюл. №11.

16. Пат 2178057 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/12. Буровое долото режуще-скалывающего действия [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В. [и др.]. - № 99114638/03; заявл. 06.07.99; опубл. 10.01.02, Бюл. № 1.

17. Пат. 2182213 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/20, 10/18. Буровое долото шарошечного типа [Текст] / Буткин В Д., Гилев А. В., Чесноков В Т. [и др.].- 2001102064/03; заявл. 23.01.01; опубл. 10.05.02, Бюл. № 13.

18. Пат. 2191245 Российская Федерация, МГПС7 Е21В 10/22. Опорное устройство бурового шарошечного долота [Текст] / Буткин В Д, Гилев А. В. [и др ] - № 2001119885/03; заявл. 17.07.01; опубл. 20.10.02, Бюл. № 29.

19 Пат. 2228423 Российская Федерация, МПК7 Е21В 10/20, 10/22. Буровое долото [Текст] / Буткин В. Д., Гилев А. В., Реводько А. В. [и др.]. - № 2002110085/03; заявл. 16.04.02; опубл. 10.05.04, Бюл. № 13.

20. Пат. 2117129 Российская Федерация. МПК6 Е21В 3/00. Способ бурения скважин [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, В.Т. Чесноков и [др.]. - №90112702/03; заявл. 25.06.96; опубл. 10.08.98, Бюл. №22.

21. Решение о выдаче патента №2003137271/03 Российская Федерация. МПК7 Е21В 10/20, 10/22. Буровое шарошечное долото [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, В.Т. Чесноков и др. -заявл. 24.12.03. Решение от 9.12.04.

Научные журналы;

22. Butkin, V Improving Drilling Equipment for Surface Mining [Text] / V. Butkin, A. Gilev, V. Chesnokov [et fl.] // Russian Mining. - 2003. - № 6 - P 40-44.

23. Буткин, В.Д. Специализированные долота для буровых работ в карьерах [Текст] / В. Д. Буткин, А. В. Гилев, В. Т. Чесноков [и др.] // Горный журнал. - 2004. - № 5. - С. 38-42.

24. Буткин В.Д. Вопросы модернизации буровой техники и технологии на современном этапе развития угольных разрезов [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев., Г.Н. Шаповаленко и [др.]. // Уголь. - 2004. - №10. - С. 34-38.

25. Гилев, A.B. О повышении срока службы бурового инструмента [Текст] / А В. Гилев // Изв. ВУЗов Горный журнал. -2004 -№12 -С. 70-74.

26. Буткин, В Д. О перспективном направлении совершенствования буровой техники и технологии на угольных разрезах [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, А.В Реводько // Горно-информ. аналит. бюлл. МГГУ, Москва, 1999. - № 6.- С. 58-60.

27. Буткин, В.Д. Об эффективной конструкции шарошечного долота с простыми и надежными опорами для бурения сложноструктурных горных пород [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, A.B. Минеев // Территория Нефтегаз. - 2005. - с. 58 - 61.

28. Гилев, А.В Перспективы и рациональные режимы применения буровых долот с зубчато-дисковыми шарошками [Текст] / А В Гилев // Горные машины и автоматика. - 2005 -№2.-С. 29-31.

29. Гилев, A.B. Развитие конструктивных схем долот с зубчато-дисковыми шарошками [Текст] / A.B. Гилев, В.Д. Буткин, В.Т. Чесноков // Горные машины и автоматика. - 2005. -№8.-8 с.

30. Гилев, A.B. О перспективах применения специализированных долот при бурении скважин со шнекопневматической очисткой [Текст] / A.B. Гилев, В.Д. Буткин // Горные машины и автоматика. - 2005. - № 8. - 10 с.

Международные конференции:

31. Brazhnikov, A.V. Improvoment of Technical - and - Economic Characteristics of Drilling Rigs Owing To Use of Multiphase Electric Drives [Text] / A.V. Brazhnikov, A.V. Gilev //16TH ANNUAL ISTD TECHNICAL CONFERENCE.- Las Vegas, Nevada, USA. - 1996. - P. 16-26.

32. Буткин, В.Д. Оценка средств механического воздействия на горную породу [Текст] / В.Д. Буткин, А. В. Гилев, [и др.] // Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых: сб. науч. ст Международ, науч.-практ. конф. - Красноярск, 1996. - Ч. 1. - С. 86-90.

- 33. Гилев, A.B. Вопросы совершенствования буровой техники для глубоких карьеров

[Текст] / A.B. Гилев // Проблемы разработки месторождений глубокими карьерами: сб. науч. докл. Международ, конф. - Челябинск, 1996. - С. 86-89.

34. Гилев, A.B. О создании техники для глубоких карьеров [Текст] / A.B. Гилев // Между-т. нар. конференция по открытым горным работам: сб. науч. докл. - Москва, 1996. - С. 185-187.

35. Гилев, А.В Новый буровой инструмент для горных работ в сибирских регионах [Текст] / A.B. Гилев, А.Н. Апимцев, P.A. Гилев и [др.] // Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов: Всероссийская науч.-практич. конф. и выставка с международ, участием. В 3-х ч. Ч. 3. - КГТУ, Красноярск. - 1999. - С. 275-276.

36. Буткин, В.Д. Вращательно-ударный способ бурения ударно-дисковым инструментом -решение проблем буровых работ в стесненных условиях глубоких карьеров [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, В Т Чесноков// Актуальные проблемы разработки кимберлитовых ме-

сторождений: современное состояние и перспективы решения: сб. докл Международ, науч.-практич. конф. "Мирный-2001". - Мирный, 2001. - С. 19-21.

37. Нехорошева, Л В Компьютерное моделирование и информационные технологии в подготовке инженеров-механиков [Текст] / JI.B. Нехорошева, A.B. Гилев, C.B. Доронин // Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании: сб. матер. Международ, конф - Пенза, 2003. - С. 123-125.

38. Гилев, А. В. К теории рабочего процесса буровых долот переменно! о диаметра [Текст] /

A. В. Гилев // Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых- сб. науч. ст. Международ, науч.-практ конф - Красноярск, 1996. - Ч. ! - С. 90-95.

39. Гилев, A.B. Концепция замены шарошечных долот на угольных разрезах [Текст] / A.B. Гилев, А.Н Алимцев. A.B. Реводько И Сб. докл. Международ, конф. по открытым горным работам. - Москва, 1998. - С. 58-61.

Сборники научных трудов:

40. Гилев, A.B. Перспективы развития новой техники бурения на карьерах [Текст] / A.B. Гилев Н Повышение эффективности работ горного оборудования при освоении месторождений полезных ископаемых: сб науч. тр Под ред А В Гилева и С.В Медведева. - Красноярск, 1995.-С. 4-10.

41. Буткин, В.Д Совершенствование дисковых долот фрезерного типа и технологии их применения на карьерах [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, Х.М. Мишхожев // Повышение эффективности работ горного оборудования при освоении месторождений полезных ископаемых: сб. науч. гр. Под ред. A.B. Гилева и C.B. Медведева. - Красноярск, 1995. - С. 10-17.

42. Гилев, A.B. Буровое долото режущего типа [Текст] / А В Гилев, В.Д. Буткин: Информационный лист ЦНТИ №92-98. - Красноярск, 1998. - 3 с.

43. Буткин, В.Д Методы определения рациональных режимов бурения резанием взрывных скважин [Текст.] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев и [др.]. // Тр. Рубцовского инд. ин-та. Вып. 6. Техн. науки. Под ред. A.B. Кутыгина. - Рубцовск, РИИ, 2000. - С. 120-125.

44. Буткин, В.Д О способах повышения экономичности буровых долот с шарошечным вооружением на карьерах [Текст] / В Д. Буткин, A.B. Гилев, Д.Б. Нехорошее и [др.] // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч тр. Вып. 2. - Красноярск, 2004. - С. 65-69.

45. Гилев, А.В Влияние конструкции бурового инструмента на работу пневмотранспорт-ной системы станка [Текст] / A.B. Гилев // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. тр. Вып. 2. - Красноярск, 2004. - С. 121 -127.

46. Буткин, В.Д. Об инструментах и технологиях бурения в сложноструктурных толщах горных пород на карьерах [Текст] / В Д Буткин, A.B. Гилев, Д.Б. Нехорошее и [др.]. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов, сб. науч. тр. Вып. 2. Красноярск, 2004.-С. 212-216.

47. Гилев, A.B. Определение рациональных режимов бурения скважин долотами с зубчато-дисковыми шарошками [Текст] / A.B. Гилев // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. тр. Вып. 2 - Красноярск, 2004. - С. 129-135.

48. Буткин, В.Д. Создание специализированных буровых долот для карьеров [Текст] / В. Д. Буткин, А. В. Гилев, В. А. Махинин [и др.] // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. / Иркутск, гос. тех ун-т. - Иркутск, 2004. - Вып. 4. - С. 200-204.

49. Гилев, А. В. Буровой инструмент для крепких пород [Текст] / А. В Гилев. В Д. Буткин, Д

B. Висляев // Современные технологии освоения минеральных ресурсов- сб. науч. тр. Вып. 2. - Красноярск, 2004. - С. 110-113.

Всероссийские конференции:

50. Гилев, A.B. Основы теории работы долот режуще-вращательного действия [Текст] / A.B. Гилев, Х.М. Мишхожев, А.Н. Алимцев // Молодежь и наука - третье тысячелетие: сб. тез. ГУ Межвуз. фестиваля. - Красноярск, 1997. - С. 167-168.

51. Гилев, A.B. Разработка вращательно-подающего механизма для буровых станков с гибким буровым ставом (СБГС) [Текст] / A.B. Гилев, А.Н. Алимцсв // Перспективные материалы: получение и технологии обработки: сб. науч. тр. - Красноярск, 1998. С. 66-67.

52. Гилев, A.B. О замене шарошечных долот дисковыми на угольных разрезах [Текст] / A.B. Гилев, A.B. Реводько, А.Н. Алимцев // Перспективные материалы: получение и технологии обработки: сб. науч. тр. - Красноярск, 1998. - С. 67-68.

53. Гилев, A.B. Разработка перспективных долот фрезерного типа [Текст] / А В. Гилев, А.В Реводько // Перспективные ма1ериалы: получение и технологии обработки, сб. науч. тр. -Красноярск, 1998. - С. 70-71.

54. Гилев, A.B. Режуше-вращательное долото переменного диаметра [Текст] / A.B. Гилев, A.B. Реводько, А Н. Алимцев // Перспективные материалы' получение и технологии обработки: сб. науч. тр. - Красноярск, 1998. - С. 71-72.

55. Гилев, A.B. Способ извлечения твердого сплава из бурового инструмента [Текст] / A.B. Гилев, A.B. Реводько // Перспективные материалы: получение и технологии обработки: сб. науч. тр. - Красноярск, 1998. С. 170-171.

56. Буткин, В.Д. О применении разборных долот режущего типа с дисково-зубчатым вооружением взамен шарошечных на карьерах в породах средней и повышенной крепости [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, А М. Тодинов и [др ] // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Красноярск, 2001. - С. 327-333

57. Буткин, В.Д. Рациональные решения в технике вращательно-ударного бурения взрывных скважин на карьерах [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, A.M. Тодинов и [др.] // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Красноярск, 2001. -С. 417-419.

58 Гилев, А.В Вопросы проектирования и рационального применения буровых долот с дисковыми шарошками [Текст] / A.B. Гилев, А.Н. Алимцев, A.B. Реводько // Перспективные технологии и техника для горно-металлургичекого комплекса: сб. науч. ст - Красноярск, 1999.-С. 143-150.

59. Гилев, A.B. Перспективы применения буровых долот режуще-вращательного действия в угольной промышленности [Текст] / A.B. Гилев, В.Д Буткин и [др.] // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб науч тр Вып. 8, ч. 1. - Красноярск, 2002. _С. 404-406

60. Гилев, А В. Технико-экономическая оценка восстановления шарошечных долот на основе их опытно-промышленных испытаний [Текст] / А В Гилев, В Д Буткин и [др.] // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. Вып 8, ч. 2. -Красноярск, 2002. - С. 114-116.

61. Гилев, A.B. Переработка изношенного бурового инструмента [Текст] / A.B. Гилев, А.Н. Алимцев, A.B. Реводько // Перспективные материалы, технологии, конструкции сб. науч. тр. Вып. 4. - Красноярск, 1998. - С. 649-653.

62. Буткин, В.Д Развитие проектных расчетов буровых шарошечных долот повышенной живучести [Текст] / В.Д. Буткин, A.B. Гилев, С.В. Доронин и [др.] // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф: труды VII Всероссийской науч. конф. в 3-х т.; т.2. - Красноярск, 2003. - С.73-78.

63. Гилев, A.B. Влияние конструкции долот с зубчато-дисковыми шарошками на энергетические показатели бурового станка [Текст] / A.B. Гилев // Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники, сб. науч. докл. конференции по подпрограмме "Топливо и энергетика" НТП Минобразования РФ - Москва, 2004

Отпечатано на участке множительной техники ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»; 660025, г Красноярск, ул. Вавилова, 66®. Подписано в печать 26.07.05. Формат60x84 1/16. Усл. печ. л. 2,5. Тираж ПО экз

»15262

РНБ Русский фонд

2006-4 13314

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ИЗЫСКАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ БУРЕНИЯ СКВАЖИН. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Горно-геологические условия. Объемы и способы бурения на карьерах.

1.2. Тенденции развития техники бурения взрывных скважин.

1.3. Анализ развития конструкций буровых инструментов.

1.4. Анализ исследований процессов очистки скважин от бурового шлама.

1.5. Восстановление и утилизация бурового инструмента.

1.6. Резюме. Задачи и методы исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ДОЛОТ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ.

2.1. Значение бурового инструмента в технологии вращательного бурения взрывных скважин и критерии оценки эффективности его использования.

2.2. Закономерности процесса вращательного бурения (забойного процесса) и формирование экономико-математической модели системы горная порода - буровой инструмент - буровой станок».

2.3. Обоснование принципов создания специализированных буровых инструментов для открытых горных работ.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ БАЗОВЫХ

МОДЕЛЕЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ДОЛОТ.

3.1. Долото режущего действия переменного диаметра с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ-РД).

3.2. Дисковое долото фрезерного типа с регулируемым диаметром (ДЗДШ-РД-Ц).

3.3. Дисковое долото фрезерного типа с регулируемой частотой вращения (ДЗДШ-РВ).

3.4. Разборное долото с конусными шарошками, сформированными из дисков (РШД-К-Д).

3.5. Буровое долото режуще-скалывающего действия (ДЗДШ-УК).

3.6. Разборное буровое долото шарошечного типа (РШД-К-Ц).

3.7. Шарошечное долото с опорным устройством разборного типа (РШД-К-И).

3.8. Буровое долото со сменными вертикальными опорами (РШД-С-В).

3.9. Буровое долото со сферическими шарошками (РШД-С-Н).

3.10. Долото с зубчато-дисковыми шарошками, устанавливаемыми под различными углами к плоскости забоя (ДЗДШ-РУ).

3.11. Систематизация специализированного бурового инструмента.

3.12. Исследование прочностных характеристик специализированного бурового инструмента.

Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛОТ С ЗУБЧАТО-ДИСКОВЫМИ ШАРОШКАМИ.

4.1. Научно-технические предпосылки создания разборных долот режущего действия ДЗДШ.

4.2. Особенности конструкции и кинематика работы долота ДЗДШ.

4.3. Компоновочные схемы долот ДЗДШ.

4.4. Опытно-промышленные испытания долот с зубчато-дисковыми шарошками.

Выводы.

ГЛАВА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫМИ ДОЛОТАМИ И СРЕДСТВ ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ.

5.1. Теория и методы установления режима бурения.

5.2. Определение режимных параметров, обеспечивающих устойчивую работу долота ДЗДШ.

5.3. Режимы пневматической очистки скважин от бурового шлама при работе долот ДЗДШ.

5.3.1. Влияние конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ на эффективность пневмоочистки скважин.

5.3.2. Определение расхода воздуха на продувку скважины при бурении долотами ДЗДШ.

5.3.3. Определение показателей пневмотранспортной системы станка при бурении долотами ДЗДШ.

5.4. Режимы шне ко пневматической очистки скважин при бурении долотами ДЗДШ.

5.4.1. Закономерности процесса удаления бурового шлама из призабойной зоны скважины.

5.4.2. Закономерности процесса удаления бурового шлама из шнековой зоны скважины.

5.4.3. Определение показателей работы пневмотранспортной системы станка со шнекопневматической очисткой.

5.5. Пневмо-эжекционная эвакуация бурового шлама из скважины.

5.5.1. Сущность пневмо-эжекционного способа эвакуации бурового шлама и принцип работы реализующих его устройств.

5.5.2. Основы теории пневмо-эжекционной эвакуации бурового шлама из скважины.

5.5.3. Лабораторные и опытно-промышленные испытания пневмо-эжекционной эвакуации бурового шлама из скважины.

5.5.4. Методика расчета технико-экономических показателей процесса бурения взрывных скважин с пневмо-эжекционной эвакуацией бурового шлама.

5.6. Опытно-промышленные исследования режимов очистки скважин от бурового шлама и их влияния на показатели работы станка.

Выводы.

ГЛАВА 6. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, ВТОРИЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ

БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА.

6.1. Конструктивные преобразования долот при бурении горных пород с широким изменением физико-механических свойств.

6.2. Способ преобразования долот с конусными шарошками в долота ДЗДШ.

6.3. Способ преобразования долот с конусными шарошками в долота РД со стационарными резцами.

6.4. Утилизация бурового инструмента.

6.5. Опытно-промышленные испытания восстановленных шарошечных долот.

6.6. Технико-экономическое обоснование целесообразности вторичных конструктивных преобразований бурового инструмента.

Выводы.

В основе всего промышленного производства стоит горная промышленность, осуществляющая добычу полезных ископаемых и обеспечивающая сырьевые потребности не только России, но и других стран. Основные объемы ^ горной массы подготавливаются к выемке буровзрывным способом, одним из главных технологических процессов которого является бурение взрывных скважин.

Буровой комплекс на открытых горных работах представляет собой крупную ресурсоемкую систему, в которой в настоящее время преобладает экстенсивное развитие. За последние годы рост производительности бурового оборудования практически прекратился и происходит значительное непрерывное увеличение затрат на буровые работы. Р В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят 60 млн. м скважин, освоение которых при существующих устаревших средствах бурения потребует списочного состава буровых станков более 1500 ед. и расходования в год 160 - 200 тыс. буровых инструментов. Ежегодные эксплуатационные затраты могут достигнуть 6 млрд. руб., из них примерно 60 - 65 % составят затраты на буровой инструмент. Поэтому создание эффективных буровых инструмен-ф тов и технологий их применения на карьерах является важной научно-технической проблемой.

Буровой инструмент является самым высоконагружаемым и ответственным элементом бурового станка, определяющим способ бурения в соответствии со свойствами буримых пород. Скоростные качества долота, его износостойкость и стоимость формируют главный критерий эффективности буровых работ — удельные затраты на бурение 1 м скважины, высокий уровень которых ^ не соответствует современным требованиям к использованию ресурсов предприятий.

Большие расходы на буровой инструмент объясняются преимущественно использованием на карьерах ресурсоемких (энергоемких) и сложных шарошечных долот (свыше 80 % от всех объемов). Их стоимость непрерывно повышается, особенно долот увеличенного диаметра (244,5 - 320 мм), масштабы потребления которых интенсивно возрастают по технологическим причинам. Стойкость отечественных шарошечных долот в 5 — 6 раз ниже лучших зарубежных образцов.

Практика показывает, что выпускаемые шарошечные долота, конструктивные и ресурсные параметры которых изначально рассчитаны на жесткие требования проходки глубоких скважин, не могут соответствовать всем условиям бурения неглубоких взрывных скважин.

В горных породах с относительно небольшим коэффициентом крепости (f = 2 - 10), составляющих на открытых горных работах значительную долю (от 25 - 35 % на добыче руд, алмазов и строительных материалов до 85 — 90 % на угольных разрезах), в 1,5-3 раза большую производительность и экономичность по сравнению с шарошечными долотами могут обеспечить более дешевые и простые режущие долота, а в сложноструктурных породных массивах — долота с зубчато-дисковым вооружением и различные комбинированные инструменты.

Пилотные образцы (модели) некоторых видов долот усилиями ряда НИИ и вузов (НИИОГР, ИГД им. A.A. Скочинского, ГУЦМиЗ, ИрГТУ, КузГТУ и др.) разработаны давно, но серийное их изготовление и должное использование не организовано (за исключением режущих долот диаметром 160 мм для шне-ковых станков) и четкие границы их применения не определены. Многие известные технические решения в области буровых инструментов еще требуют длительной опытно-промышленной проверки и экономических обоснований.

Работа бурового инструмента органически сопряжена с технологическими процессами бурения и характеристиками исполнительных механизмов бурового станка. Поэтому необходимо обеспечивать согласованность параметров создаваемых новых моделей буровых инструментов с режимными параметрами процессов разрушения пород и удаления продуктов разрушения из забоя скважины, а также с параметрами буровых станков (механизмов вращения, подачи бурового инструмента и очистки скважины).

Особенно больших изменений требуют устройства и параметры пнев-мотранспортных систем буровых станков при использовании высокопроизводительных долот режущего и режуще-скалывающего действия. Их работа сопровождается выходом из скважины крупнокомпонентных концентрированных пневмосмесей, оптимальные условия стабильного перемещения которых из скважины (без ее зашламовывания) окончательно не определены.

До сих пор не найдены надежные инструменты и технологии проходки скважин в достаточно распространенных аномальных геологических условиях, когда сочетание вязких водонасыщенных глинистых формаций и включений крепких пород обусловливает чрезвычайно низкие технико-экономические показатели бурения с пневмоочисткой скважин вследствие запрессовывания продувочных каналов БИ и блокирования работы их вооружения.

В процессе бурения со шнекопневматической очисткой скважин в указанных условиях наблюдается интенсивное изнашивание шнековых штанг и увеличение потребляемой мощности, особенно с ростом диаметра и глубины скважин.

Следовательно, возникает необходимость совершенствования и разработки новых способов очистки скважин от бурового шлама.

Выпускаемые ШД являются неремонтопригодными, не подлежат восстановлению и 80 % из них преждевременно выходят из строя из-за износа опор и вооружения. Ресурс долот при этом остается невыработанным. Кроме того, ШД имеют на вооружении дорогостоящий металлокерамический твердый сплав (ВК8В, ВК11ВК и др.), и до настоящего времени нет эффективной технологии его извлечения из отработанных ШД.

Отсутствует технология централизованной переработки и реставрации изношенных буровых долот, в связи с чем остро стоит вопрос разработки методов вторичных конструктивных обоснований БИ и технологии его утилизации.

Таким образом, важное значение приобрела научная проблема теоретического обоснования и разработки эффективных БИ и целого ряда технологий их использования при бурении на ОГР, решение которых внесет существенный вклад в повышение уровня рентабельности горных предприятий.

Диссертационная работа основана на материалах и результатах исследоШ ваний, проведенных при непосредственном участии автора в течение 1995 -2005 г.г. на кафедре "Горные машины и комплексы" ГОУ В ПО "ГУЦМиЗ" по научно-техническим (государственным) программам Госкомвуза РФ и Минобразования РФ и по прямым договорам с предприятиями горнодобывющей и металлургической промышленностей.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка буровых инструментов и технологий их применения, обеспечивающих интенсификацию процессов разрушения пород, повышение производительно

4 сти и экономичности бурения взрывных скважин на карьерах.

Основная идея работы заключается в создании эффективных разборных буровых инструментов и способов удаления бурового шлама, соответствующих специфике условий бурения взрывных скважин.

Основные защищаемые научные положения диссертации:

1. Эффективное функционирование системы «горная порода — буровой инструмент — буровой станок» достигается созданием специализированных буровых ф инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью породоразрушающих элементов, а также установлением пропорции между применяемыми типами долот и объемами буримых пород по крепости.

2. Разработанные конструкции и практика применения долот с зубчато-дисковыми шарошками обеспечивают двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарными резцами и расширяют об ласть эффективного применения высокоскоростного бурения резанием в слож-ноструктурных породных массивах с Г< 8, имеющих включения до 10 - 12.

3. Созданная теория и математическая модель взаимодействия вооружения ДЗДТГГ с разрушаемой породой, а также конструктивных и аэродинамических параметров с показателями систем очистки скважины от бурового шлама являются достаточной основой для определения рациональных режимов бурения и параметров буровых станков.

4. Предложенный пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство - шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор -обеспечивают рациональный режим очистки, увеличение скорости подъема бурового шлама из скважины, снижение расхода и давления воздуха.

5. Разработанные методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации буровых инструментов значительно повышают эффективность использования их ресурса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием и согласованностью теоретических исследований и опытных испытаний разработанных способов и устройств очистки скважин, конструкций буровых инструментов, способов их конструктивных преобразований; применением методов смещенных гипербол, статистического и математического анализа, конечно-элементных технологий моделирования (численных методов расчета), а также кинематических исследований новых буровых инструментов. Научно-технические рекомендации и разработки диссертации подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытаний новых буровых инструментов, технологий их восстановления и способов удаления бурового шлама, проведенных на карьерах Сибири и Хакасии.

Научная новизна результатов исследований состоит в:

- разработке экономико-математической модели системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок», включающей описание процесса вращательного бурения методом смещенных гипербол;

- обосновании целесообразности создания разборных буровых инструментов с возможностью многократного использования деталей, взаимозаменяемости породоразрушающих элементов и для применения в широком диапазоне изменения горно-технологических условий бурения;

- обосновании осевых усилий, необходимых для устойчивой работы долот с зубчато-дисковыми шарошками;

- разработке пневмо-эжекционного способа и устройства очистки скважины от бурового шлама;

- оценке влияния конструктивных, аэродинамических, кинематических и технико-экономических параметров долот с зубчато-дисковыми шарошками на эффективность процесса бурения;

- обосновании способов конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента;

- разработке экономико-математических моделей забойного процесса для сравнительной оценки и прогнозирования эффективности буровых инструментов с учетом их новых конструктивно-потребительских качеств и конструктивных преобразований.

Практическая и методологическая значимость результатов работы состоит в разработке:

- ряда новых видов специализированных буровых инструментов, способных осуществлять эффективное бурение взрывных скважин в расширенных диапазонах изменения горно-геологических условий и составить успешную конкуренцию дорогим отечественным и зарубежным шарошечным долотам;

- буровых долот с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ), обеспечивающих в сложноструктурных породных массивах с < 8 (при наличии включений до Г = 10 -12) повышение скорости и экономичности бурения в 1,3 - 1,5 раза по сравнению с шарошечными долотами и увеличение стойкости породоразрушающих элементов в 2 раза по сравнению с режущими долотами;

- методики определения рациональных конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса очистки скважины от бурового шлама;

- методики определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих устойчивую работу их с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот;

- пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама и шнекового пнев-мо-эжекционного эвакуатора, повышающих эффективность процесса очистки скважин при бурении сложноструктурных породных массивов и снижающих энергоемкость процесса очистки скважин;

- методов конструктивных преобразований бурового инструмента, обеспечивающих повышение ресурса работы долот и снижение расходов на бурение;

- методов извлечения твердосплавных зубьев из отработанных шарошечных долот, что приводит к экономии ресурсов;

Результаты работы реализованы в следующих направлениях. В научно-технических программах и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:

- «Исследование и разработка перспективных способов и устройств бурения крепких пород», № гос. регистрации 01900059971, 1995 г. - Заказчик: Госкомвуз РФ;

- «Разработка технологии, проектирование участка и изготовление шарошечного и режуще-вращательного бурового инструмента», № 390/98, 1998 г. — Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- «Теоретические основы извлечения твердого сплава из бурового инструмента с целью его вторичного применения». Единый заказ-наряд, 1996-1998 г.г. — Заказчик: Минобразования РФ;

- «Разработка перспективных способов и устройств для бурения крепких пород», 1999 г.-Заказчик: Минобразования РФ;

- «Проектирование участка, разработка технологии изготовления и восстановления бурового инструмента», № 852/00, 2000-2002 г.г.- Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- «Разработка и поставка разборных шарошечных буровых долот режущего действия», № М-04-01, 2004 г. - Заказчик: ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «СУЭК»;

- «Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов»; НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»; № гос. регистрации 01200309829, 2003-2004 г.г. - Заказчик: Министерство образования и науки РФ. Долота РШД-244,5, и ДЗДШ-244,5 - включены в каталог научно-технических разработок по подпрограмме «Топливо и энергетика».

В промышленности:

- проект участка и техническая документация для изготовления специализированного бурового инструмента и восстановления долот приняты к использованию на ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- опытная партия долот ДЗДШ-244,5-3 реализована на Мазульском руднике ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

- опытные образцы долота ДРВУ-244,5-3 реализованы на ОАО «Угольный разрез Чал пан» (Республика Хакасия);

- опытная партия долот ДЗДШ-244,5-3 и ДЗДШ-244,5-4 реализована на разрезе «Черногорский» ООО «Черногорская угольная компания» (Республика Хакасия);

- результаты опытных испытаний долот ДЗДШ положительно оценены в ОАО «СУЭК». Рекомендовано провести полномасштабные испытания долот на четырех разрезах Хакасии, по результата*м которых принять решение об организации серийного производства на Бородинском ремонтно-механическом заводе для горнодобывающих предприятий;

- технология восстановления шарошечных долог передана на ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», по которой восстановлена опытная партия долот, реализованная на Мазульском руднике;

- пакет технологической документации на изготовление специализированных долот (РШД-244,5, ДЗДШ 244,5-3 и ДЗДШ 244,5-4) принят к реализации в ОАО «Сибирский инструментальный завод»;

- пакет конструкторской документации на изготовление устройства для пневмо-эжекционной очистки - шнекового пневмо-эжекционного эвакуатора (ШПЭ-244,5)- передан на ремонтно-механический завод ОАО «Сорский горнообогатительный комбинат» (Республика Хакасия), по которой изготовлен опытный экземпляр устройства;

- пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и устройство ШПЭ-244,5 испытаны на Мазульском известняковом руднике ОАО «АГК».

В учебном процессе:

- основные результаты диссертационной работы, изложенные в пяти учебных пособиях (2 - автор A.B. Гилев, 3 - авторы В.Д. Буткин и A.B. Гилев), используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»;

- изготовленный стенд «Пневмо-эжекционный способ очистки скважин» используется в научно-исследовательских работах студентов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались:

- на Международных конференциях: «Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых» (Красноярск, 1996 г.); по открытым горным работам (Москва, 1996 г., 1998 г.); «Проблемы разработки месторождений глубоких карьеров» (Челябинск, 1996 г.); «16ТН ANNUAL ISTD TECHNICAL CONFERENCE» (Las Vegas, Nevada, USA, 1996); Всероссийской научно-практической конференции и выставке с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999 г.); «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения» (Мирный, 2001 г.); на научных симпозиумах «Неделя Горняка» (Москва, 1999, 2005 г.г.); «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании» (Пенза, 2003 г.); «Современные технологии освоения минеральных ресурсов (Красноярск, 2004, 2005 г.г.);

- на Всероссийских конференциях: «Перспективные материалы: получение и технологии обработки» (Красноярск, 1998 г.); «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 1998, 2001, 2002 г.г.), VII Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» и III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003 г);

- на научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2003 г.), на конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва, 2004 г.).

Личный вклад соискателя в работу состоит: в постановке цели и задач диссертационной работы; разработке ряда конструкций специализированных буровых инструментов (защищенных патентами) и их систематизации; научном обосновании рациональных режимов бурения долотами ДЗДШ; установлении влияния конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ на закономерности движения бурового шлама при пневматическом и шнекопневма-тическом способах очистки скважины; в разработке пневмо-эжекционного способа эвакуации бурового шлама и устройства для его реализации; разработке ряда методов конструктивных преобразований и утилизации буровых инструментов с обоснованием их эффективности.

Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором.

По теме диссертации всего опубликовано 75 научных работ, в том числе 2 монографии, 5 учебных пособий, 9 статей в центральных изданиях, представлено 10 докладов на международных научно-практических конференциях, получено 14 патентов на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 386 страниц машинописного текста, включая 120 рисунков, 42 таблицы и библиографический список литературы из 167 наименований.

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ современного состояния техники и технологии буровых работ на карьерах, которые характеризуются большими затратами на бурение вследствие преимущественного использования дорогих, энергоемких и сложных шарошечных долот, которые не могут полностью соответствовать всем существующим условиям бурения взрывных скважин.

2. Разработана комплексная экономико-математическая модель забойного процесса и функционирования системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок», позволившая определять эффективность работы буровых долот и целесообразные пути их преобразования.

3. Обосновано, что значительное повышение эффективности буровых работ на открытых горных работах достигается созданием специализированных буровых инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью сменных породоразрушающих элементов в соответствии с горно-геологическими условиями; оптимизацией параметров режима бурения с учетом новых конструктивных и повышенных скоростных и ресурсных характеристик буровых инструментов; установлением пропорций между соотношением применяемых типов долот и объемов разрабатываемых пород по крепости.

4. Разработан ряд новых моделей специализированных буровых инструментов (11 наименований, защищенных патентами на изобретения), основанных на базовых моделях и систематизированных по конструктивным признакам, способам разрушения горных пород, областям применения и режимам бурения.

5. Обоснованы, разработаны и испытаны новые модели буровых долот режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками, кинематика которых обеспечивает двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарным вооружением и позволяет осуществлять эффективное бурение скважин в сложноструктурных породных массивах с £ < 8, имеющих включения до Г = 10 - 12.

6. Разработана методика определения рациональных конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих значительное снижение энергоемкости процесса очистки скважины от бурового шлама.

7. На основе кинематических исследований и забойного процесса разрушения горных пород разработана методика определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих их устойчивую работу с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот.

8. Обоснованы, разработаны и испытаны новый пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство — шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор, позволяющие устанавливать рациональный режим очистки с помощью эжекции воздушно-шламового потока, управления его концентрацией, регулирования параметров воздуха в пневмотранспортной системе станка и винтообразного движения шлама, что приводит к увеличению скорости подъема и наклонному безвозвратному выносу его из устья скважины, снижению расхода и давления воздуха, повышению скорости проходки и уменьшению энергозатрат на процесс бурения.

9. Обоснованы и разработаны методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента (защищенные патентами на изобретения), позволяющие повысить ресурс долот и снизить затраты на процесс бурения скважин. Предложена методика технико-экономической оценки эффективности восстановления долот. Результаты опытнопромышленных испытаний на Мазульском известняковом руднике доказали эффективность метода восстановления шарошечных долот, реализация которого позволяет значительно снизить расходы на буровой инструмент.

10. Практическая значимость научных разработок и технических решений, приведенных в диссертации, подтверждена их опытно-промышленными испытаниями и внедрением, проведенными в условиях ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Угольный разрез "Чалпан"» и др. Техническая документация на изготовление долот ДЗДШ принята к реализации в ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и обоснованы теоретические положения, совокупность которых можно классифицировать как решение крупной научно-технической проблемы повышения эффективности средств и технологий бурения взрывных скважин на открытых горных работах, имеющей важное народно-хозяйственное значение для развития горнодобывающей отрасли страны.

1. Воронов, Ю. Е. Совершенствование бурового оборудования разрезов Текст. / Ю. Е. Воронов. Кемерово: Кузбасс, гос. ун-т, 1998. - 192 с.

2. Справочник. Открытые горные работы Текст. / К. Н. Трубецкой [и др.]. -М.: Горное бюро, 1994. 590 с.

3. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транспортные машины цикличного действия Текст. / под ред. М. И. Щадова, Р. Ю. Подэрни. -М.: Недра, 1979.-374 с.

4. Симкин, Б. А. Справочник по бурению на карьерах Текст. / Б. А. Сим-кин, Б. Н. Кутузов, В. Д. Буткин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990. -224 с.

5. Калашников, А. Г. Приоритетные направления создания техники для бурения взрывных скважин на открытых горных работах Текст. / А. Г. Калашников, Б. Н. Кутузов // Горный журнал. 1997. - № 8. - С. 28-34.

6. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах Текст. / под ред. В. А. Перетолчина. М.: Недра, 1993. - 286 с.

7. Буткин, В. Д. Основы техники и технологии бурения горных пород на карьерах Текст.: учеб. пособие / В. Д. Буткин, А. В. Гилев; ГАЦМиЗ. Красноярск, 1995.-208 с.

8. Подэрни, Р. Ю. Основные концепции создания бурового станка нового технического уровня Текст. / Р.Ю. Пдэрни, М.Р. Хромой // Горный журнал. -1994. -№3.-С 35-39.

9. Сафохин, М. С. Машинист буровой установки на карьерах Текст.: учеб. пособие для учащихся профтехобразования / М. С. Сафохин, Б. А. Ката-нов.-М.: Недра, 1992.-312 с.

10. Иванов, К. И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых Текст. / К. И. Иванов, В. А. Латышев, В. Д. Андреев. — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1987. - 272 с.

11. Буткин, В.Д. Опыт и развитие технологии силового бурения резанием на карьерах / В.Д. Буткин, А.В. Гилев и др.. М.: Макс Пресс, 2005. - 313 с.

12. Improving drilling equipment for surface mining Text. / V. Butkin, A. Gilev, V. Chesnokov [et fl.] // Russian Mining. 2003. - № 6. - C. 40^14.

13. Специализированные долота для буровых работ в карьерах Текст. / В. Д. Буткин, А. В. Гилев, В. Т. Чесноков [и др.] // Горный журнал. — 2004. — № 5.-С. 38-42.

14. Сухов, Р. И. Результаты испытаний отечественных и зарубежных шарошечных долот и перспективы создания высокостойкого бурового инструмента Текст. / Р. И. Сухов // Сб. докл. II Междунар. конф. по открытым горным работам. М.: ЦНИИОМТП, 1996. - С. 86-94.

15. Буткин В.Д. Вопросы модернизации буровой техники и технологии на современном этапе развития угольных разрезов Текст. / В.Д. Буткин, А.В. Гилев., Г.Н. Шаповаленко и [др.]. // Уголь. 2004. - №10. - С. 34-38

16. Буримов, Ю. Г. Бурение верхних интервалов глубоких скважин большого диаметра Текст. / Ю. Г. Буримов, А. С. Копылов, А. В. Орлов. М.: Недра, 1975.-231 с.

17. Пат. 2109911 Российская Федерация, МПК6 Е21В 10/08. Одношаро-шечное долото Текст. / Чугунова В. И. № 94044186/03, заявл. 16.12.94; опубл. 27.04.98, Бюл. № 15. - 3 с.

18. Перетолчин, В. А. Теория рабочих процессов и выбор параметров исполнительных органов станков вращательного бурения для сложноструктурных породных массивов Текст.: дис. . д-ра техн. наук / Перетолчин Вадим Афанасьевич. М., 1986. - 274 с.

19. Страбыкин, Н. Н. Научное обоснование, выбор параметров и создание исполнительных органов буровых станков для карьеров Севера Текст.: дис. . д-ра техн. наук / Страбыкин Николай Николаевич. Иркутск, 1992. -355 с.

20. Беляев, А. Е. Экспериментально-теоретические основы создания исполнительных органов для бурения мерзлых сложноструктурных породных массивов Текст.: автореф. дис. . д-ра техн. наук / Беляев Александр Евгеньевич. Иркутск, 2005. - 42 с.

21. Буткин, В. Д. Опыт совершенствования технологии бурения на разрезах Текст. / В. Д. Буткин. М.: ЦНИИЭИуголь, 1975. - 50 с.

22. Буткин, В. Д. Совершенствование технологии бурения на Экибастуз-ском месторождении Текст. / В. Д. Буткин, А. С. Телешев // Уголь. 1973. -№ 6. - С. 24-28.

23. Буткин, В. Д. Буровые долота с вращающимися резцами для разрезов Текст. / В. Д. Буткин, А. С. Телешов, Е. Ф. Брюхов. М.: ЦНИИЭИуголь, 1976. -44 с.

24. Перетолчин, В. А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах Текст. / В. А. Перетолчин. М.: Недра, 1983. - 175 с.

25. Катанов, Б. А. Теоретические и экспериментальные основы создания эффективных средств шнекопневматического бурения взрывных скважин накарьерах Текст.: дис. . д-ра техн. наук / Катанов Борис Александрович. Кемерово, 1989.-335 с.

26. Барон, Л. И. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение шарошками Текст. / Л. И. Барон, Л. Б. Глатман, С. Л. Загорский. -М.: Наука, 1969.- 152 с.

27. Царицын, В. В. Бурение горных пород Текст. / В. В. Царицын. Киев: Гос. изд-во техн. литературы УССР, 1969. — 152 с.

28. Царицын, В. В. Технологическое разрушение горных пород Текст. / В. В. Царицын. Киев: Техника, 1964. - 443 с.

29. Буткин, В. Д. Буровые долота с вращающимися резцами для разрезов Текст. / В. Д. Буткин, А. С. Телешов, Б. Ф. Брюхов. М.: ЦНИИЭИуголь, 1976. -44 с.

30. Сулакшин, С. С. Технология бурения геологоразведочных скважин Текст. / С. С. Сулакшин. М.: Недра, 1973. - 320 с.

31. Лопатин, Ю. С. Бурение взрывных скважин на карьерах Текст. / Ю. С. Лопатин, Г. М. Осипов, А. А. Перегудов. М.: Недра, 1979. - 198 с.

32. Бурение с применением газообразных агентов промывочной жидкости Текст. / А. В. Романов [и др.]. М.: Недра, 1956. - 52 с.

33. Лактионов, А. Т. Основы теории и техники бурения скважин с очисткой забоя воздухом и газом Текст. / А. Т. Лактионов. М.: Гостопиздат, 1961. - 264 с.

34. Дусев, В. И. Шаршечные долота для бурения взрывных скважин Текст. / В. И. Дусев, П. Г. Чекулаев. М.: Цветметинформация, 1963. — 94 с.

35. Маковей, Н. Гидравлика бурения Текст. / Н. Маковей; пер. с рум. — М.: Недра, 1986.-536 с.

36. Кутузов, Б. Н. Пневмотранспортные и обеспыливающие системы буровых станков на карьерах Текст. / Б. Н. Кутузов, И. Г. Михеев. — М.: Недра, 1970.-272 с.

37. Кутузов, Б. Н. Пылеулавливание при бурении скважин на карьерах Текст. / Б. Н. Кутузов, И. Г. Михеев. М.: Недра, 1966. - 254 с.

38. Кутузов, Б. Н. Разрушение горных пород взрывом Текст.: учеб. для вузов / Б. Н. Кутузов. 3-е изд. - М.: Изд-во МГИ, 1992. - 516 с.

39. Буткин, В. Д. Научные основы технологии высокопроизводительного бурения на открытых разработках угольной промышленности Текст.: дис. . д-ра техн. наук / Буткин Владимир Дмитриевич. Челябинск, 1979. - 419 с.

40. Бурение скважин шарошечными долотами с шнекопневматической очисткой в закарстованных массивах Текст. / Б. А. Катанов [и др.] // Горный журнал. 1984. - № 8. - С. 46-47.

41. Грибенников, Н. В. Опора шарошечного долота и перспективы ее развития Текст. / Н. В. Грибенников. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 198 с.

42. Травкин, В. С. Породоразрушающий инструмент для вращательного бескернового бурения скважин Текст. / В. С. Травкин. — М.: Недра, 1982. — 190 с.

43. Жидовцев, Н. А. Долговечность шарошечных долот Текст. / Н. А. Жидовцев, В. Я. Кершенбаум, Э. С. Гинсбург. М.: Недра, 1992. - 226 с.

44. Турдахунов, М. М. Совершенствование буровзрывных работ на карьерах Соколовско-Сарбайского ГПО Текст. / М. М. Турдахунов, О. С. Исаченко, Н. Ф. Алешко [и др.]. Горный журнал. - 2004. - № 7. - С. 47-54.

45. Посташ, С. А. Повышение надежности и работоспособности шарошечных долот Текст. / С. А. Посташ. М.: Недра, 1982. - 120 с.

46. Гилев, А. В. Буровой инструмент для карьеров Текст.: учеб. пособие по специальности «Горные машины и оборудование» вузов / А. В. Гилев; ГАЦ-МиЗ. Красноярск, 1998. - 128 с.

47. Бревдо, Г. Д. Проектирование режима бурения Текст. / Г. Д. Бревдо. -М.: Недра, 1988.-200 с.

48. Козловский, Е. А. Кибернетические системы в разведочном бурении Текст. / Е. А. Козловский, М. А. Комаров, В. М. Тетярский. М.: Недра, 1985. -285 с.

49. Тарасевич, В. И. Основы повышения производительности буровых установок Текст. / В. И. Тарасевич. М.: Недра, 1968. - 212 с.

50. Карпухин, Е. Д. О рациональном времени работы шарошечного долота на забое Текст. / Е. Д. Карпухин // Современные средства и технология бурения взрывных скважин: сб. № 66/23. М.: Недра, 1969. - С. 207-220.

51. Технология и техника разведочного бурения Текст. / Ф. А. Шамшев [и др.]. М.: Недра, 1966. - 523 с.

52. Буткин, В. Д. Рациональность применения шарошечного бурения на карьерах по породам средней крепости Текст. / В. Д. Буткин // Науч. тр. ЧНИ-ИГД.- Копейск, 1961.-Вып. 1.-С. 78-86.

53. Крылов, К. А. Повышение долговечности и эффективности буровых долот Текст. / К. А. Крылов, О. А. Стрельцова. — М.: Недра, 1982. 206 с.

54. Буткин, В. Д. Проектирование режимных параметров автоматизированных станков шарошечного бурения Текст. / В. Д. Буткин. М.: Недра, 1979. -208 с.

55. Кудря, Н. А. Исследование физико-механических свойств горных пород методом сверления Текст. / Н. А. Кудря, В. И. Карпов // Вопросы горного дела. М.: Углетехиздат, 1958. - С. 45-49.

56. Карпухин, Е. Д. Исследование закономерностей взаимодействия инструмента с горной породой при шарошечном и комбинированном бурении Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук / Карпухин Евгений Дмитриевич. -М., 1979.- 16 с.

57. Спивак, А. И. Разрушение горных пород при бурении скважин Текст.: учеб. для вузов / А. И. Спивак, А. Н. Попов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1986.-208 с.

58. Беликов, В. Г. Рациональная отработка и износостойкость шарошечных долот Текст. / В. Г. Беликов. М.: Недра, 1972. - 160 с.

59. Регулирование и управление режимами бурения взрывных скважин Текст. / Н. И. Терехов [и др.]. Л.: Недра, 1983. - 223 с.

60. Петров, Р. М. Исследование влияния различных факторов на скорость и энергоемкость вращательного бурения резанием Текст. / Р. М. Петров // Добыча угля открытым способом. М.: ЦНИИЭИуголь, 1973. - № 3. - С. 36^40.

61. Буткин, В. Д. Исследование процесса пневматической очистки скважины при шарошечном бурении Текст. / В. Д. Буткин, Г. Д. Воропаев, М. И. Кулачек // Техника и технология буровзрывных работ: сб. науч. трудов. — Киев: НИОГР, 1975. Вып. 3.- 154 с.

62. Воронов, Ю. Е. Методология проектирования станков вращательного бурения нового технического уровня для разрезов Текст.: дис. . д-ра техн. наук / Воронов Юрий Евгеньевич. Кемерово, 1996. - 377 с.

63. Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов Текст.: отчет о НИР (заключ.): Гос. №01200309829 / Рук. A.B. Гилев; исполн. В.Т. Чесноков и [др.].- Красноярск. -2004. 66 с.

64. Подэрни, Р. Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ Текст. / Р. Ю. Подэрни. М.: Недра, 1985. - 544 с.

65. Дусев, В. И. Шарошечные долота для бурения взрывных скважин Текст. / В. И. Дусев. М.: Цветметинформация, 1963. - 94 с.

66. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транспортные машины цикличного действия Текст. / под ред. М. И. Щадова, Р. Ю. Подэрни. -М.: Недра, 1989.-374 с.

67. Катанов, Б. А. Основные причины износа шарошечных долот и пути их снижения Текст. / Б. А. Катанов // Горные машины и автоматика. 2003. -№2.-С. 13-14.

68. Создание специализированных буровых долот для карьеров Текст. / В. Д. Буткин, А. В. Гилев, В. А. Махинин [и др.] // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. / Ирк. гос. тех. ун-т. — Иркутск, 2004. Вып. 4. - С. 200-204.

69. Гилев, А. В. Вопросы проектирования и рационального применения буровых долот с дисковыми шарошками Текст. / А. В. Гилев, А. Н. Алимцев,

70. A. В. Реводько // Перспективные технологии и техника для горно-металлургического производства: сб. науч. ст.: в 2 ч. / ГАЦМиЗ. Красноярск, 1999. — Ч. 1. -С. 143-150.

71. Буровзрывные работы на угольных разрезах Текст. / Н. Я. Репин,

72. B. П. Богатырев, В. Д. Буткин и др.. М.: Недра, 1987. - 254 с.

73. Мавлютов, М. Р. Разрушение горных пород при бурении скважин Текст. / М. Р. Мавлютов. М.: Недра, 1978. - 215 с.

74. Гилев, А. В. Буровой инструмент для крепких пород Текст. / А. В. Гилев, В. Д. Буткин, Д. В. Висляков // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. тр. / ГУЦМиЗ. Красноярск, 2004. - Вып. 2. -С. 110-113.

75. Буткин, В. Д. Технология и техника разрушения горных пород на карьерах. Бурение взрывных скважин и основы взрыва и взрывчатых веществ Текст.:'учеб. пособие / В. Д. Буткин, A.B. Гилев; ГАЦМиЗ. Красноярск, 1998.

76. Буткин, В. Д. Технология и техника разрушения горных пород на карьерах. Теория и технология взрывных работ Текст.: учеб. пособие / В. Д. Буткин, А. В.Гилев; ГАЦМиЗ. Красноярск, 1999. - 176 с.

77. Ракишев, Б.Р. Бурение специальных скважин в мерзлых горных породах Текст. / Б.Р. Ракишев, Б.Ф. Шерстюк, [и др.]. М.:Недра, 1993. - 314 с.

78. Решение о выдаче патента №2003137271/03 Российская Федерация.7 —■

79. МПК' Е21В 10/20, 10/22. Буровое шарошечное долото Текст. / В.Д. Буткин, А.В. Гилев, В.Т. Чесноков и др. — заявл. 24.12.03. Решение от 9.12.04.

80. Арцимович, Г. В. Механофизические основы создания породоразру-шающего инструмента Текст. / Г. В. Арцимович. Новосибирск: Наука, 1985. - 268 с.

81. Арцимович, Г. В. Исследование и разработка породоразрушающего инструмента для бурения Текст. / Г. В. Арцимович, Е. П. Поладко, И. А. Свешников. Новосибирск: Наука, 1978. - 182 с.

82. Бабенков, И. С. Исследование взаимодействия бурового инструмента и породы методом фотоупругости Текст. / И. С. Бабенков, К. И. Иванов, Г. Л. Хесин. М.: Недра, 1970. - 128 с.

83. Барон, Л. И. Износ инструмента при резании горных пород Текст. / Л. И. Барон, Л. Б. Глатман. М.: Недра, 1969. - 168 с.

84. Блохин, В. С. Повышение эффективности бурового инструмента Текст. / В. С. Блохин. Киев: Техшка, 1982. - 160 с.

85. Виноградов, В. Н. Абразивное изнашивание бурильного инструмента Текст. / В. Н. Виноградов, Г. М. Сорокин, В. А. Доценко. М.: Недра, 1980. -207 с.

86. Катанов, Б. А. Режущий буровой инструмент (расчет и проектирование) Текст. / Б. А. Катанов, М. С. Сафохин. М.: Машиностроение, 1976. - 168 с.

87. Катанов, Б. А. Инструмент для бурения взрывных скважин на карьерах Текст. / Б. А. Катанов, М. С. Сафохин. М.: Недра, 1989. - 173 с.

88. Надежность технических систем Текст. / под общ. ред. Е. В. Сугака, Н. В. Василенко. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000. - 608 с.

89. Дмитрюк, Г. Н. Надежность механических систем Текст. / Г. Н. Дмит-рюк, И. Б. Пясик. — М.: Машиностроение, 1966. 184 с.

90. Писаренко, Г. С. Справочник по сопротивлению материалов Текст. / Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. Киев: Наукова думка, 1988. — 736 с.

91. Биргер, И. А. Сопротивление материалов Текст. / И. А. Биргер, Р. Р. Мавлютов. М.: Наука, 1986. - 560 с.

92. Краткий справочник конструктора нестандартного оборудования Текст.: в 2 т. / В. И. Бакуменко, В. А. Бондаренко, С. Н. Косоруков [и др.]; под общ. ред. В. И. Бакуменко. — М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. — 524 с.

93. Гнеденко, Б. В. Математические методы в теории надежности Текст. / Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляев, А. Д. Соловьев. М.: Наука, 1965. - 524 с.

94. Барлоу, Р. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность Текст. / Р. Барлоу, Ф. Прошан. М.: Наука, 1984. - 328 с.

95. Дедков, В. К. Основные вопросы эксплуатации сложных систем Текст. / В. К. Дедков, Н. А. Северцев. М.: Высш. шк., 1976. - 406 с.

96. Барзилович, Е. Ю. Модели технического обслуживания сложных систем Текст. / Е. Ю. Барзилович. М.: Высш. шк., 1982. - 231 с.

97. Проников, А. С. Научные проблемы и разработка методов повышения надежности машин Текст. / А. С. Проников // Проблемы надежности и ресурса в машиностроении. М.: Наука, 1986. - С. 87-101.

98. ИЗ. Болотин, В. В. Ресурс машин и конструкций Текст. / В. В. Болотин. М.: Машиностроение, 1990. - 448 с.

99. Черепанов, Г. П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения Текст. / Г. П. Черепанов. М.: Недра, 1987. - 308 с.

100. Черепанов, Г. П. Механика хрупкого разрушения Текст. / Г. П. Черепанов. М.: Наука, 1974. - 640 с.

101. Партон, В. 3. Механика упруго-пластического разрушения Текст. / В. 3. Партон, Е. М. Морозов. М.: Наука, 1985. - 504 с.

102. Элияшевский, И. В. Типовые задачи и расчеты в бурении Текст. / И. В. Элияшевский, М. Н. Сторонский, Я. М. Орсуляк. М.: Недра, 1982. — 296 с.

103. Фролов, К. В. Проблема безопасности сложных технических систем Текст. / К. В. Фролов, Н. А. Махутов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1992. -№ 5. - С. 3-11.

104. Легасов, В. А. Научные проблемы безопасности техносферы Текст. / В. А. Легасов, Б. Б. Чайванов, А. Н. Черноплеков // Безопасность труда в промышленности. 1988. -№ 1. - С. 44-51.

105. Белов, П. Г. Теоретические основы системной инженерии безопасности Текст. / П. Г. Белов. М.: МИБ СТС, 1996. - 424 с.

106. Проблемы обеспечения безопасности сложных технических систем Текст. / Н. А. Махутов, Ю. С. Карабасов, Н. И. Бурдаков [и др.] // Нелинейные задачи динамики машин. М.: Наука, 1992. - С. 167-178.

107. Матвиенко, Ю. Г. Детерминированный анализ безопасности, живучести и остаточного ресурса по критериям механики трещин Текст. / Ю. Г. Матвиенко // Заводская лаборатория. 1997. - № 6. - С. 52-58.

108. Махутов, Н. А. Принципы повышения безопасности сложных технических систем Текст. / Н. А. Махутов, А. Г. Котоусов // Защита металлов. -1996.-№ 4.-С. 346-351.

109. Подходы механики разрушения в концепции инженерной безопасности Текст. / Н. А. Махутов, Ю. Г. Матвиенко // Физико-химическая механика материалов. 1996. - № 2. - С. 35-42.

110. Советов, Г. А. Эксплуатация инструмента для бурения взрывных скважин Текст. / Г. А. Советов. М.: Цветметинформация, 1978. - 48 с.

111. Повышение долговечности опор буровых шарошечных долот за счет применения конических роликовых подшипников Текст. / А. В. Браженцев, В. П. Браженцев, Н. А. Жидовцев, Э. С. Гинзбург. М.: Цинтихимнефтемаш, 1990. -32 с.

112. Протасов, Ю. И. Теоретические основы механического разрушения горных пород Текст. / Ю. И. Протасов. М.: Недра, 1985. - 248 с.

113. Крапивин, М. Г. Горные инструменты Текст. / М. Г. Крапивин. -2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1979. - С. 263.

114. Эпштейн, Е. Ф. Теория бурения-резания горных пород твердыми сплавами Текст. / Е. Ф. Эпштейн. M.-JL: ГОНТИ, 1939. - 180 с.

115. Буткин, В.Д. Проектирование буровых долот для открытых, земляных и строительных работ Текст. / В.Д. Буткин, A.B. Гилев и [др.]. М.: Макс Пресс, 2005.-240 с.

116. Протодьяконов, Б. М. «Буримость» и крепость горных пород Текст. / Б. М. Протодьяконов, Б. М. Логунцов // Вопросы горного дела. М.: Угле-техиздат, 1958.-С. 19-33.

117. Линенко, Ю. П. Исследование работы вращающихся резцов для резания горных пород Текст. / Ю. П. Линенко // Разрушение горных пород механическими способами / под ред. Л. И. Барона. М.: Наука, 1966. - С. 202-207.

118. Федоров, В. M. Гипотеза об единстве процессов разрушения горных пород Текст. / В. М. Федоров // Уголь. 1970. - № 12. - С. 21-27.

119. Шрейнер, JT. А. Физические основы механики горных пород. Механические свойства и процессы разрушения при бурении Текст. / JI. А. Шрейнер. M.-JL: Гостоптехиздат, 1950. - 212 с.

120. Ефимов, Н. В. Краткий курс аналитической геометрии Текст. / Н. В. Ефимов. М.: Наука, 1969. - 272 с.

121. Яблонский, А. А. Курс теоретической механики Текст.: учеб. для техн. вузов / А. А. Яблонский, В. М. Никифорова. 7-е изд., стер. - СПб.: Линь, 1998.-788 с.

122. Разумов, И. М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов Текст. / И. М. Разумов. М.: Химия, 1972. - 240 с.

123. Воздвиженский, Б .И. Буровая механика Текст. / Б. И. Воздвиженский, М. Г. Васильев. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ГНТИЛ ГеО, 1954. - 352 с.

124. Карабин, А. И. Сжатый воздух Текст. / А. И. Карабин. М.: Машиностроение, 1964.-343 с.

125. Политехнический словарь Текст. / Под ред.А.Ю.Ишлинского. Изд-во "Советская энциклопедия". Москва, 1980. - 2-е изд. - 656 с.

126. Черкасский, В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры Текст. / В.М. Черкасский / /Учебн.для вузов. М.: Энергия, 1977. - 424 с.

127. Соколов, Е.Я. Струйные аппараты Текст. / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

128. Коган, П.А. К расчету предельных режимов газоструйных аппаратов Текст. / П.А. Коган, А.Н. Якушин // Теплоэнергетика. 1969. - № 11. - С. 8687.

129. Каннингэм, П.Г. Сжатие газа с помощью жидкоструйного насоса. Теоретические основы инженерных расчетов Текст. / П.Г. Каннингэм // М.: Мир.- №8. -С. 112-127.

130. Зингер, Н.М. Исследование гидравлических характеристик струйного насоса (элеватора) с переменным сечением сопла Текст. / Н.М. Зингер,

131. A.И. Белевич // Теплоэнергетика. 1984. - № 1. - С. 43-46.

132. Гарбуз, A.A. Исследование характеристик низконапорного газового эжектора Текст. / A.A. Гарбуз, Ю.Л. Тонконогий // Изв. вузов. Энергетика. — 1978.-№2.-С. 75-80.

133. Васильев, Ю.Н. Экспериментальное исследование вакуумного водо-воздушного эжектора с многоствольным соплом. Лопаточные машины и струйные аппараты // Машиностроение. 1971. - Вып. 5. - С. 262-306.

134. Урбан, Я. Пневматический транспортТекст. / Я. Урбан. Перевод с чешского P.E. Мельцера. Изд-во Машиностроение. Москва, 1967. - 256 с.

135. Качан, В.Г. Бурение шахтных стволов и скважин Текст. / В.Г. Качан, И.А. Купчинский. М.:Недра, 1984. - 284 с.

136. Международный транслятор-справочник. Буровой породоразру-шающий инструмент Текст.: в 2 т. Т. 1. Шарошечные долота / под науч. ред.

137. B. Я. Кершенбаума, А. В. Торгашова, А. Г. Мессера. М.: Недра, 2003. - 253 с.

138. Катанов, Б. А. Буровые долота с подвижными породоразрушающими элементами Текст. / Б. А. Катанов. Уголь. - 2003. -№ 10. - С. 42-44.

139. Катанов, Б. А. Развитие компоновочных схем режуще-шарошечных долот Текст. / Б. А. Катанов // Вестн. Куз. гос. тех. ун-та. Кемерово, -2004. -№61 (43).-С. 55-57.

140. Бурение специальных скважин в мерзлых горных породах Текст. / Б. Р. Ракишев, Б. Ф. Шерстюк, Е. К. Ястребов, Б. К. Старой. М.: Недра, 1993. -314с.

141. Крылов, К. А. Повышение долговечности и эффективности буровых долот Текст. / К. А. Крылов, О. А. Стрельцова. М.: Недра, 1983. - 206 с.

142. Твердые сплавы, тугоплавкие металлы, сверхтвердые материалы Текст.: рефер. сб. науч. тр. / сост. В. И. Третьяков, JT. И. Клячко. М.: Руда и металлы, 1999. - 264 с.

143. Геллер, Ю. А. Материаловедение Текст. / Ю. А. Геллер, А. Г. Рах-штадт. М.: Металлургия, 1984. - 384 с.

144. Зилова, Т. К. Замедленное разрушение материалов и влияние запаса упругой энергии Текст. / Т. К. Зилова, Я. Б. Фридман // Вопросы прочности материалов и конструкций. М.: Изд-во АН СССР, 1959. - С. 63-81.

145. Банатов, П. С. Износ и повышение долговечности горных машин Текст. / П. С. Банатов. М.: Недра, 1970. - 256 с.

146. Шувалов, В. Н. Качество и эффективность технологических машин Текст. / В. Н. Шувалов; Ленингр. гос. ун-т. Ленинград, 1977. - 160 с.

147. Решетов, Д. H. Надежность машин Текст.: учеб. пособие для машиностроительных специальностей вузов / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В. 3. Фадеев; под общ. ред. Д. Н. Решетова. М.: Высш. шк., 1988. - 238 с.