автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Научные основы и разработка технологии машинного способа проходки горноразведочных выработок

П;! Г? П' 0< ^

МОСКОВСКИЙ ГЕОЛОГОРАЗВВДОЧНЫЙ ИНСТИТУТ имени С.ОРДКОШЩЦЗЕ Специализированный Совет Д 063.55.01

11а правах рукописи

Докторант КУЗОВЛЕВ Борис Николаевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА . ЧОЛОГИИ МАШИННОГО СПОСОБА ПРОХОДКИ Г0Р1ЮРАЗВВД0ЧНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 05.15.14 - "Технология и техника

геологоразведочных работ".

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском геологоразведочном институте имени С.Орджоникидзе Научный консультант - д.т.н..профессор Грабчак Л.Г.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, Ахмег В.Х.

- доктор технических наук, профессор Башкатов Д.П.

- доктор технических наук, Петриченко В.П.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт цветных и благородных металлов

/Защита диссертации состоится " февраля 1992 г. в '/учас. в аудДгЗ/яа заседании специализированного Совета по присуждению ученых степеней Д 063.55.01 при Московском геологоразведочном институте имени С.Орджоникидзе по адресу: П7873, Москва, ул.Миклухо-Маклая, дом 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГРИ.

Автореферат разослан " " января 1992г. Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Совета.

Учены? секретарь

специализированного д.т.н., профессор

J

' • Apt туальность.

Как показывает практика проведения горноразведочных выработок, в последние годы (I985-I99I гг.) наметилась тенденция к снижению объемов проходки горных выработок и уменьшения количества проходческих бригад. С одной стороны, такая тенденция определяется развитием альтернативных методов разведки месторождений полезных ископаемых, с другой стороны, снижение объемов проходки объясняется значительным удорожанием горных работ за счет повышения цен на машины, материалы и трудовые ресурсы. Однако, несмотря на имеющиеся тенденции, горные выработки остаются наиболее информативными источника]/! и в случае месторождений со сложным характером залегания и крайне неравномерным распределением полезного компонента, только они могут гарантировать получение достоверной информации и высокое качество оценки запасов.

В отличии от эксплуатационных горных работ, горноразведочные имеют специфику, связанную с неопределенным характером геологоразведочного производства, частым изменением проектных решений в ходе проведения работ и получением новой геологической информации, необходимостью заверки рудных тел по простиранию и падению, что приводит к изменению прямолинейности выработок, большому количеству поворотов и сопряжений, использованию выработок относительно малых сечений, накладывающих ограниче ние на габариты применяемой техники. Кроме того, следует иметь ввиду низкий уровень концентрации горноразведочных работ, их большую расредоточенность по территории страны, в отдаленных районах и высокогорье.

При всем многообразии геологоразведочных выработок особое

ц

место ппнпмяет проходка восстающих и технических скважин большого лияметря, наиболее трудоемкого травмоопасного и дорогостоящего ниця рлбот. Потребность в этих выработках, применяемых для геологического документирования, проветривания, запасных выхо-дор, линиС коммуникаций, снабжения материалами и рудоспусков вчсы-'п высока, однако отсутствие необходимых технических средств во многих случаях препятствует реализации этоР потребности.

Основным способом проходки горноразведочных выработок остается буровзрывной. В настоящее время сметная стоимость I м гсрноряэведочной выработки в различных регионах колеблется от 300 до 500 рублей и в ближайшие годы, в силу действующих экономических законов можно ожидать многократного повышения стоимости проходки.

В практике геологоразведочных работ были попытки применения машинного способа проходки технических скважин большого диаметра с использованием нефтяных буровых уствноьок, однако удельная энергоемкость прогесса бурения (до Ю0Э-1500 кДж/м3) и высокая стоимость работ (до ТО ООО рублей зя один метр).заставили отказаться от этого способе. Такие предпринимались попытки бурения технических скважин диаметром 600-800 мм обычными буровыми станками. Эти работы показали, что бурильные трубы не выдерживают действующих крутящих моментов, а породоразрушлтаций инструмент работает малоэффективно. Таким образом поиск путей создания технических средств и технологии проходки геологоразведочных выработок, позволяющих резко повысить производительность труда л снизить стоимость проходки, является актуальной научно-тех-ническо!1 проблемой.

¡1,ель работы. Разработка теоретических положений, .лн'Купиость которых могла бы обеспечить внедрение с практику

геологоразведочных работ машинного способа проходки выработок.

Основные задачи исследований:

1. Обоснование области применения различных технологических схем машинного способа проходки.

2. Выявление закономерностей работы породоразрушающего инструмента на буровых органах большого диаметра различного характера движения.

3. Выявление закономерностей влияния пилот-скважины на распределение максимальных напряжений в стенках выработки и на забое.

4. Определение характера деформации бурового снаряда при бурении пилот-скважины

5. Определение технологических параметров машинной проходки, обеспечивающих высокие скорости проходки.

6. Выявление закономерностей очистки забоя скважин большого диаметра закрученными кольцевыми потоками.

7. Теоретические и экспериментальные исследования по определения местоположения забоя пилот-скважины и рабочего состояния расширителя акустическим методом.

8. Разработка математических моделей, позволяющих решать узловые задачи технологии машинной проходки выработок.

9. Сравнение аэродинамических характеристик для выработок, пройденных различными споообами.

10. Обоснование комбинированного способа проходки горноразведочных выработок.'

Основныая идея работы - Резкое повышение темпов и эффективности проходки геологоразведочных выработок достигается внедрением машинного способа проходки малогабаритными и мобильными

установками небольшой мощности, базирующееся на разработке основ теории и технологии машинной проходки.

Научная новизна исследований заключается в выявлении новых закономерностей и зависимостей^характерных для машинного способа проходки горноразведочных выработок.

Т. Получены зависимости эквивалентных сечений от способа проходки выработки, позволяющие сравнивать не только различные формы но и способы их крепления.

2. Установлены закономерности изменения аэродинамических характеристик для выработок, пройденных машинным способом, заключающиеся в большей вентиляционной способности одной выработки, сечение которой равно сумме двух выработок меньшего сечения и той же протяженности.

3. Установлены закономерности распределения породоразруша-кнцего инструмента (плоского резца), определяемые соотношением скорости углубки и тангенциальной скорости вращения.

4. Установлены закономерности влияния твердосплавного вооружения на траекторию движения шарошки, свидетельствующие о значительном увеличении горизонтальной согтавлятсщей при внедрении в породу по сравнению с шарошками не имеющими твердого сплава.

5. Получены закономерности, определяющие геометрические параметры трапециевидных шарошек и их оптимальное положение на буровом органе большого диаметра.

6. Получено выражение для определения угла £ наклона трапециевидной шарошки, позволяющие корректировать величину скольжения шарошки в зависимости от физико-механических свойств горных пород.

7. Определена величина критического угла У, наклона сатея-литной шарошки в планетарных буровых органах большого диаметра, обеспечивающая эпициклическое движение шарошки без контакта ведомой шарошки с неразрушенной частью забоя.

8. Установлены закономерности расположения соседних гшроцо-разрушающих венцов, обеспечивающие минимальные значения энергоемкости разрушения.

9. Определены зависимости энергетических и силовых характеристик от геометрических параметров породоразрушамцего инструмента позволяющие утверждать, что энергоемкость разрушения не зависит от глубины внедрения и радиуса ш&рошки.

10. Разработана методика, позволя-.'.^гя определить местоположение забоя пилот-скважины и рабочее состояние породораэрушающего инструмента установленного на расширителе.

11. Установлены закономерности деформации бурового вала при бурении восстающих и технических скважин большого диаметра, позволяющие обеспечить стабилизацию направления пилот-сквяжины и минимальные отклонения от проектной отметки.

12. Определено влияние пилот-скважины на напряженное состояние контура выработки, снижающей действующие максимальные напряжения и повышающей его устойчивость.

13. Получены зависимости расхода промывочной жидкости от диаметра выработки для пород различной прочности на одноосное сжатие и сформулировано условие идеальной очистки забоя.

14. Установлены закономерности распределения скоростей потока промывочной жидкости'в призабойном пространстве, определяющие интенсивность и несущую способность закрученного потока, подвод лятащего повысить содержание твердых частиц в объеме промывочной

жидкости до 50-6(У?.

15. Разработана методика расчета собственных колебаний и максимальных динамических нагрузок в буровом валу, позволяющая определить резонансные режимы работы, критические нагрузки переходных режимов и обеспечить безаварийность работы.

16. Разработана научно обоснованная методика применения комбинированного способа проходки, заключающаяся в использовании предварительно пройденной скважины большого диаметра, позволяющая снизить расход взрывчатых веществ и увеличить производительность проходки в I,5-2 раза.

Методы исследований. В процессе выполнения работы использовался комплекс методов, включающий:

- оперативную запись технологических параметров режима бурения, механической скорости и расхода мощности;

- оперативную запись акустических сигналов работы породо-разрушаюгцего инструмента;

- гранулометрический анализ разрушенной породы;

- экспериментальные исследования процесса искривления выработок в переслаивающихся породах с различными пределами прочности на сжатие.

- экспериментальные исследования работы породоразрушающего инструмента по буровых органах большого диаметра;

- статистическая обработка результатов и многофакторный корелляционный анализ с целью апрокскмации полученных законо-. мерностей;

- дифференциальное и интегральное исчисление для определения силовых и энергетических характеристик взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем;

- математическое моделирование технологических процессов с

помощью ЭВМ;

- технико-экономически анализ для оценки эффективности

внедрения технических средств и технологии машинной проходки горноразведочных выработок.

Достоверность научных положений и рекомендаций обусловлен-: высокими показателями выборочных коэффициентов вариации, сходимости результатов моделирования стендовых и аналитических исследований с результатами опытно-промышленных испытаний машинного способа проходки горноразведочных выработок.

Практическое значение заключается в том, что в результате выполненных теоретических и экспериментальных исследованиГ стало возможным:

1. Определить значимость вентиляционных выработок проходимых машинным способом.

2. Разработать методику оценки технического уровня установок для проходки горноразведочных выработок.

3. Предложить научно-обоснованные принципы конструирования буровых органов большого диаметра и комплектации их породорзэ-рупагацим инструментом.

4. Разработать методику расчета сметной стоимости проходки горноразведочной выработки ыапинным способом.

5. Выявить основные принципы оперативного управления процессом машинной проходки выработок.

6. Разработать инженерные методы расчета деформации бурового снаряда при бурении пилот-скважины.

7. Систематизировать способы очистки забоя скважин большого диаметра и определить возможные области применения того или иноги способа.

8. Дать теоретическое обоснование комбинированного способа проходки вертикальных горноразведочных выработок.

9. Определить организационные резервы производительности машинного способа проходки на примере установки "Стрела-77".

ТО. Разработать методику и аппаратуру для акустической пеленгации забоя пилот-скважины и рабочего состояния породоразру-шающего инструмента на расширителе.

Реализация работы в промышленности. На основании проведенных исследований, новизна которых подтверждается 13 авторскими свидетёльствами на изобретения, разработаны основы теории и технологии машинной проходки горноразведочных выработок, реализованные в конкретных технологических проектех при разведке и разработке золоторудных, полиметаллических и угольных месторождений.

Рекомендуемые технологические режимы и технические данные новых породоразрушагацих инструментов изложены в 8 научно-исследовательских работах внедренных в производство. Экспериментальные работы в промышленных условиях и внедрение, проведены в различных регионах - Узбекистане, КМА и Воркутинском угольном бассейне. Общий экономический эффект составляет 850 тыс.рублей. Ожидаемый экономический эффект от внедрения машинного способа проходки горнораэведочных выработок составит более 2 млн.рублей в год.

Апробация основных положений диссертации осуществлена на семинарах кафедры горного дела и проведения горноразведочных выработок МГРИ (1980-90 ггЧ заседаниях научно-технического совета ЦНИГРИ (Т983-88 гг.), ВИОГЕМа (1988-91 гг.), технических совеатниях ряда предприятий Мингео и Минуглепрома (1980-90 гг.). Некоторые разработки экспонировались на ВДНХ СССР.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в

л

одной монографии, 1-й брошюре , 13-ти авторских свидетельствах, 23 статьях. Всего публикаций по бурению скважин большого диаметр" 55.

Объем и структура диссертации:

Работа состоит из введения и шести глав и изложена на 350 стр. машинописного текста, включая 66 рис, 40 таблиц, список литературы из Т36 наименований, а также 6 приложений

»

Содержание работы.

Во введении приводятся сведения общего характера о тенденции развития горноразведочных работ в отрасли и возможных альтернативных решениях.

В первей главе рассмотрено современное состояние проходки горноразведочних выработок, систематизированы данные по практики машинной проходки выработок у нас в стране и за рубеяом и проанализированы существующие представления о характере взаимодействия породоразрушающего инструмента и забоя, отмечен

большой вклад в теорию и практику бурения технических скважин

, который внесли; большого диаметралтаучныК и производственна организаций, таки^

как: ВИОГШ, ВНИИБТ, ВНЮЮШК, ЦНИИПОДЗЕШАШ, ЦНИГРИ, МГРИ, тресты Союзшахтоосушениа, Спецшахтобурение, Еахтспецстрой, советские и зарубежные ученые, А.К.Агарков, Д.Н.Башкатов, Г.И.Булах, С.А.Брылов, В.А.Высоцкий, Л.Г.Грабчак, Г.Б.Добровольский, Н.П.Жи-ленко, Р.А.Иокесян, И.В.Куликов, В.Г.Королев, В.П.Кренделев, Б.П.Макаров, И.В.Морозов, А.А.Иураховский, В.В.Олейник, В.П. Петриченко, В.А.Плохих, М.С.Сафохин, Г.П.Сысоев, В.А.Федюкин, В.А.Хоменко, Н.Иеллор, Е.Еарнер, Д.Формантро, Р.Моррзл, П.Рад, Ф.Роксборо, А.Риспин, А.Взлэнтин и многие другие.

Показано, что проблема требует дальнейшей разработки, сформулирована цель и задачи исследований.

Во второй главе дается научно-методическое обоснование технологии машинного способа проходки и методика проведения теоретических и экспериментальных исследований.

В третьей главе отражены теоретические исследования кинематики и динамики работы породогазрушающего инструмента большого диаметра и вопросы расчета си* вых и энергетических параметров при взаимодействии шаровки с «боем.

В четвертой главе изложены вопросы оптимизации процесса машинной проходки,определенна местоположения забоя пилот-скважины, выбора способа очистки забоя и обоснование комбинированной схемн проходки вертикальных горных выработок.

В пятой.; главе приведены материалы по вопросам напряженного состояния на контуре выработки пройденной машинным способом, определена методика инженерных расчетов по стабилизации направления пилот-скважины, разработана методика моделирования динамических процессов в системе привод-буровой орган.

В шестой главе приведены основные результаты научных и производственных исследований и представлено технико-экономическое обоснование машинного способа проходки.

Основные защищаемые положения.

В последние годы наблюдается тенденция отказа от горнораз-ведочньпс выработок, как наиболее информативнее источников геологической информации, в пользу менее информативных, но более дешевых методов поисков и разведки. Отражением этого процесса стало резкое, практически в 2 раза,снижение объемов проходки горноразведочных выработок за последние пять лет. Таким образом применение новых технических средств и технологий, позволяющих снизить

стоимость горноразведочных выработок является актуальной научней задачей.

Положение I.

Буровзрывной способ сдерживает развитие сети подземных гор -ных выработок и приводит к удорожанию геологоразведочных работ вследствие низких темпов проходки шахтных стволов и восстающих. Сохранение темпов разведки и ограничение темпов роста затрат на эти горные работы обеспечивается внедрением в практику машинной проходки восстающих и технических скважин большого диаметра.

За последние пять лет среднеотраслевая скорость проходки вертикальных шахтных стволов увеличилась всего на 7,2$ и составила 19,4 м/месяц. Наилучшие показатели скорости проходки составили 32,7 м/месяц. Средняя скорость проходки наклонных шахтных стволов на россыпях составляет 40-50 м/месяц. При этом скорость проходки горизонтальных выработок составила 150-160 м/месяц при наилучших показателях 200-300 м/месяц. Таким образом темпы проходки вертикальных и наклонных горных выработок практически на порядок ниже, чем горизонтальных. Производительность труда подземного рабочего при проходке вертикальных шахтных стволов составляет всего 1,7 м/месяц, а при проведении горизонтальных выработок до 17-18 м/месяц. Стесненные условия работы при проходке восстающих выработок еще больше снижают месячные показатели проходки и производительность подземного рабочего. Наиболее сложно проходить восстающие высотой 70-100 м, поскольку возникают трудности с проветриванием, подъемом материалов и оборудования, передвижением людей и т.п. Обеспеченность геологоразведочных организаций самоходными комплексами КПВ-1 и КПРС, позволяющими повысить скорость проходки выработок остается весьма низкой и практически

не сказывается на общих показателях проходки восстающих по отрасли Анализ зарубежного опыта проходки восстающих и технологических скважин большого диаметра показывает, что до 9С$ выработок этого типа проходится машинным способом со средней скоростью 70-80 м/мес. при производительности труда подземного рабочего 35-40 м/мвсяп.

Фирмами США,ФРГ,Японии,Финляндии созданы целые классы установок различных типоразмеров, начиная от легких малогабаритных для проходки выработок диаметром 0,8 м, и кончая мощными установками для проходки выработок диаметром 3,6 м и более. Характерной чертой современных установок для машинной проходки выработок является их оснащение микропроцессорной техникой,позволяющей полностью автоматизировать процесс проходки. В этих условиях для контроля за работой установки достаточно одного квалифицированного оператора-бурильщика.

Сравнение зарубежных и отечественных показателей приводит к следующим выводам:

Л Машинный способ проходки восстающих и технических скважин большого диаметра значительно перспективнее буровзрывного способа проходки.

21 Отсутствие основ теории и технологии машинной проходки геологоразведочных выработок препятствует ее внедрению в практику горноразведочных работ.

31 Специфика горноразведочных работ накладывает определенные ограничения на энергоемкость процесса разрушения и стоимость работ, что вызывает необходимость применения достаточно мобильных малогабаритных установок небольшой мощности.

Проведенная нами работа по анализу отечественных и зарубежных технических средств машинной проходки восстающих и технических скважин большого диаметра позволила выделить основные классы,

модели установок и технологические схемы проходки (таблиц» что дало возможность определить перечень отечественных установи: 2КВ, 1КВ1, "Стрела-77", УБВ-1, 5, УБВ-600, способных реалиэог-нч, поставленную задачу.

Основные технологические схемы машинной проходки выработок

Таблица I.

Наименование технологической схемы.

Общее Отечественные количество установки отечественных работающие ни и зарубежных схеме. моделей_________

1. Расширение пилот-скважинц

снизу вверх. 45

2. Буре те сплопныы забоем

сверху вниз 27

3. Бурение сплошным забоем

снизу вверх 22

4. Бурение сплошным забоем сверху

вниз без бурового става 10

5. Расширение пнаот-скваяикц

сверху вниз_7_

2КВ,УБЬ-1,25

УБВ-600 1КВТ,

"Стрела-77,

СК-1У

БГА

Наци на базе обработки банка данных были определены начальные условия целесообразности применения машинной проходки в зависимости от ряда факторов, учитывающих прочностные свойства горних пород, наличке тектонических нарушений, устойчивость, протяженность отдельных выработок и общие объемы проходки на участке. Были такие выявлены приоритеты определяющие эффективность машинного способа, среди которых наиболее весомым оказалось конструктив-

мое исполнение буровых органов большого диаметра.

Положение 2. Работоспособность буровых органов большого диаметра определяется решением вопроса его комплектации породоразр-ушающим инструментом, строго регламентируемой соотношением линейных скоростей вращения бурового органа IV и скоростью углубки V . глубиной внедрения -А. . радиусом установки породо-разрушающего инструмента относительно оси вращения и его геометрическими размерами. Для планетарных буровых органов существенное значение имеет угол У- наклона оси сателлитной шарошки в плоскости $ - 2 . Диаметры бурения геологоразведочных скважин редко превышают 127-146 ш. В этих условиях работа породораэрушающего инструмента существенно отличается от работы породоразрушаицего инструмента на буровых органах диаметром от 1,0 и до 2,5 и и более. В десятки раз увеличиваются крутящие моменты, возрастают динамические нагрузки, появляются критические значения скольжения,' резко возрастает объем породы удаляемой с забоя.

Породоразрушающий инструмент, применяемый для комплектации буровых органов большого диаметра можно разделить на'инструмент режущего типа и инструмент скалывающего действия. Движение плоского резца, установленного на радиусе Л' от оси вращения бурового органа определяется уравнением вида:

г * Г COS & , /= г *''» 0 > Z ~ ( I 1

где t - время; 6 - угол поворота исполмггельного органа;

У - скорость осевого перемещения. С учетом уравнения ( II получено выражение, определяющее угол ¡А наклона резца в плоскости X - Z в зависимости от его местоположения на буровом органе и осевой скорости v в виде ;

Л /

где 14; ~ тангенциальная скорость равная К- (

где /2- - частота вращения бурового органа.

Уравнение (2) характеризует одно из важнейших положений работы породоразруиагщего инструмента режущего типа:

при 1/Д/г —- , 30* (3) или, поскольку частота вращения Л-. является конечной величиной, то при Г —_ 0 / с^ -"" 30° (4)

Другими словами резец расположенный в цвнтре бурового органа долпен внедряться перпендикулярно плоскости забоя.

]!а рисунке I представлен график зависимости угла наклона резца и относительного радиуса ["(И , при различных значениях

, где К> - радиус окружности бурового органа. График показывает, что при условии У "¿/(Г¡и > мшбод« интонспвное измензние угла наклона сС происходит при Г" <? А Компоненты скорости для резцов могут бить получены пепосрадогнеи-но путем дифференцирования уравнения (1).

• X ^ - г в 5/и 0

г-'® шв (Ь'|

У - V

Для расчета глубины внедрения Л породоразруиаюцего инструмента за один оборот бурового органа нами получено выражение :

, Л__

= ^^'Г^ЩГ <6)

где - кояичзство породоразруглзгдего инструмента, устаиоалби-иого на одно;.; радиуса. Позучзнкое вирааошю (б) иоао» использо-

Рис. I. Зависимость угла наклона виотовой линии относительного радиуса при различных значениях

ваться, как для расчета глубины внедрения инструмент« режуп:> с > типа, так и для породоразрулающего инструмента скалывающего действия, однако в случае твердосплавных шаропзк глубина вн~ч;рг ния будет ограничена геометрическими параметрами твердого сиин-ч, что может существенно снизить.-- производительность лрохолчески-.' навини. Для буровнх органов больиого диаметра шароаки очень ччсто имеют определенную толщину в радиальном направлении, в зтом слу чае в отличии от конических иароиек, ее форма больсе напоминает усеченная конус или если говорить о плоском изображении трапецию (рис.2). Поскольку шароака вращается с частотой /я. , диаметры внесшего и внутреннего торцов парояки должны быть согласованы с диаметром бурового органа с тем, чтобы предотвратить проскяльлы вание и заклинивание вароики. Нами получено выражение для расчета оптимального положения иарошки на буровом органе:

//

где - диацетр внеянего торца сэроики,

'Ъ/р - диаметр внутреннего торца паропки, , // - ширина рабочей поверхности шарошки. Угол конусности трапециевидной гарошки определяется уравнением:

где - радиус качения внутреннего торца шарошки.относи-

тельно оси вращения бурового органа;

/0 - радиус качения внеянего торча шарошки. Изменяя угол наклона В рабочей поверхности иаропки относительно оси вращения мозно устанавливать шарошки одного типоразмера

P'.r;. ¿of«M шзрошечнкх долот:

>1калибрунцая варенка внутренняя зюроаяа

на различных радиусах качения не опасаясь скольжения. Взаимосвязи, иеяду радиусРн качения // , оптимальны!! положением Яспг " углом наклона р рабочей поверхности шарошек имеет вид:

= 1 £ = асц„ / (91

Таким образом, пароики выбранные из условий установки на большей радиусе, могут быть установлены на меньших радиусах, обратная взаимосвязь исключается.

В отдельных случаях для повышения эффективности процесса разрушения становится выгодным допускпть частичное скольжение пароики, поскольку при этом помимо скалывающего действия шарошка приобретает резшцие свойства. При этом становится важным определять величину допустимого скольяения,с тем чтобы предотвратить быстрый износ шароаки. Нами получено выражение, позволяющее определить величину скольжения ыэжду шарошкой и забоем при внедрении на глубину А , в виде:

где радиус шарошки;

- радиус качения шарошки; $ - угловая скорость бурового органа; <р - угол вращения пароики. В процессе взаимодействия шарошки работающая без проскальзывания с забоем циклоидальная траектория внедрения имеет горизонтальную и вертикальную компоненты, причем если вертикальная компонента определяется глубиной внедрения -Л" , то горизонтальная компонента А.Х в значительной степени зависит от типа породоразрушао-

гцего инструмента. Например, для шарошек о закаленными вннцами полученное нами уравнение для АХ имеет вид:

ах =ееагссы (/- //ес) -

(И)

а для шарошки с твердосплавными сферическими вставками

Аг- /ес<? -

(12)

где С? ~ а г с ое^ (I _ уГ0Л смещения точки контакта поверх-

ности индентора относительно его центра;

Я «, - радиус сферической вставки. Расчеты показывают, что наличие сферических ивдеоторов способствует увеличению горизонтальной составляющей траектории внедрения в несколько раз.

Дяя определения скорости внедрения У" шарошки в породу нами было получено уравнение:

4 (13)

где Г'с - радиус качения центра шарошки.

При этом начальная скорость внедрения У0 может быть найдена из

уравнения:

Го - УПК1 (14)

На внешнем периметре бурового органа, где

£ = Я , значения тангенциальной скорости находятся в пределах от I до 2 м/с для пород средней крепости и 0,5 м/с для крепких пород. Вероятный интервал значений Л / может быть в пределах от 0,015 до 0,15, что соответственно дает значение от 0,173 до

0,574. Таким образец, как правило, скорость внедрения находится в интервалах от 0,1 ц/с до I и/с на внешнем периметре и пром.; ционально меньше при других радиусах. Это позволяет сделать н,-вод о той, что для буровых органов большого диаметра частота р; ■ щения не оказывает существенного влияния на эффективность раяру пения забоя.

В практике машинной проходки выработок встречаются буровые машины, которые имеют один или более вспомогательных вращателей, ось вращения которых более или менее параллельна оси вращения бурового органа, например машина Стрела-77. В процессе работы такой мапины шароики наряду с движением относительно центра вращения бурового органа соверпают вращение вокруг собственного центра. При этом точка на поверхности шарошки следует по траектории гипоциклоиды, о угловые скорости шарошки и бурового органа связаны уравнением

ф = ±N9 пв»

где /V - константа для данного бурового органа.

Знак(+)или (-) зависит от того, совпадает направление вращения иарошки и бурового органа или нет. Максимальные и инициальные значения скорости шаропки характерны для значений Р =в ; <р = & +7Г ; ф = & и т.д. При этих

значениях скорость пароики V' находится из уравнения

У- 1(*<ф {16)

дли случая, когда буровой орган и шарошка вращаются з едином направлении, максимальная скорость шароаки достигается при

+ ), а минимальная при ^ = ( - £с ). Если бууовос орган комплектуется иароиками, имевщими ка'мбругаций профиль, то возникает очевидная нообходимость наклона оси сателлит-ной шаропки п плоскости 9-7 , для обеспечения нормальной работы шарошки. Нами получено выражение позволяющзе определить угол наклона оси сателлитных шарошек:

которое весьма близко к значекио угла C¿ для инструмента режущего типа.

Одним из обязательных условий монтака породоразрушицего инструмента на буровом органе больного диаметра является равномерное распределение кароиск (резцов "> по всей поверхности, избегая их концентрации на одном или двух радиусах и несбалансированных моментов. Прл простои расположении, когда сородоразруса-вший инструмент располагается вдоль двух или более линяй, желательно иметь радиальнг.-з лучи с одинаковым угловым расстояние;; между ними. Когда расположение вдоль радналынк лу-jsft неудобно с точки зрения монтажа, каждый породоразрусакцл." кнстд/jсон-.' распределяется по поверхности тек, чтоби углоаос расстоянии для лчбого заданного радкуси оставалось одшлкоь:.::. Тогда ото не ¡¡с-гуаглт ía.Ta»ic мекзктох"

Когда мы г.цеет деле с о'ольыл»-- колатсстзос .'.зрэдоргзруь&о;--'го • •.иструяенги, как ¡.a ^о'-'/.^гах дтл ".'or •'.'¡•jí:;;;•; rop;¡:.x

•г-п-.бегок и мхтных стголов (р.<с.3> считал, что породи--

".Л ,шсгруь'с-иг .';оп-;т>:г..';сТ оог-'р.:--

Рис. 3. Схема распределения породоразрушамщего инструмента на буровом органе ■ большого диаметра

2.6

тивление условие сбалансированной работы может быть получено,

если моменты вокруг точки // приравнять нулю, т.е.

ЛГ /г Г*) + т = О (18)

ш,

где I* - радиус действия силы сопротивления;

II - радиус бурового органа;

$ - угол между радиусом, проходящим через резец и радиусом проходящим через точку ;

Т - положительный крутящий момент.

Положение 3. Расположение соседних венцов пооопо-раэрушающего инструмента скалывающего действия определяется оптимальным межвенцовым расстоянием 5 .обеспечивавшим минимальную энергоемкость разруиения забоя.

В машинах для проходки горных выработок совместная работа соседних породоразрушакцих венцов приводит к образованию концентрических канавок, разделенных целиками, различной толщшм, которые разрушаются косвенным путем в результате действия радиальных сил или же за счет нарушения устойчивости целика после нескольких циклов работы породоразрушающего венца.. На рисунке 4 представлена схема работы двух радиально расположенных породоразрушающих венцов. Если угол лунки выкола является характеристикой породы, то расстояние между венцами (2 -1/) является функцией глубины внедрения Я и лунки выкола (р . Таким образом, можно составить уравнение:

в - и = X - Ы ' (19)'

Два соседних рабочих следа должны пересечься, когда X станет

Рис. 4. Схема расположения и взаимодействия соседних породоразруиапщих венпов

(лрным нулю, т.е. будет выполняться условие:

^ ^ $5* (20)

Ь принципе, пересечение рабочих следов может произойти и при положительных значениях X вследствие перераспределения полей напряжения, однако, в условиях хрупкого характера разрушения угол лунки выкола по нашим данным находится в пределах 50-70°. Таким образом, значение будет находиться приблизительно

от 2,5 до 5,5 и представляет собой предельное расстояние между породоразрушающими вещами при превышении которого каждый венец будет работать независимо от другого, а следовательно с большими энергозатратами. Для оптимизации энергоемкости разруианил желательно обеспечить двухстороннее перекрытие зон скола. Одним из возможных нижних пределов может быть выражен неравенством

-Г- 1л/ , — —- ^ Г (21)

При наличии идеализированных условий сирина поверхности контакта венцаV/ играет незначительную роль, поэтому для расчета можно воспользоваться выражением:

3 ^ ¿¿9

Значение 5 , получаемое в результате расчета, можно считать оптимальным с точки зрения энергоемкости процесса разрушения, что было подтверждено экспериментальными исследованиями на мраморе, известняке, граните и КБарце.

Положен и в 4. Энергоемкость разрушения скальных пород не зависит от глубины внедрения и радиуса иароики и определяется прочностью горных пород и геометрическими параметрами венца иароики и твердого сплава.

При решении задач взаимодействия породоразруяающего инструмента с забоем представляется интересным определение взаимосвязи силовых и энергетических параметров с геометрическими параметрами породоразруиающего инструмента. Нами были рассмотрены схемы взаимодействия с забоем парошек с закаленными векцами и шарошек армированных твердым сплавом, позволившие получить выражения, определяющие взаимосвязь энергоемкости разрушения с параметрами шаровки. Для иароики с закаленными венцами:

^ - iSw ™

где С - безразмерная константа, определяемая углом при вершина венца и критерия)/ разрушения материала; - предел прочности га одноосное сжатие. Для иароики армированной твердым сплавом:

с, s;^ (24)

5 3 Г

где с, - безразмерная констранта, определяемая параметрами вставки и критерием разрушения; - константа, учитывающая форлу лунки выкола. Полученные внрчяения (23) и(24'> позволяют утверждать, чго энергоемкость разрыв гая не зависит от глубины внедрения и размера саропки и в основной определяется прочностикмн характеристиками породы и геометрическими параметрами контактирующей поверх-

ности. Проведенные нами экспериментальные исследования позволили получить пределы изменения энергоемкости разрушения в зависимости от прочности горных пород. Так если для пород с пределом прочности на сжатие 40-50 МПа энергоемкость разрушения составляла 30-35 кДж/м3, то для пород с пределом прочности на сжатие 150- 160 МПа, энергоемкость разрушения составило 120-130 кДк/u3, что хорошо согласуется с полученными нами выражениями по энергоемкости разрушения.

Положение 5. Пилот-скважина имеет весьма важное значение в процессе машинной проходки выработок, снижая макси мальнне напряжения на контуре выработок и повышая его устойчивость. Минимизация отклонения забоя пилот-скважины от проектного профиля достигается поддерживанием осевой нагрузки в интервале бурения от 0 до 50 метров в пределах но превыаадяих критических Ркр и компановкой низа бурового снаряда.

Нами было установлено, что среди технологических схем проходки восстающих и технических скважин больвого диаметра маииннш способом наибольшее распространение получила двухстадийная технологическая схема, при которой нагкрвой стадии с верхнего горизонта на нижний бурится пилот скважина диаметром 250-320 мм, о на второй стадии, происходит расширение пилот-скважины до требуемых размеров. При этом в процессе распирения разрушенная порода под действием гравитационных сил падает вниз, попадает в бункер-накопитель и из него загружается в вагонетки для дальнейшей транспортировки в отвал. При этом операции по разрушению горной породы и ее транспортировки могут вестись параллельно, не сдерживая темпов проходки. Вместе с тем легко решается и проблема проветривания выработки, поскольку пилот-скважина служит хорошим вентиляционным каналом, выполняя в тоже время и роль направляющей

при расширении. Но этим роль и значение пилот-скважины не исч-'р пивается. Проведенные нами работы по моделированию напряженного состояния контура выработки круглого сечения, имеющего центра л I ную пилот-скважину показали, что пилот-скважина выполняет роль разгрузочной выработки снижающей действующие на контуре максимальные напряжения, что не только способствует повышению устоГ чивости стенок выработки но и повышает эффективность разрушения забоя. Задача была реализована на ЭВМ с применением принципов вариационноразностного метода (ВРИ) для решения изотропных плоских задач теории упругости в численном моделировании проявлений горного давления. Этот метод теоретически хорошо обоснован и имеет некоторые преимущества перед методом конечных элементов в идеализации прототипа модели и сходимости решения. Нами была использована алгоритмическая модификация ВРМ - метод локальных вариаций, нашедший успешное приложение в некоторых частных задачах.

Метод ВРМ дает возможность приближенного решения в силу принятого конечно-разностного аналога производных смещений. Расчетные значения смещений позволяют восстановить средние значения деформаций и напряжений по расчетным элементам (ячейкам), т.е. получить полный дискретный аналог напряженно-деформированного состояния массива в данном плоском сечении.

При правильном построении расчетной схемы численные методы обеспечивают точность расчета напряжений не ниже 20% по сопоставима задачам кехашки, ¡шсюгргм аналитическое решение. Значительно большими (до 50^1 могут быть ошибки расчета, вызванные неточностью исходных данных модели. Это следует учитывать при

определении, на основа расчетного напряженного состояния массивов, устойчивости конструктивных элементов систем разработки по примятым критериям прочности. Расчетная схема включает выделение участка указанной плоскости, для которого выполняются условия консервативности, разделение этого участка на ячейки (сетка дискретизации), приписывание ячейкам средних физических свойств, принадлежащих их элементам горных массивов и задание граничных условий. В процессе решения задачи нами было установлено, что при длине выработки, несоизмеримо большей ее диаметра, величина диаметров выработок или их соотношение никакого существенного влияния на характер распределения напряжений не окажет. Следовательно из соображений экономичности выгоднее бурить пилот-сква-кину пинимально-возможным диаметром.

Анализ полученных массивов данных показал, что на контуре одиночной выработки (рис,5), возникают значительные напряжения, особенно в углах выработки. Здесь для принятых наш условий напряжения достигают 3000 МПа, по мере'движения от периферии к центру напряжения резко уменьшаются. При наличии в центре выработки пилот-скважины происходит значительное снижение напряжений на контуре выработки. Максимальные напряжения в этом случае возникают на забое пилот-скважины, т.е. ока как бы разгружает основную выработку.

Анализ моделей .напряженного состояния позволил установить,

женных напряжений, что в совокупности с пилот-скважиной обеспечивает снижение энергоемкости разрушения центральной части забоя.

Рассматривая возможность использования предварительно пройденных скважин большого диаметра в качестве компенсационных при буровзрывном способе проходки шахтных стволов и.восстающих большого

что на расстоянии

от центра забоя возникает зона пони-

i 6)

""О

rj

»Ii

rv I

íí CS ÍV £

4 /

сечения мы разработали программу В У £ 7 , которая позволила установить, что удельные затраты взрывчатых веществ при наличии компенсационной скважины большого диаметра снижаются на 40%.

Практика проходки выработок показала, что для технологической двухстадийной схемы проходки выработки с пилот-скважиной весьма актуальным является вопрос сохранения проектного профиля скважины и попадания в рабочую камеру, расположенную на нижнем горизонте. Причем, чем больше интервал бурения между горизонтами, тем больше вероятность отклонения, от проектного профиля. При существующей системе горнораэведочных выработок расстояние между горизонтами находится в пределах от 50 до 100 метров, но в отдельных случаях возникает необходимость проведения восстающих и технических скважин большого диаметра больвей протяженности. При отклонении пилот-скважины от проектного профиля возникают потери рабочего времени, необходимые для поиска забоя пилот-скважины, проведения дополнительных горных работ, что приводит к снижению темпов проходки и увеличению стоимости работ.

Нами была поставлена задача на разработку мероприятий по стабилизации направления пилот-скважины. Снижение интенсивности искривления или потная стабилизация направления пилот-скважины возможны в том случае, когда угол между осями долота и скважины принимает минимальное или равное нулю значение. Известны два' традиционных пути достижения этой цели: ограничение сил, действующих на бурильную колонну исходя из условия сохранения ее устойчивости и применение специальных стабилизирующих-компановок низа бурильной колонны.

В отличии от решений задач по устойчивости тяжелых стергней проведенных Эйлером, А.П. Ъиннихом ,0,Виллерсом, А.Лубинским и А.Е.Сарояном Для случаев, когда нагрузка на забой создавалась

частью веса . бурильных труб, нами была рассмотрена схема деформации стержня при которой верхний конец является защемленным, а нижний подвижным, а осевые нагрузки больше или равны весу бурильной колонны. Кроме, того, определение допустимых нагрузок при помощи функций Бесселя и Ломмеля, используемые в ряде работ, в производственных условиях не всегда возможно. В результате аналитического решения уравнения устойчивости стержня, в соответствии* с предложенной схемой было найдено приближенное ревете в виде:

Р,*е = Р - 0.5¿у- (25,

где - эквивалентная сосредоточенная нагрузка.

Для определения погрешности приближенного решения методом численного дифференцирования на ЭВМ были определены критические нагрузки для бурильных колонн различной длины. Сравнение полученных данных позволяет утверждать, что погрешность вычислений по приближенным формулам не превышает 0,5л от значений полученных с помощью ЭВМ. Для инженерных расчетов критических нагрузок рекомендуется использовать следующую формулу:

/V -- А а*тг)

где - коэффициент запаса устойчивости, учитывающий несо-

вершенство буровой колонны.

Анализ массива данных показывает, что при глубине скважины до 30-25 м устойчивость снаряда позволяет передавать на долото оптимальную осевую нагрузку. При увеличения глубины скважины необходимо или снижать величину осевой нагрузки или устанавливать на определенном расстоянии от долота опорно-иентрируюцие элементы. Наиболее хорошо отвечают условиям бурения пилот-скважины в скальных породах шарошечные центраторы. Для повышения устойчи-

вости и стабильности работи бурильной колонны целесообразно устанавливать два центатора с интервалом 2гЗ м. Место установки первой пары центраторов в первой приближении определяется по формуле: / _ / х- т/^Э '

где / - расстояние от торца долота до верхней кромки шя-наго центратора.

Затеи ¿¡^ проверяется по формуле (26). Диаметр центраторов должен быть равен диаметру долота. При работе с полноразмаршдга центраторами во избежании аварий над долотом обязательна установка калибратора.

Для определения расстояния ыезду первой и второй парой центраторов полно воспользоваться приближенной формулой

(28)

Рассчеты показывают, что • необходимость установки второй пары центраторов появляется при глубине пилот-скважины свыше 100 н, а при глубине свыше 300 и необходимо устанавливать третью пару центраторов. Применение разработанных рекомендаций позволяет снизить вероятность отклонения от проектного профиля до минимума (не более I и на 100 м сввола скважины).

Положение 6. Несущая способность закрученного потока промывочной жидкости определяется параметрами кольцевого пространства и первоначальной скоростью закрутки.

При проходке технических скважин большого диаметра сплошным забоем сверху вниз, количество образующегося за единицу времени

шлама в десятки и сотня раз превосходит объемы разрушаемой пород» при бурэгам геологоразведочных скважин, следовательно для очистки забоя большого диаметра необходимо или же увеличивать в сотни раз подачу промывочной жидкости, что приводит к существенному увеличения зкергозатрат, или ~е бегать альтернативные пути ре-аенпл этой проблемы. Нами получено условие, определяющее соотно-иение не:вду скоростью удаления пламя с забоя 14. и объемом горной породы, разрушаемой в единицу времени bv в виде:

V* Я А (291

где S - площадь поперечного сечения по которое происходит удаление шлама. С учетом полученного выражения и на основании анализа экспериментальных данных по механической скорости бурения t/,, для пород с различной прочностью на одноосное сжатие, были построены ззвисимогти расхода промывочной жидкости от диаметра сквагины, которта показали , что очистка забоя скважин диаметрами от 300 км до G00 им при пряюй пронивке забоя вог-¡.¡ояна только с применением коягагх (до 300-400 кВт' центробежных нлсосоэ, а при диаметрах более 600 мм необходимо переходить на обратную промывку забоя с применением эрлифта. Однако при этом способе концентрация твердых част:га в объеме промывочной жидкости рэд:<о превгагет 1Т>, а конструктгля бурового отава отличаете;: достаточной слог.костьо сборки и нз гарантирует отсутствие отсут-стакл утечек подаваемого воздуха и стабильну» степень аэрярз-:"<!"(я, что ентхоет з1>*октивность очистки забоя от глама. Для /еологоразведочных работ со слабой энерговооруженность»} и прэ-"згодсткеннсй базой прт.'онен.<е знергоекких и сложных систем очзсткй не представляется практичны*, поэтому в качество альтер-

ЗЯ

нативы существующим способам очистки забоя предлагается способ очистки забоя закрученным кольцевым потоком. Теоретической основой предлагаемого способа послужили работы, проведенные автором на кафедре технологии бурения в Университете Юго-Западной Луизиа ны (США) и в лаборатории гидротранспорта профессора Дробаденко В.П. в результате которых были разработаны конструкции снарядов, одна из которых успешно применяется для бурения нефтяных и газовых скважин в США. Эффективность работы таких снарядов определяется параметрами закрученного потока на выходе из завихрителя установленного в наддолотной части снаряда. Двигаясь между двумя цилиндрическими поверхностями (рис. 6 ), закрученшй поток, растекаясь по ним, образует пристенное течение, как правило с неравномерным по длине и периметру кольцевого канала распределением окружной скорости к/ . При этом часть помета начальной закрутки теряется из-за потерь на трение о стенки, величина которых характеризует гидродинамические качества закрученного потока и определяется в соответствии с законом сопротивления С^ по П.Прандтлп. Нами было получено трапсцзидснтное уравнение взаимосвязи момента количества движения жидкости относительно оси коаксиальных труб и моментов сил трения, действующих со стороны наружной и внутренней цилиндрических стенок по координате X в виде: х У,

- Нт^ ™

Ч ТЩ"

Реиая это уравнение относительно , можно получить потери

окружной скорости, характеризующие эффективность завихрения. Экспериментальные исследования потерь окружной скорости в зави-

4- |ес1С».г'/1>нюс Г/1 с .1,«.

¿1. К л л-Ь «Н ~ ^ -г-*—<- «*•«>■/

ль. ¿>чГ/«н«:

V*/ но

<1«

ч ч - V = 15и!с

* N ч Ч-Ч V

NN ч \ ч \ ЧЧу ч

ч V NN чЛ-

■Ыа .д

V ч»

<31 .»>

0,6 05"

/у

/ /

//

/

V* 1.5м/с ¡1

1 1

w.

о.;

%

X N -Ч-- 6,5 м/с М к

V

7"'2,05 "л

—&

3 V 5

Л Л»"*"

<?!. О" Л« ц/ 1,0 <Л (*

Рис. 6. Заг-иснмостн потерь окружной скорости ОТ пярп?.»стр0в !ГЗЛЬГе!:0:' ПОЛИ

сиыости от параметров завихрителя (. , И ( , X ) и полученные графики зависимости (рис. 6) позволяют утверждать, что длина и ширина кольцевой щели коаксиально расположенных патрубков ока-, зывают наибольшее влияние на потери окружной скорости.

Положение 7. Динамические нагрузки в трансмиссиях установок для машинной проходки выработок определяются характером взаимодействия привода и бурового органа в рабочих и переходных режимах.

При бурении ' 1 восстающих и технических скважин большого диаметра возникают ситуации, вызывающие повышенную вибрацию бурового става, резкий рост крутящего момента, приводящий в отдельных случаях к ©брыву бурового ста^а. Анализ прияии вызывающих подобные ситуации позволил нам прийти к заключению о зависимости интенсивности возникающих вибраций от параметров режима бурения с одной стороны и условий взаимодействия бурового органа с забоем с другой стороны. В иоследнеы случае речь идет о так называемых переходных режимах работы исполнительного органа, вызывающих большие динамические нагрузки. Они-возникают в результате карукз-ния рабочего состояния бурового органа, вызванного самозаклиниванием одной или нескольких шарошек или г;е стопорепие всего рабочего органа. Поскольку моделирование переходных решшов в реальных условиях весьма затруднительно, нами были разработаны, методика л математические модели, позволяющие определить частоты свободных колебаний и динамические нагрузки бурового става в переходных.режимах. Внешняя нагрузка задавалась в процедура действительного вида и определялась типом привода. Программа основана на решении системы дифференциальных уравнений первого порядка методом Г'унге-Кутта по стандартной программе ОДА-13. Достоинством

программы является возможность получения графиков изменения моментов в различных узлах моделируемого привода. Для построения графиков используется стандартная процедура 0ДА-20. Общее решение системы дифференциальных уравнений для расчета собственных частот крутильных колебаний системы имеет вид:

^ Z Ji a* ffit +<?<) (ЗП

' С.» I '

где JJ-- амплитуда колебаний i-oL массы; - фазовый угол; Pi - частота собственных колебаний Максимальный динамический момент в буровом ставе при стопорении определяется формулой:

= с£"'»//>с (32)

где С - суммарная приведенная жесткость препятствия и привода; £ - динамическая константа; ' ia- - время стопоренил. Анализ полученного массива данных позволяет определять зоны работы бурового снаряда с высокими амплитудно-частотными характеристиками .выбирать необходимые режимные параметры и предохранительные средства снижающие динамические нагрузки. Например при 5урении пилот-скважины в породах с пределом прочности на сжатие 120-14Э МПа зоны с высокими амплитудно-частотными характеристиками находятся в интервале глубин 70-80 метров, а при работе расширителя в интервале 20-30 метров. В этих интервалах необходимо снижать осевую нагрузку до 70-80^ от оптимальной.

Положение 8. Аэродинамические характеристики эыработок. пройденных маиинннм способом значительно превосхог гпт аналогичные для выработок, пройденных буровзрывным способом.

кг

Для сравнения выработок, пройденных различным способом и видом крепи нами использовался метод расчета эквивалентных сечений, обеспечивающих; равные аэродинамические показатели (депрессии Н, количества подаваемого воздуха и скорости воздушного потока И ). Полученные нами зависимости позволяют утверждать, что выработки, пройденные буровым способом имеют площадь сечения в 1,5-2 раза меньше чем выработки, проходимые буровзрывным способом При этом для выработок пройденных машинным способом объемы разрушения горной породы уменьшаются пропорционально площади сечения.

Моделирование напряженного состояния выработок различной формы сечения подтверждает, что круглая форма является одной из наиболее устойчивых форм и поэтому в большинстве случаев но требует крепления. В тоже время практика проходки восстающих и технических скважин большого диаметра показывает, что стенки выработки весьма гладкие, с незначительной степенью шероховатости, позтому выработки круглой формы сечения являются идеальными воздуховодами. Нами были проведены, сравнения выработок равной суммарной площади сечения с выработкой большего диаметра. Оказалось,' что выработка большого диаметра имеет аэродинамическое сопротивление в 6-8 раз меньше, чем равные ей по суммарному сечению выработки меньшего диаметра, что позволило значительно улучшить систему общешахтного проветривания на вахтах Воркутин-ского угольного бассейна, где вместо 2-х выработок диаметром I м стали проходить одну выработку диаметром 1500 мм. В производствен ном объединении Ташкентгеология в 1987-88 гг. фронт развития горноразведочных работ сдерживался отсутствие!' необходимых вентиляционных выработок. Работы проведенные нами позволили впервые в практике геологоразведочных работ пройти одной установкой

УБВ-1.25А три выработки,диаметром 1250 мм как между горизонтами, так и с поверхности на горизонт, что позволило вести горные работы широким фронтом с высокими темпами проходки. Дяя сравнения эффективности вентиляши с применением пройденных восстающих было проведено сопоставление данных по аэродшимическим характеристикам в период с декабря 1989 г. по февраль 1990 г. Как показали проведенные исследования аэродинамическое сопротивление выработки диаметром 1,25 и и длиной 75 м в три раза меньше, чем технического восстающего, пройденного с применением ПЩБ. Общеиахтное аэродинамическое сопротивление снизилось на 20?, что позволило увеличить подачу воздуха на 30?, практически при тех ясе затратах электроэнергии. Увеличение подачи воздуха снизило влажность со 100% до 95^, что благоприятно отразилось на условиях труда горнорабочих. Таким образом проходка выработок машинным способом дает возможность значительно улучшить характеристики общешахтной системы проветривания.

П о л о а е н и е 9. Определяющим технологическим параметром режима бурения для машинной проходки выработок является осевая нагрузка.

Анализ данных производственных исследований по оптимизации технологических параметров, проведенных на установках Стрела-77, УБВ-1,25, 2КВ ; Рино-ЮЭОЕ и УБВ-600 позволяет утверждать, что определяющим технологическим параметром режима бурения при проходке выработок мапинным способом является осевая нагрузка. Темпы роста механической скорости бурения при изменении осевой нагрузки в 3 - 4 раза превосходят темпы роста механической скорости при изменении частоты вращения. При этом если увеличение осевой нагрузки приводит к заметному снижению энергоемкости разрушения, то увеличение частоты врасения приводит к увеличению

.

энергоемкости разрушения. Полученные нами значения нагрузки на шарошку зависят от прочности горных пород и в зависимости от предела прочности на одноосное сжатие составляют: для пород с = 50 +60 Ша - 45 кН

для пород с = 100+150 МПа - 100 кН

для пород с (f^ 9 200*300 Ша - 160 кН Для оперативного управления процессом машинной проходки нами была разработана математическая модель, позволяющая осуществлять оперативное управление процессом бурения и использующая в качестве выходных параметров механическую скорость бурения и затраты мощности. Блок схема оперативного управления представлена на рис.7. Использование этой схемы управления процессом проходки обеспечивает необходимое изменение осевой нагрузки в зависимости от прочности горных пород при мощности близкой к номинальному значению.

Для контроля рабочего состояния бурового инструмента при машинной проходке была разработана аппаратура и методика, позволяющая путем акустической пеленгации вести запись импульсных сигналов бурового снаряда и проводить их спектральный анализ. Проведенные производственные исследования позволили выделить четыре диапазона характерных частот: 40-70 Гц; 100-250 Гц; 1000-1800 Гц; 3000-3800 Гц. Максимальные спектральные амплитуды соответствовали частоте 100-250 Гц. При этом максимальная амплитуда исследуемых сигналов находится в прямой зависимости.от осевого усилия на расширитель.

Первый и второй диапазон частот колебаний в интервале от 40 до 250 Гц связан с работой шарошек расширителя, а третий и четвертый диапазон частот колебаний в интервале, от 1000 до

Рис.7. Блок-схема алгоритма оперативного управления

процессом машинного способа проходки выработки

3800 Гц обусловлен высокочастотными колебаниями бурового снаряда. Аналогичная методика акустической пеленгации использовалась нами для определения местоположения пилот-скважины. При этом в забое пилот-скважины устанавливался зонд-излучатель, а в выработке ■■ нижнего горизонта в нескольких водонаполненных шпурах эонды-при-емники на расстоянии 2-5 м друг от друга. Определяя величину задержки сигнала для различных'датчиков можно легко установить местоположение забоя пилот-скважины.

Основные объемы производственных исследований по машинной проходке горноразведочных выработок проведены в Восточно-Кура-минской экспедиции ПГО "Ташкентгеология" и Полярной экспедиции объединения "Печоруглеразведка", где в среднем достигнуто повышение скорости проходки восстающих и технических скважин большого диаметра в I,5-2 раза и решены проблемы вентиляции и запасных выходов протяженных штреков и квершлагов.

Основные выводы и рекомендации

1. Сравнение технико-экономических показателей подтверждает, что при детальной и эксплуатационной разведке месторождений полезных ископаемых машинный способ проходки обеспечивает существенное снижение затрат по сравнению с буровзрывным способом, значительно превосходит его по производительности и безопасности.

2. Наиболее универсальной схемой машинной проходки, выработок, является двухстадийная схема, заключающаяся в бурении пилот-скважины на нижний горизонт и расширении пилот-скважины до необходимого диаметра снизу вверх.

3. Отклонение пилот-скважины от проектной отметки сводится к минимуму при решении вопроса стабилизации направления в интервале от 0 до 50 метров.

4. Наличие пилот-скважины способствует.менее энергоемкому разрушению забоя поскольку ока выполняет роль разгрузочной выработки и снижает действующие напряжения.

5. Положение забоя пилот-скважины и рабочее'состояние бурового органа можно отслеживать акустическим методом с помощью разработанной аппаратуры.

6. Оптимизация технологических режимов бурения в скважинах большого диаметра определяется регулированием осевой нагрузки

в зависимости от прочности горных пород.

7. Очистка выработки от разруиенной породы в скважинах большого диаметра возможна с применением обратной промывки. Модификацией способа обратной промывки может явиться очистка забоя закрученным потоком.

8. Проходка машинным способом требует применения сяепиальных трапециевидных долот, установка которых на буровом органе определяется их геометрическими размерами,

9. Комплектация бурового инструмента большого диаметра породораэрушающими элементами производится с учетом сбалансированности момента относительно оси вращения бурового органа.

10. Эффективность работы породоразрушаицего инструмента

- режущего типа и нормального внедрения определяется соответствием характера их движения теоретическим законам механики движения.

Т1. Расчет себестоимости I метра проходки выработки машинным способом следует проводить по специально разработанной методике, учитывающей специфику бурения большим диаметром, а не по действующим СУСНам, в которых не отряжена спегафика проходки выработок большого диаметра.

AS

12. Выработки, пройденные машинным способом имеют лучшие аэродинамические характеристики по сравнению с выработками, пройденными буровзрывным способом, что при равных условиях позволяет использовать меньше сечения. Они более устойчивы и в большинстве случаев не требуют крепления.

13.Проходка вертикальных горноразведочных выработок сечением

о

£ 2,5 ы комбинированным способом с использованием предварительно пройденной скважины большого диаметра позволяет снизить удельный расход взрывчатых веществ и повысит производительность проходки в 1,5-2 раза.

14. Проведенные исследования позволили разработать основы теории и технологии машинной проходки горноразведочных выработок малогабаритными и мобильными установками небольшой мощности, что имеет важное народохозяйственное значение и может внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса при горноразведочных работах.

15. Первоочередными задачами дальнейших исследований являются:

- повышение работоспособности породоразрушающегр инструмента

- внедрение в практики проходки технических скважин большого диаметра систем промывки работающих на принципе закрученного потока;

- дальнейшее совершенствование методов акустической пеленгации забоя.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: Монографии, обзоры.

1. Горно-проходческие машины и комплексы.- Учебник для вузов, М.: Недра, 1990.-С.216-300.(Соавторы, Грабчак Л.Г.,Нес-мотряев В.И., Шендеров В.И.1.

2. Техника и технология для сооружения вентиляционных выработок и запасных выходов буровым способом. - Обзор.БИЭМС, И.: 1988.-" 46 с.(Соавторы, Грабчак Л.Г.,Чуносов В.В.).

Статьи.

I. Влияние типа привода на динамические нагрузки в элементах шурфопроходческой установки при стопорении. -В сб.-.Известия вузов. Геология и разведка.F6,1976.-с.123-126 (Соавторы Грабчак Л.Г., Маркович В.Ю.).

2.0предедввие :сил резания породы с учетом инерпии стружки.-Реферативная информация ЦБНТИ, выпуск II,серия 5,1976.(Соавторы Грабчак Л.Г., Попов А.Н.).

3. Анализ частот собственных колебаний трансмиссий буровой установки ЛБУ-50.-Известия вузов.Геология и разведка У8,-1977.

с.154-159 (Соавторы Ыаркевич В.Ю..Попов А.Н.).

4. Экспериментальные исследованияТрансмиссии буровой установки ЛБУ-50 при работе шурфобурами различных конструкций. -Известия вузов. Геология и разведка )f6. 1988 - с.188-190 (Соавторы Грабчак Л.Г..Попов А.Н.).

5. Моделирование привода буровых установок на аналоговых ЭВМ.- В сб. "Техника разведки" У1,1977.-е.I08-II4.(Соавторы . Грабчак Л.Г., Соколов H.H.).

6. Опыт бурения устьев скважин большого диаметра установкой ЛБУ-50. - Реферативная информация ЦБНТИ. внп.2.Серия5.Т978 (Соавторы Олейник В.В., Попов А.Н.1.

7. Общие вопросы динамики привода установок вращательного бурения шпуров и скважин большого диаметра. - Известия вузов. Геология и разведка №2.1978. С.84-68.(Соавтор Грабчак Л.Г.).,,

8. О совершенствовании конструктивных схем установок для бурения шурфов и скважин большого диаметра.-Известия вузов. Геология и разведка #5. 1981. СЛ13-П7.(Соавторы Попов А.Н., Майоров О.М.).

9. Зарубежный опыт проходки восстающих горных выработок буровым способом. - В сб.ЦНИИПодземмаш.№6,1981.(Соавторы-кишенин И.Ы., Попов В.Ы.).

10. Состояние и перспективы бурового способа проходки восстающих горных выработок. - Известия вузов. Геология и разведк: }№.—С.141-146. (Соавторы Мишенин И.Ы., Карликов А.П.).

11. К вопросу о проходке выработок буровым способом. -Реферативная информация.ВИНИТИ,№1511-84.-1984.(Соавторы -Мишенин И.М., Островский А.И.¡.

12. О расчете стоимости I м бурения горной выработки. В сб.: Технология и техника разведки.-1984.с.86-90.(Соавтор Назарова З.М

13. Породоразрушающий инструмент для проходки горных выработок. Вкспресс информация ЦБНГП.№10.-1984.(Соавтор Олейник В.В.).

14. Конструкция шарошечного инструмента для проходки горных выработок.-Экспресс информация.ЦБНТП.№22.-1985.

15. Совершенствование технологии проходки восстающих установкой "Стрела-77".- Известия вузов.Геология и разведка. №6.-1984 С. Ш"Ц5(Соавторы Чуносов В.В.,Карликов А.П.).

16. Совершенствование организации бурения восстающих горных выработок буровыми машинами "Стрела-77".-ЦНИИУголь.вып.10.-1985.С. Я£-9| (Соавтор Мишенин И.Ы.).

17. О производительности проходки восстающих выработок буровыми машинами Стрела-77. - Известия вузов.Геология и разведка. №11.1985 С.153-158 (Соавторы Чуносов В.В..Карпиков А.П.).

18. О внедрении бурового способа проходки вентиляционных выработок при разведке.-В.сб.¡Известия вузвв. Геология и разведка. MI. 1987 с. 141-I47(Соавтор Грабчак Л.Г.).

19. Прогрессивные технологии проходки вертикальных выработок. -в сб.ваучных трудов МГРИ. Недра. -1988. С.108.114.(Соавтор Грабчак Л.Г.).

20. Бурение скважин большого диаметра способом слепого ствола,- Реферативная информация ВИНИТИ.Р384-МГ.-1987 (Соавтор Горожанкин С.Л.).

21. Внедрение бурового способа проходки вентиляционных выработок при разведке месторождений полезных ископаемых. -Известия вузов. Геология и разведка.№11. 1988.С.136-139.(Соавтор Грабчак Л.Г.1.

22. Методика и аппаратура для акустического прозвучивания горного массива. - Известия вузов. Геология и разведка У 2.-1990. . с.135-137. (Соавтор Богуславский A.B. \

23. Проходка вентиляционного восстающего буровым способом. -Известия'вузов. Геология и разведка.IUI.-1990 С. II7-I2I. (Соавтор Чуносов В.В.)

Авторские свидетельства

1. Устройство для бурения mypfoB и сквакин большого диаметра, а.с.6T5I9I,1978.'Соавторы Брнлов С.А., Грабчак Л.Г..Попов А.Н., Сысоев Г.П.).

2. Бур для проходки скважин большого диаметра.

а.с. 600282,1977 (Соавтор« Брылов С.А., Грабчак Л.Г., Попов А.Н., Сысоев Г.П.1.

3. Шарошечный бур. а.с. 6239950, 1979 (Соавторы:Попов А.Н., Гойденко В.П.).

4. Устройство для отделения керна..а.с. 829862 (Соавторы: Чубаров В.В., Чуносов В.В.).

5. Породоразрушающий твердосплавный элемент шарошечного долота, а.с. 1229300. 1984 (Соавтор Грабчак Л.Г.).

6. Устройство для бурения восстающих горных выработок, а.с. I162982. 1984 (Соавтор Грабчак Л.Г.).

7. Бурение скважин большого диаметра способом слепого ствола, а.с. 1206390. 1985 (Соавторы:Брылов С.А., Грабчак Л.Г.).

8. Шарошка для бурового планетарного снаряда-вращателя, а.с. 1388536. 1988 (Соавторы:Карликов А.П..Несмотряпв В.И.).

9. Турбинный агрегат, а.с. 1406380, 1986 (Соавторы:Киленко А.П., Краснощек A.A., Грабчак Л.Г.).

10. Устройство для проходки восстающих горных выработок, а.с. I40II36. 1988 (Соавторы:Шехурдин В.К..Карпиков А.П.)

11. Способ проведения восстающей горной выработки и устройство для его осуществления, а.с. 1490286. 1989 (Соавторы: Грабчак Л.Г., Богуславский М.Е., Чуносов В.В.).

12. Способ колонкового бурения скважин большого диаметра, а.с. I6383I0.1989 (Соавтор Чуносов В.В.).

13. Турбинный бур. а.с. 1432225.1987 (Соавторы:Грабчак Л.Г. Жиленко Н.П., Краснощек A.A.).

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность *

своему наставнику профессору Грабчаку Л.Г.,всем сотрудникам кафедры Горного дела и проведения горноразведочных выработок, а также к.т.н. Назарову А.П., Горохову H.A., Ыаркевичу В.Ю.,Ка-чержуку С.С. и Макарову Б.П. за многолетнее сотрудничество и помощь в выполнении диссертационной работы.