автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками

На правах рукописи

УДК 622.271:621.879.3

Даутов Равиль Рожанович

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН СТАНКАМИ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ С ПОГРУЖНЫМИ ПНЕВМОУДАРНИКАМИ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2006

Работа выполнена в Национальном научном центре горного производства -Институте горного дела им A.A. Скочинского

Научный руководитель

доктор технических наук Мерзляков Виктор Георгиевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Красников Юрий Дмитриевич

кандидат технических наук Казаков Виктор Алексеевич

Ведущая организация ОАО ХК «ЯКУТУГОЛЬ»

Защита диссертации состоится «_»_2006 г. в_ч. на заседании

диссертационного совета Д 053.20.01 при Московском государственном открытом университете по адресу: 129805, г. Москва, ул. Павла Корчагина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета.

Автореферат разослан «_»__2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

В. В. Мазуренко

Мюб А

чт

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В последние десятилетия открытый способ добычи полезных ископаемых превалирует во всех горнодобывающих отраслях промышленности. Одним из основных технологических процессов этого способа является буровзрывное разрушение горного массива, эффективное^ которого во многом определяется уровнем технологии бурения взрывных скважин и надежностью применяемого оборудования, в том числе стойкостью (дол! овечностью) по-родоразрушающе! о инструмента.

Для бурения пород повышенной крепости, как в мировой, так и в отечественной практике используют станки с исполнительными органами ударно-вращательного действия. Вместе с тем, разработанные за последние годы высоко-энер! овооружеттпые станки нового технического уровня с погружными пневмо-ударниками повышенного давления на российских горнодобывающих предприятиях не нашли досшючно широкого применения. Во многом это связано с тем, что предлагаемые фирмами производителями ориентировочные значения долговечное I и инструмента часто существенно разнятся с их реальными значениями при эксплуатации в производственных условиях.

Несоответствие рекомендованных и фактических значений долговечности инструмента особенно отрицательно сказывается на эффективности бурения пород повышенной крепости, в том числе при разработке месторождений полиметаллических руд В значительной мере это связано с отсутствием научно обоснованных рекомендаций по параметрам бурения в зависимости от стойкости буровых долот применительно к условиям эксплуатации. Только в том случае, когда режимные параметры бурения соответствуют стойкости инструмента, можно говорить о высокопроизводительной работе буровых станков. Однако примени-юльно к станкам ударно-вращательного действия с погружными лневмоударни-ками повышенного давления такие рекомендации отсутствуют.

Таким образом, исследование взаимосвязи режимных параметров бурения с долговечностью инструмента и эффе.ктияностью прохолки дпчажир станками

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ !

БИБЛИОТЕКА СИ 09

* Ць''Утл/*

ударно-вращательного действия в конкретных горнотехнических условиях представляется актуальной задачей.

Целью настоящей работы является обоснование и выбор рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками применительно к условиям разработки месторождений полиметаллических руд.

Идея работы заключается в том, что рациональное соотношение производительности бурения скважин и износостойкости инструмента при взаимодействии с забоем системы «буровой став - погружной пневмоударник - долото» определяется сочетанием режимных параметров и прочности горных пород

Задачи исследований:

- теоретические исследования влияния режимных параметров и динамических особенностей системы «буровой став - пневмоударник - долото забой» на износостойкое 1ь бурового инструмента при бурении взрывных скважин станками ударно-вращательного действия;

- разработка методов и средств мониторинга состояния пневматических буровых машин ударного действия;

- проведение в производственных условиях экспериментальных исследований скорости бурения и износостойкости породоразрушаюших инструментов во взаимосвязи с режимными параметрами разрушения;

-разработка методики выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-враща I ельного действия с погружными пневмоударниками для конкретных условий эксплуатации.

Основные научные положения, выносимые на чащиту:

1 Рациональное соотношение скорости бурения и стойкости бурового инструмента, определяющих эффективность ударно-вращательного бурения скважин, обеспечивается в узком диапазоне его режимных параметров, зависит от крутильных и продольных колебаний в системе «буровой став - пневмоударник -долото - забой», уровень и характер которых изменяются по глубине скважины

Требуемые соотношения достигаются определенной стратегией управления режимными параметрами, учитывающей наиболее характерные зоны устойчивого и неустойчивого бурения скважины и зону заклинивания бурового инструмента

2. Закономерности формирования скорости ударно-вращательного бурения взрывных скважин и стойкости породоразрушающего инструмента при варьировании давления воздуха в пневмосистеме от 1,4 до 2,4 МПа для различных типов штыревых долот и пневмоударников повышенного давления, учитывающие влияние усилия подачи, скорости вращения бурового става и физико-механичсские свойства породного массива.

3 Эффективность ударно-вращатсльного бурения взрывных скважин, при которой скорость бурения и стойкость бурового инсфумента достигают требуемых значений, обеспечивается при рациональном сочетании режимных параметров, определяемых в соответствии с установленной взаимосвязью скорости вращения бурового става, давления воздуха в пневмоударнике и физико-механических свойств горных пород

Обоснованность и достоверность разработанных научных положений выводов и рекомендаций подтверждается использованием апробированных методов системного подхода к идентификации процессов бурения и построения динамических моделей поведения системы «буровой став пневмоударник - долото - забой»; применением известных методов математической статистики и планирования эксперимента при проведении экспериментальных исследований; доверительным объемом статистических данных об износостойкое!и бурового инструмента при ударно-вращательном бурении взрывных скважин на действующих карьерах месторождений, разрабатываемых ОАО МНПО «Полиметалл»; удовлетворительной сходимостью (в пределах 20%) расчетных данных с результа1ами экспериментальных исследований.

Научное значение работы состоит в'

- установление характерных закономерностей, определяющих существенную чувствительность зоны эффективного бурения к незначительным вариациям

динамических свойств системы «буровой став - пневмоударник - долото - забой», которые изменяются с глубиной бурения;

- научном обосновании рекомендаций по рациональным режимам бурения с прогнозируемым уровнем износостойкости бурового инструмента в конкретных горнотехнических условий;

- установление взаимосвязей между режимными параметрами, скоростью ударно- вращательного бурения и стойкостью инструмента для широкого ряда долот и погружных пневмоударников повышенного давления.

Практическая ценность работы заключается в- разработке методов и средств мониторинга состояния пневматических буровых станков ударного действия; разработке методики выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударни-ками для конкретных условий эксплуатации.

Методы исследования систематизация и анализ литературных источников, результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ о режимах ударно-вращательного бурения и износостойкости бурового инструмента; экспериментально-статистический метод с использованием теории случайных функций и программного пакета MS Excel; экспериментальные исследования и наблюдения в производственных условиях эффективности эксплуатации бурового оборудования для ударно-вращательного бурения взрывных скважин на карьерах с применением с1ашстических методов планирования экстремальных экспериментов.

Реализация работы Результаш исследований были использованы при отработке режимов бурения и внедрении буровой техники фирмы «Ингерсолл-Рэнд» на месторождениях «Лунное», «Хаканджа», «Дукат», расположенных в Ма1аданской области и входящих в ОАО МНПО «Полиметалл»; при проектировании ООО «СПб - Гипрошахт» новых горных предприятий.

Апробация работы. Основное содержание работы и о I дельные ее положения были доложены на горнодобывающих предприятиях ОАО МНПО «Полиметалл», ОАО «Разрез Черниговский», в проектных институтах «Гипроруда» и «Ги-

прошахт», научно-технических советах ОАО ХК «Яку i уголь», ЗАО «Могормаш», компаний «Ингерсолл-Рэнд», «Атлас-Копко», международной научно- практической конференции «ЯкутНИИПРОАлмаз» и научных семинарах ННЦ Г'П - ИГД им А. А. Скочинского.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержит 123 страниц, 31 рисунок, 20 таблиц, список использованной литературы из 87 наименований.

Основное содержание работы

1. Состояние вопроса. Физические особенности ударно-вращательного

бурения скважин и процесса изнашивания бурового инструмента.

Исследованию вопросов, связанных с созданием станков для ударно-вращательного способа бурения скважин посвящены работы многих организаций, среди которых особая роль принадлежит ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИИБТ, МГГУ, ОАО «Ижорские машиностроительные заводы» Работы этих организаций по существу определили стратегию отрасли в области разработки средств и способов бурения скважин для добычи полезных ископаемых открытым способом. Наибольший вклад в горную науку в этих областях внесли: Мельников Н.В., Трубецкой К.Н., Алабужев П.М., Буткин В.Д., Бидерман В Л., Виницкий К.В., Канто-вич Л.И., Карпухин Е.Д., Кулешов A.A., Нономарчук А.Ф., Подэрни Р.Ю, Суд-нишников Б.В и другие не менее известные ученые.

Благодаря целенаправленным исследованиям в области создания оборудования для открытых горных работ в ИГД им. А. А. Скочинского сформировалась научная школа, представителями которой являются такие видные ученые как Виницкий К. Е., Жариков И. Ф., Пошюв М.Г., Сеинов Н. П., и другие.

Вопросам исследования процессов разрушения, создания породоразру-шающего инструмента, в том числе бурового, и повышения его износостойкости посвящены работы Александрова Е В., Арцимовича Г. В., Алимова О. Д., Барона

Л. И., Бреннера В.А., Виноградова В. Н., Глатмана Л Б., Захарова Ю Н , Канюви-ча JIM., Красникова Ю.Д., Кутузова Б. Н., Кононова В.Н., Линника Ю. II., Медведева И. Ф , Мерзлякова В. Г., Нестерова В.И.,Соколинского В Б., Стробыкина H.H., Судниптникова Б. В и других ученых.

Выполненный и представленный в диссертационной работе (глава 1) анализ состояния и изученности вопросов создания бурового инструмента для станков ударно-вращательного действия позволил устновить следующее

Несмогря на значительный прогресс в повышении стойкости бурового инструмента, в том числе и ударно-вращательно! о действия, проведенные исследования, в основном, посвящены изученито процесса изнашивания инструмента в зависимости от свойств разрушаемых пород во взаимосвязи с характером приложения нагрузки ударно-буровым механизмом. Выполненные исследования послужили базой для разработки различных инженерных методов расчета по выбору параметров бурового инструмента. Вместе с тем, отмечая несомненные заслуги ученых в этой области, следует отметить, что появившиеся в настоящее время новые буровые станки ударно-врашагельного действия с погружными пттевмо-ударниками повышенной энерговооруженности не находят широкого применения на отечественных предприятиях. В первую очередь, это связано с отсутствием научно обоснованных методик выбора режимных параметров бурения, увязанных с износостойкостью инстру,ментов применительно к конкретным условиям эксплуатации. Имеющийся опыт и установленные эмпирические зависимости справедливы, как правило, для бурения скважин диаметром до 100 мм при избыточном давлении воздуха на пневмоударник, не превышающий 0,5 MI 1а. В настоящее же время станки нового технического уровня работают при давлениях до 2,4 МПа и обеспечивают проходку скважин диаметром до 200мм, для которых установленные ранее зависимости имеки ограниченное значение. Все имеющиеся в литературе рекомендации по выбору режимных параметров бурения ориентированы на средние значения и не учитывают дополнительных динамических воздействий, которые MOiyr приводить к выходу из зоны оптимального сочетания производительности бурения и износостойкости инструмента.

В этой связи, исследование процессов, позволяющих выявить взаимосвязь режимных параметров бурения с износостойкостью долот для конкретных условий эксплуашции, и разрабо!ка рекомендаций по повышению эффективности бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками являются актуальной задачей.

Для решения первой задачи исследований (глава 2) были рассмотрены взаимосвязи эффективности функционирования бурового оборудования и стойкости инструмента. Было установлено, что в силу специфических особенности ударно-вращательного бурения крепких порол скорость бурения (производительность) и стойкость бурового инструмента в зависимости 01 режимных параметров (энергии удара и частоты вращения.) взаимно противоречивы Зона режимных параметров, в которой могут сочетаться производительность и износостойкость бурового инсфумента, весьма узка и крайне чувствительна к изменению значений режимов бурения.

В настоящее время современное буровое оборудование позволяет реализовать практически любые режимы работы породоразрушающего инструмента, обеспечивая требуемые силовые и кинематические параметры, необходимые для разрушения забоя. Однако на практике стремление к увеличению производительности приводит к формированию таких режимных параметров, которые приводят к резкому снижению стойкости долота, что требует существенной корректировки режимов бурения. Поэтому выбор режимов бурения должен быть предметом компромисса, который определяется из следующих соображений.

Известно, что наиболее эффективное бурение скважины достигается при выполнении следующего условия:

Ы„= ^^„Р,,^,,,) (1)

где: А„ „ - энергия удара, являющаяся при прочих равных условиях функцией давления воздуха Р„ в пневмоударнике, режимных параметров долота и его конструктивного совершенства; К - безразмерный коэффициент; д ^ - прочность породы на вдавливание; .•>„ - площадь контакта долота с породой; Ы0 - избыток

энергии, необходимый для обеспечения объемною разрушения; V0 - скорость взаимодействия инструмента с породой; п0 - час юга вращения долота; Fa - усилие подачи; qu, - факторы, характеризующие разрушаемый массив, условия распределения усилий по забою, гидродинамические и температурные условия, изменение площади контакта породоразрушающих элементов, геометрию забоя, глубину скважин и т д.

Вследствие того, что физико-механические свойства породы и состояние породоразрушающих элементов представляют случайные функции, сохранить эффекшвпость бурения можно только за счет изменения режимных параметров, i.e. увеличения Аоу0 Однако это увеличение, в свою очередь, может существенно изменить интенсивность изнашивания долота Кроме того, величина избытка энергии при эксплуатации должна быть больше Ng, т.е ее значение выбирается с некоторым запасом А = N - No, который необходим для компенсации мешающих воздействий. Исходя из этого, возникает задача определения необходимой величины этого запаса. Вследствие зависимости TV от условий бурения, имеющих случайный характер, величина А в процессе бурения будет изменяться также случайным образом. Учшывая, что при работе в однородном массиве изменение N в каждом акте взаимодействия долота с забоем определяется большим количеством примерно равновесных составляющих, то естественно предположить, что А буде1 распределена по нормальному закону с математическим ожиданием А0 и дисперсией $1-

При стабильных горнотехнических условиях изменение А во времени A(t) или в пространстве А(1) (/-общая длина пробуренных с помощью данного долота скважин) можно интерпретировать как стационарный случайный процесс. Поэтому появление события A(t) > А о является выходом за уровень (выбросом) стационарного случайного процесса. Если уровень выброса достаточно высок и приводит к снижению производительности бурения, то даже единичное его появление приведет к резкому увеличению интенсивности изнашивания инструмента.

Предполагая, что вследствие нормальности распределения А появление выбросов подчинено распределению Пуассона, при сделанных допущениях вероят-

ность Рнр появления режимов бурения, интенсифицирующих износ долота, будет равна:

P„r=l-explTf^/2x)e-°^\, (2)

где: т - время взаимодействия долота с забоем (длительность ударного импульса); р - вторая производная нормированной корреляционной функции случайного процесса (средняя частота изменения этого процесса); а = (Лп - A)/Sa - зависимость удельного запаса эффективности бурения, по которой в процессе бурения «перемещается» совокупность режимных параметров.

Из выражения (2) видно, что в обеспечении эффективного разрушения, наряду с интенсивностью случайных мешающих воздействий (параметр а) определенную роль играет и их характер (параметр р щ,). Это свидетельствует о том, что выбор отношения запаса энергии А к мощности мешающих воздействий должен быть предметом компромисса, результаты которого крайне чувствительны к изменению режимных параметров бурения.

В реальных условиях запас энергии А подвержен не только случайным, но и систематическим воздействиям, вызванным, в первую очередь, износом твердосплавных вставок. В этом случае появляется линейно изменяющаяся систематическая составляющая /?, т.е. A(t) будет случайной функцией с линейно меняющимся средним значением. Однако и в этом случае специфический пороговый характер зависимости Р„р (рис. 1) сохраняется. Вместе с тем, с увеличением щ-р/Ао требуется соответствующее увеличение а, в связи, с чем происходит вы-лолаживание «порога».

------r Y >„-o.5 \ Рис 1 - Функция распределения вероятного сти появления режимных параметров Рщ„ —— ~ отрицательно влияющих на износ дояота '' " а при эксплуатации в реальных условиях

Следовательно, при износе долота, согласно линейной закономерности, зона компромисса расширяется (заштрихованная часть на рис.1). Однако эта зона

смещается в зону больших значений а, что в свою очередь интенсифицирует износ, так как для обеспечения эффективного бурения в этом случае необходимо увеличивать энергию удара.

Таким образом, обеспечение рационального компромисса между эффективностью бурения и стойкостью долота возможно для данных горнотехнических условий только в очень узком диапазоне значений режимных параметров работы буровою инструмента. Причем, даже самые незначительные количественные изменения этих значений могут приводиib к качественному ухудшению стойкости долот. Это косвенно подтверждается также тем, чго в реальных условиях эксплуатации стойкос!ь одинаковых конструкций долот может меняться в несколько раз

Дальнейшие теоретические исследования были связаны с определением влияния на процесс бурения и износостойкость инструмента динамических особенностей системы «буровой став - пневмоударник — долото - забой».

Рассматривая буровой став, как составной стержень с изменяющейся длиной, решением известных уравнений в частных производных, описывающих поведение таких стержней, установлено, что при проходке скважины даже в однородной породе с неизмененными физико-механическими свойсхвами в указанной сисгеме Moiyr развиваться крутильные и продольные колебания. Причем, геометрическая сумма амплитуд этих колебаний, из-за изнашивания инструмента по мере углубления скважины, может увеличиваться до значений, приводящих к выходу процесса бурения из зоны эффекшвносш Поэтому, для сохранения в процессе бурения скважины величины износа инструмента в требуемых границах и исключения тем самым кришческих значений амплитуд колебаний необходимо регулировать режимные параметры.

Принципиальная схема прогнозирования режимов бурения по глубине скважины L, представлена на рис. 2 в трехмерной системе координат (п0, А0, L). В двухмерной системе координат (п0, А0,) прямоугольником abed изображена область допустимых значений режимных параметров А0 а щ Процессу бурения скважины в интервале [.Ь/, Ь2] будет соответствовать некоторая кривая у с началь-

ной точкой Т] при времени бурения t - 0 и конечной точкой Х2 при ? = Т0{Т0 ~ время непосредственного взаимодействия долота с забоем скважины). Таким образом, текущая точка 2 С у/ в процессе бурения переместится из начального положения в конечное 72.

Рис 2 - Принципиальная схема построения области прогнозирования ре-жимов бурения при углублении забоя скважины

Обозначив через Л1(г) абсолютную величину разности между действительной 1(г) и теоретической износостойкости 1(п0, Ад), т.е.:

Ы{2)=\1(7)-1(П0 Л0)| (3)

прогнозирование процесса изнашивания бурового инструмента можно трактовать следующим образом: наш и множество значений режимных параметров (п0, А0) в области ()о и значений текущих глубин скважины (Ь), где абсолютная величина разности Л1(г) между деймвшельной износостойкостью долош и износостойкостью согласно эмпирической модели 1(щ, Ад, $ в процессе бурения будет минимальной (А1(г) —*А1т1П) В этом случае устанавливается область наилучшего применения эмпирической модели бурения для целей прогнозирования процесса изнашивания долота При этом считается, что физико-механические свойства разрушаемой горной породы, условия очистки забоя, тип долота и т.п. как в рабочих условиях, так и в условиях проведения эксперимента при получении эмпирических зависимостей близки друг к друху.

Необходимость сведения к минимуму отклонений действительной износостойкости инструмента от его эмпирического базового значения связана с тем, что, если интерпретировать величину этих отклонений А1(г) как степень нестабильности соотве I ствия реального процесса бурения заранее предполагаемому, то даже в полностью стационарных условиях возникает существенная неопределенность выбора конкретных значений режимных параметров. Это влечет за собой резкое снижение эффективности бурения скважины и работоспособности долота Отклонение фактической износостойкости долота от предполагаемой ("теоретической) и нестабильность этого отклонения приводят к резкому увеличению вероятности бурения скважины в нерациональных режимах, а также к снижению возможностей эффективного управления этими режимами.

Вследствие того, что при прохождении скважины могут попадаться слои пород, имеющие качественно различные физико-механические свойства, область Qo разбивается на ряд конечных подобластей в каждой из которых достижение А1,тп будет обеспечиваться своим рациональным сочетанием рабочих режимов Q„ согласованным с соответствующим теоретическим значением износостойкости Ь(Аои пт, Следовательно, в каждой из этих подобластей будет свое значение износостойкости А1(г1).

Таким образом, при проходке скважины существуют области, в которых из-за динамических особенностей системы «буровой став - пневмоударник - долото - забой», определяемых её крутильными и продольными колебаниями, возникает необходимость регулировать режимные параметры, что особенно важно для сохранения на приемлемом уровне износостойкости инструмента. Другими словами, для рациональной проходки скважин необходимо иметь определенную стратегию управления режимными параметрами (А(ь пп) применительно к конкретным условиям эксплуатации (прочности разрушаемых горных пород). При этом она должна учитывать следующие наиболее характерные зоны бурения:

- зона заклинивания (прихвата) бурового инструмента определяемая величиной усилия прижатия долота к забою, которая для пневматических погружных

ударников составляет исходя из опытных данных примерно 80...90 Н на один миллиметр диаметра скважины;

- зона неустойчивого бурения в автоколебательном режиме, которая определяется соотношением энергии удара, геометрии и механических свойств бурового става, частоты вращения, физико-механических свойств пород в забое;

- зона устойчивого бурения.

Если при бурении по глубине скважины имеется N областей, различающихся по своим физико-механическим свойствам, то согласно выше изложенному стратегия бурения должна заключаться в минимизации следующего функционала:

2Х- (4)

где: - разница в сроке службы долота в процессе бурения области с / - ми механическими свойствами при фактических п1 и А„ и полученных опытным путем и0, и А0, режимных параметрах.

Из выражения (4) следует, что рациональная стратегия бурения сводится к переключению режимов бурения в каждой области к такому сочетанию п, и А„ которое наиболее близко подходит к значениям п01 и Аш, определяющим граничные значения зоны минимизации колебательных процессов. Внутри каждой области необходимо плавное изменение параметров п, и А„ пропорциональное скорости продвижения забоя.

Для определения траниц различных областей управления режимными параметрами, в зависимости от динамического поведения систем «буровой став -пневмоударник - долото - забой» в качестве информативных показателей возможно использовать амплитуду и частоту колебаний этой системы.

Выполненные теоретические исследования и их результаты свидетельствуют о том, что определение рациональных режимов бурения и разработка на этой основе практических рекомендаций по применению бурового инструмента должны осуществляться по вышеизложенной стратегии с использованием экспериментальных данных, полученных при эксплуатации буровых станков в реальных условиях.

2. Разработка методов и средств мониторинга состояния буровых

станков.

При выполнении диссертационной работы значительное внимание было уделено проведению экспериментальных исследований (глава 3) в производственных условиях.

Экспериментальные исследования проводились с применением классического метода планирования однофакторного эксперимента, предусматривающего изменение какого-либо одного параметра при сохранении постоянными всех других параметров, и статистических методов планирования экстремальных экспериментов с последующим графоаналитическим анализом полученных результатов с помощью методов теории вероятностей и математической статистики.

Для проведения экспериментальных исследований в производственных условиях с участием автора диссертационной работы был разработан и внедрен в эксплуатацию измерительно-информационный комплекс ИН-МГМ. Комплекс состоит из набора датчиков и приборов, измеряющих те или иные физические параметры (давление воздуха в пневмоударникс, темпера-<УРУ и давление масла в гидросистеме бурового станка, усилие и скорость подачи, частоту вращения долота и др.). Методология мониториша состояния систем буровых станков и принцип действия комплекса ИН-МГМ заключаются в получении достоверной информации при применении технолот ий непрерывного измерения и записи физических параметров. Принципиальная схема аппаратного комплекса для реализации такой технологии приведена на рис 3.

Рис 3 - Принципиальная схема измерений и записи исследуемых параметров

Центральным звеном здесь является информационный накопитель СИП), который осуществлял непрерывный или периодический «опрос» датчиков и накопление результатов измерений в собственной памяти.

Специальное считывающее устройство обеспечивало перенос необходимых для анализа данных в компьютер, который с помощью разработанного программного обеспечения осуществлял их обработку. В качестве информационного накопителя был применен разработанный с участием автора анализатор физических параметров типа АФПу (рис.4), который с периодичностью от 1 сек. до 1 мин в зависимости от режима функционирования осуществлял регистрацию сигналов по каждому из восьми аналоговых каналов и автоматическое построение гистограммы распределения результатов измерений во времени.

С целью проверки работоспособности и исследования информационно-технологических возможностей приборного комплекса ИН-МГМ на базе информационного накопителя АФПу были проведены его испытания в условиях ПО «Якутуголь», где эксплуатируются мощные гидравлические экскаваторы и буровые станки.

Полученные данные подвергались первоначальной обработке с отбраковкой грубых ошибок и представлялись в виде исходных диаграмм, характерный участок которых приведен на рисунке 4.

С целью перекрестной проверки результатов обработки осуществлялся пересчет данных, снятых с самописца. Сравнение расчетных данных с результатами обработки в режиме эксперимента показало, что прибор имеет основную погрешность в пределах 0,05-0,1% при доверительной вероятности 0,9-0,95. Это важнейший результат, подтверждающий достоверность и воспроизводимость измерений с помощью прибора АФПу, позволил рекомендовать его для дальнейших экспериментальных исследований бурения скважин буровыми станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками.

—-- ----

Рис 4 - Анализатор физических параметров АФПУ и характерный участок реачизации записи давления воздуха при бурении на станке ОМ45НР

Методикой проведения испытаний в соответствии с планом эксперимента предусматривалось бурение трех контрольных скважин с предполагаемыми режимными параметрами (давление воздуха Р0 и частота вращения долота щ ) и последующим анализом скорости бурения Уо , стойкости рабочего инструмента 1сд и корпуса пневмоударника !ск усилия подачи Го и свойств разрушаемых пород ССж по глубине бурения Минимизация прогнозируемой разницы в сроке службы инструмента по результатам обработки экспериментальных данных позволяет рекомендовать режимы бурения для конкретных условий эксплуатации и его различных типов.

3. Экспериментальные исследования бурения скважин с применением погружных пневмоударников.

Район месторождения - основного объекта исследований, расположен в пределах Охотско-Анадырского инженерно-геологического региона. Физико-механические свойства вскрышных пород и полиметаллических руд месторождения, на которых в основном проводились эксперименты, были представлены среднс-абразивными горными породами (IV класс абразивности по Л. И Барону и А. В. Кузнецову) Осадочные породы характеризуются как прочные: плотность 2,7- 3,26 г/смЗ, пористость 2,5-2,6%, предел прочности на одноосное сжатие 127,6 -143,9 МПа, абразивность 20-25 мг. Интрузивные и вулканические породы харак-

теризуются как очень прочные с максимальным пределом прочности на одноосное сжатие 203 МПа, а песчаники и алевролиты - 68 - 85 МПа

Исследования проводились в натурных условиях месторождений «Хаканд-жа», «Дукат», и «Лунное», входящих в объединение горных предприятий Магаданской области, принадлежащих ХК «Полиметалл».

Полученные результаты испытаний станка ПМ-45НР, оснащенного пневмо-ударником ОНГМбО, 01.60 и компрессором высокого давления с производительное гыо 25,5 м3/мин при давлении 2,41 МПа и аналогичные результаты для буровою станка ОМ-45НР с компрессором производительностью 30,3 м3/мин позволили сделать вывод о том, что скорость бурения одним и тем же пневмоударни-ком увеличивается пропорционально производительности компрессора.

Экспериментальные исследования износостойкости долот при ударно-вращательном бурении горных пород показали, что интенсивность их изнашивания зависит 01 режимных параметров бурения, определяемых частотой вращения и давлением воздуха:

- отклонение частоты вращения от оптимальных для данных условий значений на 25-30% приводит к сокращению дол! овечности инструмента в 2-3 раза и, как следствие, к уменьшению производительности станка в 1,5-1,7 раза;

- с увеличение давления воздуха в пневмосетаг с 1,4 МПа до 2,4МПа, или в 1,7 раза, стойкость долот возрастает в 1,5-1,7 раза.

12 (360 166) 1ск= 32400 9800 Ро+ 1000 Ро2 ~3-(С11.65 16<5) |ск => 36100 - 1 3200 Ро + 1400 Ро'

Давление воздуха Ро, МПа

Рис 5 Зависимости стойкости пневмоударшков от давления воздуха

При проведении экспериментальных исследований износостойкости долот были также выполнены количественные оценки долговечности корпусов пневмо-ударников (рис.5). На рисунках 5 и 7 приведены зависимости суммарной глубины пробуренных скважин до износа корпусов пневмоударников L, и долот 1сд от давления воздуха Р0. Из рисунков видно, что с увеличением давления воздуха в 1,7 раза стойкость корпуса пневмоударника в отличие от долот гиперболически снижается с 15-16 км до 3,5-4,5 км, или в 3,5-4,3 раза. Это связано с увеличением контактных давлений абразивных частиц на изнашиваемые поверхности. При этом нагрузки на долото возрастают в 1,5 раза.

Установлено, что при бурении погружными пневмоударниками скважин диаметром 152-172 мм наиболее рациональные значения усилия подачи на долото составляют 9-17 к11. Пересчетом установлено, что на каждый сантиметр диаметра долота должно создаваться рациональное значение усилия подачи, равное 0,87 кН. Отклонения от данного соотношения не увеличивает скорость бурения, а ускоряет изнашивание долота При увеличении прочности пород на одноосное сжатие сгг„ требуемые при бурении скважин усилия подачи пропорционально возрастают.

ТО О | бО.О . К 50,0 |

i 40 ° I

30 ° I

£ zo о

о ю о I

f оо'

О «8 ЮО 132 1ва 203

Предел прочности о™, МПа

Рис 6 - Влияние давпения воздуха в пневмоубарнике типа DHD360 на скорость бурения скважины для горных пород с различными свойствами

Увеличение давления воздуха в пневмоударнике с 1,4 до 2,4 МПа способствует росту скорости бурения в 1,6-1,8 раза, абсолютная величина которой существенно отличается для пневмоударников различных конструкций. При этом изменение давления воздуха не влияет на характер формирования скорости бурения в зависимое ги от свойств разрушаемых пород. При давлениях в рассматриваемом

диапазоне значений с ростом прочности пород скорость бурения скважины линейно уменьшается (рис.6).

4. Обоснование и выбор рациональных параметров ударно-вращательного бурения скважин станками с погружными пневмоудар-никами.

Выполненные исследования позволили разрабо:шь методику выбора рациональных параметров ударно-вращательного бурения взрывных скважин для долот с различным уровнем стойкости и конкретных условий эксплуатации (глава 4). Для определения рациональных соотношений режимных параметров и прочности пород, при которых скорость бурения и стойкость долог достигают требуемых значений, полугены эмпирические зависимости. Для месторождения <<Хаканджа» такая зависимость имеет следующий вид (при коэффициенте множественной корреляции Л2=0,82):

по — 26,ЗРп 0,1050сж (5)

Графически методика определения рациональных режимных параметров в зависимости от требуемых скорости бурения скважины, стойкости инструмента и прочносш разрушаемых пород представлена в виде номограммы на рисунке 7

Таблица. Рекомендуемый инструмент по критерию стойкости буровых долот

Тип долота Стойкость буровых долот, м

Тип долота Заявленная произ- В существовавшей Достигнутая при ре-

водителем практике комендованных параметрах

Месторождение «Дукат»

|)Н1)-360 6,5 (}6Р 2700 210 1670

ОЬ60 6,5 В36Р 1900 160 1536

Месторождение «Лунное»

ПНП-360 6,5 06СЕ 2700 500 2630

ОЛбо 6,5 В36С 1900 400 2364

Месторождение «Хаканджа»

ШП)-360 6,5 06СЕ 2700 380 1950

0Ш( 6,5 В36С 1790 300 1744

Доверительный объем экспериментальных исследований, которые были выполнены в натуральных условиях, позволяет с помощью предложенной номо-

граммы определять рекомендуемые параметры бурения: частоту вращения инструмента, давление воздуха и нагрузку на долото. При этом стойкость бурового инструмента (пневмоударника и долота во) взаимосвязи со скоростью бурения (производительностью станка) для конкретной прочности горных пород (в рассматриваемом примере Ссм = П2 МПа или 11 класс крепости по М М. Протодья-конову) являются показателями эффективности бурения.

15 0 3,0

I

00

\ 1-«

\

й N

Ч 1 • ■

♦

I 4 I 5 ).е 1 7 1 8 И 2 2,1 2 2 2 3 Давление воздуха Р„ МПа

1 осж = 186 МПа

2 осж-168 МПа

3 - осж =132 МПа

4 осж " 100 Мпа

5 осж = 68 Мпа

10 10 30 40 5« Часта вращения п. оЗДшн

Рис 7- Номограмма выбора рациональных параметров бурения скважин

В таблице приведены сравнительные данные фактической стойкости долот при бурении скважин с рекомендованными режимными параметрами и существо-

вавших ранее на практике. Прочность пород на одноосное сжатие во всех случаях была примерно равной и составляла в среднем 132 МПа.

Как видно из приведенных в таблице данных, благодаря использованию рекомендованных рациональных параметров бурения стойкость буровых долот увеличилась в 5,1 - 9,6 раз и тем самым приблизилась к гарантированным производителем, при этом значительно уменьшились затраты на один погонный метр пробуренной скважины по месторождениям: «Дукат» с 226 до 40 руб., i.e. в 5,5 раз; «Лунное» с 76.3 до 23 руб., т.е. в 3,3 раза; «Хаканджа» с 104 до 29 руб., т.е. вЗ,6 раза. Б целом рекомендованные режимы бурения обеспечили экономический эффект, который составил по месторождениям «Лунное» - 1,0 млн. руб, «Хаканджа» -0,8 млн. руб. и «Дукат» - 0,5 млн. руб.

Заключение

В диссертационной работе дано законченное решение научно-исследовательской задачи определения для конкретных горно-технических условий рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками, что имее! важное практическое значение для обеспечения эффективной эксплуатации буровою оборудования нового технического уровня при открытом способе добычи полезных ископаемых.

Основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Износостойкость бурового инструмента, даже при проведении скважин со сходными горно-техническими условиями, имеет значшельный разброс значений (до 10 раз), чю связано со значительной варианией факторов, влияющих на процесс бурения.

2. Рациональные соотношения между скоростью ударно-вращательного бурения и стойкостью бурового инструмента сохраняются лишь в узком диапазоне значений его режимных параметров, за пределами которого происходиi интенсивное изнашивание долота и снижение скорости бурения

3. При проходке скважины существуют области, в которых из-за вариаций динамических составляющих в системе «буровой став - пневмоударник - долото - забой» возникае: необходимость регулировать режимные параметры, что особенно важно для сохранения на приемлемом уровне интенсивности изнашивания илструмеша. Установленные на основе резулыатов теоретических исследований характерные закономерности, связывающие изменения областей управления режимными параметрами в зависимости от развития при углублении скважины кру-шдьных и продольных колебаний в системе, существенно расширяют теоретическую базу для прогнозирования износостойкое 1 и породоразрушаютцего инструмента.

4. Для рациональной проходки скважины необходимо иметь определенную сфагегию управления режимными параметрами, такими как энергия удара Л0 и частота вращения долош п0 учитывающую наиболее характерные зоны бурения'

- зона заклинивания бурового инструмента, определяемая величиной усилия подачи долота, которая для пневматических погружных ударников составляет 80 90 Н на один миллиметр диаметра скважины,

- зона неустойчивого бурения в авюколебателшом режиме, которая определяется соотношением энергии удара, геометрии и механических свойств буровою инструмента, частоты вращения, физико-механических свойств пород массива,

- зона устойчивого бурения

5 Установлены закономерное ш влияния на эффективность ударно-вращательного бурения скважин и стойкость штыревых долот различных, в том числе и режимных, параметров бурения взрывных скважин:

- с изменением давления воздуха в пневмосистеме с 1,4 до 2,4 МПа стойкость пггевмоударников снижается в 3,5 — 4,3 раза по гиперболической зависимости, а долот, наоборот, в 1,5 - 1,7 раза возрастет,

- увеличение давления воздуха в пневмоударнике в 1,7 раза способствует росту скорости бурения в 1,6-1,8 раза, величина которой для пневмоударников различных конструкций при одинаковых режимах бурения существенно разнится.

При этом изменение давления воздуха не влияет на характер формирования скорости бурения в зависимости 01 свойств разрушаемых пород. При давлениях 1,4 - 2,4 МПа с ростом прочности пород скорость бурения скважины линейно уменьшается;

- с увеличением диаметра долота потребная скорость его вращения умепь-шается, при этом стойкость пневмоударников всех типов закономерно возрастает, что связано с увеличением затрубного пространства и уменьшением в этой связи удельных контактных давлений со стороны раздробленных частиц горной породы на изнашиваемую поверхность;

- при бурении скважин диаметром 152-172 мм наиболее рациональные значения усилия подачи на долото составляют 9-17 кН. Отклонения от данного соотношения не увеличивает скорость бурения, а ускоряет изнашивание долота При увеличении прочное 1 и пород требуемые при бурении скважин усилия подачи пропорционально возрастают, скорость вращения бурового става уменьшается

6 Установленные эмпирические зависимости скорости бурения и износостойкости основных типов штыревых долот от режимных параметров и физико-механических свойств горных пород позволили разработать методику выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками для конкретных условий эксплуатации.

7. Разработаны и внедрены в эксплуатацию методы и средства мониторинга г состояния пневматических буровых станков ударного действия

Результаты исследований реализованы при эксплуатации ударно-вращательных буровых станков ПМ-45НР на трех месторождениях ОАО МНПО «Полиметалл» в Магаданской области, а также па предприятиях «Уральского горно-метштлургического комбината» и ряда рудных карьеров Казахстана и Украины Реализация разработанных рекомендаций только на трех горнодобывающих предприятиях ОАО МНПО «Полиметалл» позволила увеличить износостойкость буровых долот и пневмоударников от 2 до 7 раз, и получить реальный эко-

номический эффект 2,3 млн .руб. в год, что подтверждает практическую целесообразность и научно-техническую достоверность проведенных исследований.

Основное содержание диссер!ационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Даутов Р.Р , Бродский Г.С., Слесарев Б.В. Системы обеспечения надежности гидропривода - инструмент внедрения современной карьерной техники на горных предприятиях России //Горная Промышленность, Уг1, 2002 - С 45 - 49.

2. Даутов Р Р., Штейнцайг В.М., Слесарев Б.В., Бродский Г.С. Средства повышения эффективности эксплуатации мощных гидравлических экскаваторов на карьерах Якутии // Актуальные проблемы разработки кимберли говых месторождений- современное состояние и перспективы решения / Сб.докл Межд. научно-практ. конф. «Мирный-2001» - ЯКУТНИИПРОАЛМАЗ, Мирный, 2002-С 93 - 97

3 Даутов Р Р , Бродский Г С., Штейниайг В.М., Шумаков А.Б. Применение информационных систем контроля и диагноешки состояния горной техники для повышения ее надежности V Научные сообщения ННЦ ГП - ИГД им. А А. Ско-чинсюм о - 2004, Вып. 326 - С 128-136.

4. Даутов P.P. Обоснование эффективных режимов ударно - вращательного бурения скважин па скальных породах // Горный журнал, №8, 2005 - С. 85-87.

5. Мерзляков В.Г., Даутов Р.Р, Оптимизация режимов бурения станками нового поколения // Научные сообщения ННЦ ГП - ИГД им. А А.Скочинского -2005, Вып. 331,-С. 134-139.

Подписано в печать 22.02.2006. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1515

/\\ ИЗДАТЕЛЬСТВО

^^МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40

ivoéJ W*

Введение.

1 Состояние вопроса, методология проведения и постановка задач исследований.

1.1 Анализ технического уровня и опыта эксплуатации современных буровых станков.

1.2 Анализ параметров бурового инструмента и физических особенностей процесса их изнашивания.

1.3 Анализ конструкций пневмоударников и их износостойкости в функции от влияющих факторов.

1.4 Обзор существующих методов оценки и прогноза износостойкости инструментов при ударно-вращательном бурении.

1.5 Задачи исследований.

2 Теоретические исследования эффективности функционирования буровых долот ударно - вращательного действия.

2.1 Физические особенности разрушения забоя при ударно-вращательном бурении горных пород и процесса изнашивания инструмента. Факторы, влияющие на износ инструмента.

2.2 Исследование взаимосвязи эффективности функционирования бурового оборудования и стойкости инструмента.

2.3 Моделирование процесса изнашивания долот при ударно-вращательном бурении горных пород.

2.4 Прогнозирование долговечности долот при различных режимах и условиях эксплуатации.

Выводы по главе.

3 Экспериментальные исследования показателей применения инструментов различных типов и разработка рекомендаций по выбору режимных параметров при бурении пород различной крепости.

3.1 Разработка методики и средств измерений для проведения и планирования экспериментальных исследований.

3.2 Горно-геологические условия проведения экспериментальных исследований

3.3.Экспериментальные исследования бурения скважин ударновращательным способом с применением погружных пневмоударников.

3.3.1 Основные характеристики погружных пневмоударников.

3.3.2 Исследование режимов бурения с применением пневмоударников различных параметров.

3.3.3 Исследование износостойкости пневмоударников различных типов для ударно-вращательного бурения скважин.

3.4 Установление закономерностей влияния режимных параметров на эффективность ударно-вращательного бурения скважин.

3.4.1 Давления воздуха в пневмоударнике.

3.4.2 Усилие подачи.

3.4.3 Скорость вращения бурового става.

3.5 Разработка рекомендаций по режимам бурения для условий месторождений полиметаллических руд.

Выводы по главе.

4. Обоснование и выбор рациональных параметров ударно-вращательного бурения взрывных скважин для долот с различным уровнем стойкости.

4.1. Методика выбора ударно-вращательного бурения взрывных скважин для долот с различным уровнем стойкости.

4.2 Экономическая эффективность внедрения результатов исследования в практику применения буровых станков нового поколения.

Выводы по главе.

Актуальность работы. В последние десятилетия открытый способ добычи полезных ископаемых превалирует во всех горнодобывающих отраслях промышленности. Одним из основных технологических процессов этого способа является буровзрывное разрушение горного массива, эффективность которого во многом определяется уровнем технологии бурения взрывных скважин и надежностью применяемого оборудования, в том числе стойкостью (долговечностью) породоразру-шающего инструмента.

Для бурения пород повышенной крепости, как в мировой, так и в отечественной практике используют станки с исполнительными органами ударно-вращательного действия. Вместе с тем, разработанные за последние годы высоко-энерговооруженные станки нового технического уровня с погружными пневмоудар-никами повышенного давления на российских горнодобывающих предприятиях не нашли достаточно широкого применения. Во многом это связано с тем, что предлагаемые фирмами производителями ориентировочные значения долговечности инструмента часто существенно разнятся с их реальными значениями при эксплуатации в производственных условиях.

Несоответствие рекомендованных и фактических значений долговечности инструмента особенно отрицательно сказывается на эффективности бурения пород повышенной крепости, в том числе при разработке месторождений полиметаллических руд. В значительной мере это связано с отсутствием научно обоснованных рекомендаций по параметрам бурения в зависимости от стойкости буровых долот применительно к разработке месторождений полиметаллических руд. Только в том случае, когда режимные параметры бурения соответствуют стойкости инструмента, можно говорить о высокопроизводительной работе буровых станков. Однако применительно к станкам ударно-вращательного действия с погружными пневмоудар-никами повышенного давления такие рекомендации отсутствуют.

Таким образом, исследование взаимосвязи режимных параметров бурения с долговечностью инструмента и эффективностью проходки скважин станками ударно-вращательного действия в конкретных горнотехнических условиях представляется актуальной задачей.

Целью настоящей работы является обоснование и выбор рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками применительно к условиям разработки месторождений полиметаллических руд.

Идея работы заключается в том, что рациональное соотношение производительности бурения скважин и износостойкости инструмента при взаимодействии с забоем системы «буровой став - погружной пневмоударник - долото» определяется сочетанием режимных параметров и прочности горных пород.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Рациональное соотношение скорости бурения и стойкости бурового инструмента, определяющих эффективность ударно-вращательного бурения скважин, обеспечивается в узком диапазоне его режимных параметров, зависит от крутильных и продольных колебаний в системе «буровой став - пневмоударник - долото -забой», уровень и характер которых изменяются по глубине скважины. Требуемые соотношения достигаются определенной стратегией управления режимными параметрами, учитывающей наиболее характерные зоны устойчивого и неустойчивого бурения скважины и зону заклинивания бурового инструмента.

2. Закономерности формирования скорости ударно-вращательного бурения взрывных скважин и стойкости породоразрушающего инструмента при варьировании давления воздуха в пневмосистеме от 1,4 до 2,4 МПа для различных типов штыревых долот и пневмоударников повышенного давления, учитывающие влияние усилия подачи, скорости вращения бурового става и физико-механические свойства породного массива.

3. Эффективность ударно-вращательного бурения взрывных скважин, при которой скорость бурения и стойкость бурового инструмента достигают требуемых значений, обеспечивается при рациональном сочетании режимных параметров, определяемых в соответствии с установленной взаимосвязью скорости вращения бурового става, давления воздуха в пневмоударнике и физико-механических свойств горных пород.

Обоснованность и достоверность разработанных научных положений выводов и рекомендаций подтверждается: использованием апробированных методов системного подхода к идентификации процессов бурения и построения динамических моделей поведения системы «буровой став - пневмоударник — долото - забой»; применением известных методов математической статистики и планирования эксперимента при проведении экспериментальных исследований; доверительным объемом статистических данных об износостойкости бурового инструмента при ударно-вращательном бурении взрывных скважин на действующих карьерах месторождений, разрабатываемых ОАО МНПО «Полиметалл»; удовлетворительной сходимостью (в пределах 20%) расчетных данных с результатами экспериментальных исследований.

Научное значение работы состоит в:

- установление характерных закономерностей, определяющих существенную чувствительность зоны эффективного бурения к незначительным вариациям динамических свойств системы «буровой став - пневмоударник - долото - забой», которые изменяются с глубиной бурения;

- научном обосновании рекомендаций по рациональным режимам бурения с прогнозируемым уровнем износостойкости бурового инструмента в конкретных горнотехнических условий;

- установление взаимосвязей между режимными параметрами, скоростью ударно- вращательного бурения и стойкостью инструмента для широкого ряда долот и погружных пневмоударников повышенного давления.

Практическая ценность работы заключается в: разработке методов и средств мониторинга состояния пневматических буровых станков ударного действия; разработке методики выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударника-ми для конкретных условий эксплуатации.

Методы исследования: систематизация и анализ литературных источников, результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ о режимах ударно-вращательного бурения и износостойкости бурового инструмента; экспериментально-статистический метод с использованием теории случайных функций и программного пакета MS Excel; экспериментальные исследования и наблюдения в производственных условиях эффективности эксплуатации бурового оборудования для ударно-вращательного бурения взрывных скважин на карьерах с применением статистических методов планирования экстремальных экспериментов.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы при отработке режимов бурения и внедрении буровой техники фирмы «Ингерсолл-Рэнд» на предприятиях «Лунное», «Хаканджа», «Дукат», расположенных в Магаданском крае и входящих в ОАО МНПО «Полиметалл»; при проектировании ООО «СПб - Ги-прошахт» новых горных предприятий.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения были доложены на горнодобывающих предприятиях ОАО МНПО «Полиметалл», ОАО «Разрез Черниговский», в проектных институтах «Гипроруда» и «Гипрошахт», научно-технических советах ОАО ХК «Якутуголь», ЗАО «Могормаш», компаний «Ингерсолл-Рэнд», «Атлас-Копко», международной научно- практической конференции «ЯкутНИИ! 1РОАлмаз» и научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Ско-чинского.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержит 126 страниц, 31 рисунок, 20 таблиц, список использованной литературы из 87 наименований.

Автор выражает признательность сотрудникам ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Ско-чинского за предоставленные ими данные о результатах исследований предшественников и методическую помощь при подготовке работы.

Основные выводы и результаты диссертационной работы: 1. Износостойкость бурового инструмента, даже при проведении скважин со сходными горно-техническими условиями, имеет значительный разброс значений (до 10 раз), что связано со значительной вариацией факторов, влияющих на процесс бурения.

2. Рациональные соотношения между скоростью ударно-вращательного бурения и стойкостью бурового инструмента сохраняются лишь в узком диапазоне значений его режимных параметров, за пределами которого происходит интенсивное изнашивание долота и снижение скорости бурения.

3. При проходке скважины существуют области, в которых из-за вариаций динамических составляющих в системе «буровой став — пневмоударник — долото - забой» возникает необходимость регулировать режимные параметры, что особенно важно для сохранения на приемлемом уровне интенсивности изнашивания инструмента. Установленные на основе результатов теоретических исследований характерные закономерности, связывающие изменения областей управления режимными параметрами в зависимости от развития при углублении скважины крутильных и продольных колебаний в системе, существенно расширяют теоретическую базу для прогнозирования износостойкости породоразрушающего инструмента.

4. Для рациональной проходки скважины необходимо иметь определенную стратегию управления режимными параметрами, такими как энергия удара А0 и частота вращения долота щ, учитывающую наиболее характерные зоны бурения:

- зона заклинивания бурового инструмента, определяемая величиной усилия подачи долота, которая для пневматических погружных ударников составляет 80.90 Н на один миллиметр диаметра скважины;

- зона неустойчивого бурения в автоколебательном режиме, которая определяется соотношением энергии удара, геометрии и механических свойств бурового инструмента, частоты вращения, физико-механических свойств пород массива;

- зона устойчивого бурения.

5.Установлены закономерности влияния на эффективность ударно-вращательного бурения скважин и стойкость штыревых долот различных, в том числе и режимных, параметров бурения взрывных скважин:

- с изменением давления воздуха в пневмосистеме с 1,4 до 2,4 МПа стойкость пневмоударников снижается в 3,5 - 4,3 раза по гиперболической зависимости, а долот, наоборот, в 1,5 — 1,7 раза возрастает;

- увеличение давления воздуха в пневмоударнике в 1,7 раза способствует росту скорости бурения в 1,6-1,8 раза, величина которой для пневмоударников различных конструкций при одинаковых режимах бурения существенно разнится. При этом изменение давления воздуха не влияет на характер формирования скорости бурения в зависимости от свойств разрушаемых пород. При давлениях 1,4 - 2,4 МПа с ростом прочности пород скорость бурения скважины линейно уменьшается;

- с увеличением диаметра долота потребная скорость его вращения уменьшается, при этом стойкость пневмоударников всех типов закономерно возрастает, что связано с увеличением затрубного пространства и уменьшением в этой связи удельных контактных давлений со стороны раздробленных частиц горной породы на изнашиваемую поверхность;

- при бурении скважин диаметром 152-172 мм наиболее рациональные значения усилия подачи на долото составляют 9-17 кН. Отклонения от данного соотношения не увеличивает скорость бурения, а ускоряет изнашивание долота. При увеличении прочности пород требуемые при бурении скважин усилия подачи пропорционально возрастают, скорость вращения бурового става уменьшается.

6. Установленные эмпирические зависимости скорости бурения и износостойкости основных типов штыревых долот от режимных параметров и физико-механических свойств горных пород позволили разработать методику выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками для конкретных условий эксплуатации.

7. Разработаны и внедрены в эксплуатацию методы и средства мониторинга состояния пневматических буровых станков ударного действия

Результаты исследований реализованы при эксплуатации ударно-вращательных буровых станков DM-45HP на трех месторождениях ОАО МНПО «Полиметалл» в Магаданской области, а также на предприятиях «Уральского горнометаллургического комбината» и ряда рудных карьеров Казахстана и Украины. Реализация разработанных рекомендаций только на трех горнодобывающих предприятиях ОАО МНПО «Полиметалл» позволила увеличить износостойкость буровых долот и пневмоударников от 2 до 7 раз, и получить реальный экономический эффект 2,3 млн.руб. в год, что подтверждает практическую целесообразность и научно-техническую достоверность проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано законченное решение научно-исследовательской задачи определения для конкретных горно-технических условий рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками, что имеет важное практическое значение для обеспечения эффективной эксплуатации бурового оборудования нового технического уровня при открытом способе добычи полезных ископаемых.

1. Мельников Н. В., Реентович Э. И., Симкин Б. А. Теория и практика открытых разработок. М.: Недра, 1979

2. Симкин Б. А., Григорьев В. К, Кузовлев А. М. Основные направления развития буровой техники. — В кн.: Совершенствование буровзрывных работ в горном деле. — М.: Недра, 1976,115-130 стр.

3. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. М.: Недра, 1972

4. Буткин В. Д. Опыт совершенствования технологии бурения на разрезах. — М.: ЦНИЭИуголь, 1975

5. Подэрни Р. Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. Учебник для вузов. -М.: Недра, 1985

6. Буровзрывные работы на угольных разрезах. Под общей редакцией Репина Н. Я. -М.: Недра, 1987

7. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров. Учебник. 5-е изд., переработ. И доп. - 2003 - 606 стр. ISBN 5-7418-0225-7

8. Барон Л.И., Хмелоковский И.Е., Разрушаемость горных пород ударом. М., Наука, 1971 -203 стр.

9. Барон Л. И. Коэффициенты крепости горных пород. М.: Наука, 1972

10. Справочник механика открытых работ. Экскавационно-транспортные машины цикличного действия. Под редакцией Щадова М. И, Подэрни Р. Ю. М.: Недра, 1989

11. Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В. А. Справочник по бурению на карьерах. -М.: Недра, 1990

12. Горная энциклопедия в 5-ти томах. Том 2. М.: Советская энциклопедия, 1986, 141 стр.

13. Соколинский В.Б., машины ударного разрушения. М., Машиностроение, 1982 -184 стр.

14. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчет ударных систем. М., Наука, 1969-208 стр.

15. Алимов О.Д., и др. УДАР. М., Наука, 1985 357 стр.

16. Юдин Е.К., Хегай В.К., Динамика глубокого бурения. М., Недра, 2004 286 стр.

17. Логов А.Б. и др., Механическое разрушение крепких горных пород. Новосибирск, Наука. 1989 — 144 стр.

18. Арцимович Г.В., Механо-физические основы создания породоразрушающего бурового инструмента, Новосибирск Наука, 1985 269 стр.

19. Медведев И.Ф., Режимы бурения и выбор буровых машин. М, Недра, 1986 224 стр.

20. Кеине Р., Исследование цикла ударного бурения. М., Углетехиздат, 1956

21. Симонянц Л.Е., Разрушение горных пород -М., Недра, 1699г. -228 стр.

22. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М., Шрейберг Г. К., Ударно-абразивный износ буровых долот-М., Недра, 1975 168 стр.

23. Мерзляков В. Г., Бафталовский В. Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: 2004 г.

24. Красников Ю. Д., Мельников А. С. Динамика горных машин. Люберцы. 1999 г. -120 стр.

25. Тенненбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. М., Машиностроение, 1966 г. 331 стр.

26. Крагельский И.В., Алисин В.В. и др. Трение, изнашивание и смазка. Кн. 2. М., Машиностроение, 1979 г. 358 стр.

27. Чертов А.Г. Единицы физических величин. М., Высшая школа, 1977, 287 стр.

28. Кулешов А. А. Мощные экскаваторно-автомобильные комплексы карьеров. М.: Недра, 1980 г.-317 стр.

29. Щадов М. И., Винницкий К. Е., Потапов М. Г., и др. Развитие техники и технологии открытой угледобычи. М.: Недра, 1987 г., 237 стр.

30. Зорин В. А. Комплексный критерий оценки состояния механических систем строительных машин. М. 1996 г. 212 стр.

31. Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин З.Я. и др. Динамические процессы горных машин. М.: Наука, 1972 - 150 стр.

32. Трубецкой К. Н., Потапов М. Г., Винницкий К. Е. Справочник. Открытые горные работы. М.: Горное бюро, 1994

33. Калашников А.Т. «Технология добычи и переработки железных руд на карьерах» М., «Недра», 1993,219 cip.

34. Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин 3-Я. Статистическая динамика горных машин. М.: Машиностроение, 1978 - 239 стр.

35. Штейнцайг В. М., Слесарев Б. В. Опыт фирмы «Комацу Горное Германия» по внедрению гидравлических экскаваторов на Горных предприятиях России// Горная Промышленность. 2002. - №6. - С.47-51.

36. Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин З.Я. Аналитические основы динамики выемочных машин. М.: Наука, 1966 - 160 стр.

37. Бродский Г. С., Даутов Р. Р., Слесарев Б. В. Системы обеспечения надежности гидропривода инструмент внедрения современной карьерной техники на горных предприятиях России// Горная Промышленность». - 2002.- №1. - С. 45-49

38. Смирнов Н.В., Дудин-Барковский В.И. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.,"Наука", 1969 г. 511с.

39. Икрамов У.А. Расчетные методы оценки абразивного износа. М., Машиностроение, 1987 г. -288 с.

40. Красников Ю.Д., Хургин З.Я., Нечаевский В.М. Оптимизация привода выемочных и практичных компонентов. М.: Наука, 1983 - 264 стр.

41. Красников Ю.Д., Хургин З.Я., Нечаевский В.М. Оптимизация привода выемочных и проходческих комбайнов. М.: Недра, 1983 - 264 стр.

42. Бродский Г.С. Основные принципы и методы разработки экономически целесообразных систем фильтрации для гидрофицированных машин. М., «Мировая горная промышленность», № 3,1997 г. с. 45-57.

43. Бродский Г.С., Шмарьян Е.М., Гавинский Ю.А. Инструментальный комплекс для исследования и контроля эксплуатационных параметров тяжелых экскаваторов. В книге: 10-я Конференция по молекулярной электронике, Краснодар, 1986 г.

44. Бродский Г.С., Слесарев Б.В. Повышение надежности гидропривода и совершенствование управления эксплуатацией мощных экскаваторов с использованием измерительно-информационных комплексов. «Гидравлика и Пневматика», №18, 2005, СПб.

45. Кантович JI. И., Гетопанов В. Н. Горные машины М.: Наука, 1983 - 304 стр.

46. Бродский Г.С. Эффективность современных фильтрационных технологий при эксплуатации горных машин. М., Горная промышленность, №5,2002,2-6 с.

47. Беленков Ю.А., Нейман В.Г., Селиванов М.П., Точилин Ю.В. Надежность объемных гидроприводов и их элементов. М., Машиностроение, 1977 г. 167 с.

48. Штейнцайг Р. М. Методика определения параметров и показателей эффективности применения карьерных гидравлических экскаваторов. М.: ИГД им. А.А. Ско-чинского, 1980 г. 24 стр.

49. Розин Б.Б. Математико-статистические методы в экономическом анализе и планировании. М.: Наука, 1983 г. 254 стр.

50. Ефимов В. Н., Цветков В. Н., Садовников Е. М. Карьерные экскаваторы: справочник рабочего. М.: Недра, 1994 г. 381 стр.

51. Гурский Б. Э. Резервы повышения надежности редукторов строительных машин. М. 1996 г.-263 с.

52. Семенча П. В., Бернацкий В. А. Повышение прочности и ресурса подземных горных машин. Люберцы. 1999 г. 138 с.

53. Rausch, К. Which filters are most effective? Hydraulics & pneumatics, February 2002, p. 31-33.

54. Степнов M.H. Статистическая обработка результатов механических испытаний. М., "Машиностроение", 1972 г. 232 с.

55. HYDAG Filter Elements. Product catalogue. Hydac, Germany, 2002.11 p.

56. Васильев M.B., Ф.И. Вереса, И.Ф. Граур и др. «Опыт открытой разработки рудных месторождений США» М., «Недра», 1981,154 с.

57. Мажаретто А.А., Методика инженерного расчета пневмоударников сб. Современные горные машины и оборудование. Научные труды ЦНИИподземмаш 1987 -49-59 стр.

58. Александровская JI.H. и др., Современные методы обеспечения безотказности. М., Логос, 2001 -208 стр.

59. Методические рекомендации по выбору оптимальных режимов бурения при внедрении буровых работ пневмоударным инструментом для месторождения «Хаканджа». М, 2004 36 стр.

60. Середа Н.Г., Соловьев Е.М., Бурение нефтяных и газовых скважин. М., Недра, 1988-240 стр.

61. Немировский А.С., Вероятностные методы в измерительной технике. М., Издательство стандартов, 1974 216 стр.

62. Хегай В.К., Юнин Г.К., К вопросу устойчивости бурильной колонны, состоящих из разнородных участков. XXIII Российская школа по проблемам науки и технологии. Екатеринбург. Уральское отд. РАМ. 2003 98-103 стр.

63. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теории колебаний. М., Высшая школа, 1975-248 стр.

64. Планирование эксперимента в исследовании технических процессов. (Хартман К., Лецкий В., Шеффер В., и другие) М., МИР, 1977, 582 стр.

65. Надежность и эффективность в технике. Справочник специалиста. Том 6 «Экспериментальная отработка и испытания» М., Машиностроение, 1989,975 стр.

66. Назаров Н.Г. измерения: планирование и обработка результатов. М., Издательство стандартов. 2000,302 стр.

67. Румшиский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное пособие. -М.: Наука, 1971-192 стр.

68. Гмурман В. Е. Теория вероятности, математическая статистика. М.: Высшая школа, 1972 - 368 стр.

69. Зедгинидзе И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976 - 390 стр.

70. Щупов Л. П. Прикладные математические методы в обогащенных полезных ископаемых. М.: Наука, 1972 - 169 стр.

71. Налимов В. В., Чернова Н.А. Статистические методы и планирование экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965 - 340 стр.

72. Теория планирования эксперимента / под ред. С.М. Ермакова. М., Наука, 1983, 392 стр.

73. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных моделей / под ред. В.В. Налимова М., Металлургия, 1982, 751 стр.

74. Бродский Г.С., Фаерштейн Л.Н., Шумаков А.В., Штейнцайг В.М. Информационные накопители как средство контроля и диагностики состояния техники. ИГД им. А. А. Скочинского, 2004

75. Единые нормы выработки на открытые горные работы для предприятий горнодобывающей промышленности. Часть 2. -М.: НИИтруда, 1989

76. Иванов К. И., Варич М. С, Дусев В. И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1974

77. Станки для бурения взрывных скважин на открытых горных работа. ГОСТ 15896-76.-М.: 1976,4 стр.

78. Осипов Г. М., Агошашвили Т. Г., Потехин Г. С. Динамика технико-экономических показателей бурения взрывных скважин. Горный журнал, 1976, № 9,39-43 стр.

79. P.P. Даутов. Обоснование эффективных режимов ударно вращательного бурения скважин на скальных породах / Горный журнал, М.: 2005, № 8, С.85-87

80. В.Г.Мерзляков, Р.Р.Даутов. Оптимизация режимов бурения станками нового поколения.- В сб.: Научные сообщения ННЦ ГП ИГД им. А.А.Скочинского.- 2005.-Вып. 331.- С. 134-139.