автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности использования коронок для бурения шпуров и скважин

ГГ5 ОД

На правах рукописи

ХАДОНОВ Амиюан Владимипович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРОНОК ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН

Специальность 05. 05. 06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ - 2000

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Б.Г.Климов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ю.В.Кодзаев кандидат технических наук О.И.Гаврилевский

Ведущая организация: Карьеруправление «Кавдоломит», г.Владикавказ

Защита состоится «26» мая 2000 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 063.12.01 при Северо-Кавказском государственном технологическом университете (СКГТУ) по адресу: 362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГТУ. Факс (8672) 749945.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СевероКавказского государственного технологического университета

Автореферат разослан «25» апреля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного сов

к.т.н., доц.

Ю.И. Кондратьев.

1/131 /лг - 642. /, о

7/ УЛ 7 Д - / /9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Буровзрывной способ отбойки руд при подземном и открытом способах разработки получил преимущественное распространение. Проходка выработок и камер осуществляется за счет шпуровой отбойки пород. Значительны объемы бурения при добыче руды, мергеля, известняка, мрамора, гранита и других строительных материалов. Удельные затраты на буровые работы составляют основную долю эксплуатационно-подготовительных работ горного производства. В связи с этим снижение расхода на буровой комплекс за счет интенсификации процессов, эффективного использования дорогостоящего инструмента, снижения удельных затрат энергии приобретает в настоящее время особое значение и актуальность.

Широкое применение на рудниках энергии сжатого воздуха для бурения шпуров и скважин и низкий уровень эффективности ее использования заставляют предпринимать усилия для снижения удельных эксплуатационных потерь энергии. Отказ от централизованного производства воздуха при определении рациональных значений рабочего давления пневмоударной буровой техники является одной из актуальных задач науки и практики горного дела.

Следует отметить, что коронки и долота буровых машин не всегда используют ресурс, заложенный в их конструкциях. В первую очередь это относится к корпусам коронок погружных пневмоударников. Повторное использование таких коронок при высокой стоимости и их корпусов представляет возможность получения существенного экономического эффекта.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования горных пневмоударных машин для бурения шпуров и скважин.

Основная идея работы заключается в применении сжатого воздуха высокого давления (более 0,5 МПа) и коронок самозатачивающегося типа на базе литых штыревых конструкций.

Методика исследования. Методы исследований

базируются на использовании технико-экономического

л

моделирования многофакторных систем горного производства в фазе буровых работ на ЭВМ с применением матриц Плакетта-Бермана, симплекс-суммирующего плана, факторных моделей.

Защищаемые научные положения:

1) эффективность использования самозатачивающихся коронок возрастает с увеличением крепости горных пород и длины взрывных скважин и снижается с ростом рабочего давления воздуха;

2) для изготовления самозатачивающихся буровых коронок штыревого типа применяются литьевые материалы с относительно низкими температурами плавления (менее 1200 °С) и с твердостью ниже твердости буримых горных пород на базе высокопрочных алюминиевых сплавов, латуней и бронз;

3) интенсификация процессов бурения скважин пневмоударными машинами за счет применения сжатого воздуха повышенного давления (более 0,5 МПа) экономически эффективна только при росте удельных затрат на заработную плату и снижении доли расходов на энергию в себестоимости буровзрывных работ.

Научная новизна заключается в определении многофакторных линейных корреляционных уравнений регрессии затрат на буровые работы и временных характеристик процесса бурения, характеризующих интенсивность разрушения горных пород в шпурах и скважинах; в определении напряженного состояния вольфрамокобальтовых штырей, заливаемых упрочненными сплавами на базе меди или алюминия; в определении области применения коронок самозатачивающегося типа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций гарантированы анализом представительного объема условий эксплуатации горной техники, вложенного в технико-экономические модели с использованием двухуровневого планирования факторов и принятых в науке матриц и методов планирования экспериментов.

Научное значение.

1. Получена аналитическая зависимость оптимального по величине давления сжатого воздуха для работы с погружными пневмоударниками.

2. Метод последовательного обнуления факторов в многофакторных технико-экономических моделях позволяет установить функциональные связи оптимизируемых величин от интересующих параметров систем, а остаточный принцип проектирования режима бурения шпуров с выбором давления сжатого воздуха в забое может быть рекомендован промышленности.

3. Изучены особенности нагружения штырей в корпусах буровых коронок в зависимости от величины натяга, материала коронок и места расположения штырей.

Практическое значение.

1. Определены условия эффективного применения сжатого воздуха повышенного давления и коронок самозатачивающегося типа при буровых работах.

2. Разработаны технологии вторичного использования изношенных перьевых коронок путем изготовления на их базе литых штыревых конструкций.

Реализация выводов и рекомендаций работы. На основании материалов диссертации опубликована монография объемом 4,3 п.л., которая используется как учебное пособие в СКГТУ.

Разработанная технология вторичного использования коронок К 100В передана Тырныаузскому ГОКу.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Северо-Кавказского технологического университета (1997-1999 гг.), на III Международной конференции «Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых (г. Новочеркасск 1997 г.), юбилейной конференции, посвященной 60-летию НИСа СКГМИ-СКГТУ (1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе одна монография.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Материал диссертации изложен на 146 стр. машинописного текста, содержит 38 рис., 21 табл.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр технологии разработки месторождений полезных ископаемых, сопротивления материалов и строительной механики, теории и автоматизации металлургических процессов СКГТУ за помощь при выполнении работы, а также работникам завода «Электроконтактор» за содействие в изготовлении опытных образцов коронок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации дан анализ трудов отечественных ученых в области техники и технологии бурения горных пород К.И. Иванова, Л.И. Кантовича, Б.Н. Кутузова, О.Д. Алимова, Б.В. Суднишникова, Е.В. Александрова, В.Б. Соколинского, И.А. Остроушко, Н.И. Сысоева, В.А. Бреннера, Ю.В. Кодзаева, Л.Т. Дворникова и др. Общие вопросы механики прочности и износа при трении фундаментально изложены в трудах С.П. Тимошенко, В.М. Осецкого, И.В. Крагельского, М.М. Хрущева, Д.Н. Гаркунова и др.

В зарубежной практике эксплуатации пневмобурильных машин наблюдается тенденция роста рабочего давления, что способствует снижению габаритов и повышению единичной мощности агрегатов, интенсификации бурения, кроме того, штыревые коронки при этом приобретают повышенную стойкость.

Анализ выполненных ранее работ в рассматриваемой области позволил сформулировать задачи исследований:

1. Оценка эффективности применения сжатого воздуха повышенного давления для бурения шпуров и скважин при подземной разработке месторождений.

2. Определение оптимальной величины рабочего давления пневмосети буровой техники при шпуровой и скважинной отбойке горных пород.

3. Оценка эффективности и области применения самозатачивающихся коронок.

4. Анализ напряженного состояния активных породоразрушающих элементов бурового инструмента и выбор способа их соединения с корпусами коронок.

5. Выбор материалов для изготовления самозатачивающихся коронок для бурения шпуров и скважин с учетом свойств горных пород.

6. Разработка конструкций коронок самозатачивающегося типа и экспериментальная проверка их работоспособности.

На основании модели Бучнева-Осецкого по взаимодействию поршня-бойка пневмоударной машины с инструментом и забоем, а также известной формулы Коняшина по скорости бурения V, получены аналитические зависимости влияния рабочего давления сжатого воздуха на производительность машин и величину реакции забоя на коронку. Рассматривались силовые модели контакта инструмента Я = Г(Х) как функции глубины внедрения коронки X, где Х0 - глубина внедрения за один удар (рис.1)

Так как площадь под зависимостью Я=£(Х) является энергией коронки переданной в забой, то вариант "а" характеризует максимальную реакцию, (Н). на коронку, численно определяемую формулой

Б1=™1±т2к2 Т0 10з (1)

т,+ т2 40А

где т ( и т2 - соответственно, массы бойка и коронки, кг;

к - коэффициент восстановления;

Т0 - кинетическая энергия бойка в момент удара, Дж;

А - паспортная энергия единичного удара Дж;

с1 - диаметр скважины, мм;

\'- коэффициент крепости породы по шкале М.М.

Протодьяконова.

Рис.1. Возможные модели взаимодействия инструмента с породой.

Скоростные режимы бурения с учетом повышенного давления воздуха качественно и количественно соответствуют опытным данным по погруженым пневмоударникам отечественного и зарубежного производства, поэтому техническую оценку этого направления совершенствования машин нами предполагается производить по величине коэффициента эксплуатационной производительности оборудования Кд, который является отношением сравниваемых соответствующих расчетных уровней производительности техники в горно-технических условиях.

Для иллюстрации метода оценки на рис. 2 показаны значения Кд для станков с погружными пневмоударниками.

Кц 1,5 1,4

1.3

1,2

и

1 _ _ _

8 10 12 14 Г

Рис.2. Эффективность применения повышенного давления

воздуха в зависимости от крепости пород для скважин различной длины: I - X = 15 м, II - Ь = 30 м, III - Ь = 45 м.

Область оптимального давления сжатого воздуха для погружных пневмоударников может быть определена через минимум суммы удельных затрат на заработную плату, (руб/м)

С, = к, ■ р"1 (2)

и стоимость производства сжатого воздуха, израсходованного при бурении метра скважины, (руб/м)

С2 = Ьщ, (3)

где р - величина рабочего давления сжатого воздуха пневмоударников, Па;

к5 - коэффициент пропорциональности затрат, определяемый временным тарифом оплаты труда бурильщика и скоростными режимами бурения конкретного пневмоударника в исследуемых условиях горного производства (диаметр скважины, её длина,

крепкость горных пород и т.д.), Ь - работа компрессора на производство одного м3 воздуха (кВт.час/м3),

Ъъ

Ь = 0,0278--р.

п-1

Ь. Рх;

(4)

2?п

где Ъ - число ступеней сжатия компрессора; п - показатель политропы;

р^ и Р2 - соответственно начальное и конечное значения давления воздуха в компрессоре, ата;

а - тариф на израсходованную энергию (руб/кВт-ч); q - расход воздуха на бурение метра скважины, м3/м. Из данных практики эксплуатации отечественного и зарубежного оборудования известно, что с ростом давления растет скорость бурения и увеличивается расход воздуха, поэтому

qн - номинальный расход воздуха пневмоударником при паспортном давлении, м3/мин;

V - скорость бурения, м/мин.

Из условия —(С1 + С2) = 0 находим, что оптимальное давление, Па

др

Ропт ~ (6)

где к3 - константа, определяемая параметрами бурения (диаметр скважины и крепость буримых пород), типом пневмоударника (энергия единичных ударов и их частота), тарифами, расчетным показателем политропы сжатия в компрессоре п и числом ступеней сжатия Z.

В табл. 1 показаны расчетные значения величин оптимальных давлений по (6) для пневмоударника типа М48.

Таблица 1

Оптимальные значения давления сжатого воздуха, МПа

№ Заработная плата, При стоимости кВт'ч, руб

п/п руб/мес

0,1 0,5 5,0

1 1000 0,56 0,5 0,0915

2 5000 11,0 2,2 0,443

3 10000 22,0 2.7 0,880

Из данных табл.1 видно, что оптимальные значения давлений выходят, в ряде случаев в зависимости от тарифов, за пределы реальных величин как в область сверхвысокого давления (22МПа), так и в область, когда пневмоударник вообще является неработоспособным (0,1 МПа). Однако эти пределы могут являться косвенным доказательством верности полученных по (6) результатов.

Для оценки влияния повышенного давления сжатого воздуха на производительность перфораторов и стоимость бурения метра шпура был использован метод анализа с применением линейных уравнений регрессии, получаемых на основе матриц Плакетта-Бермана.

Для оценки экономических данных были приняты параметры, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Экономические показатели сравниваемых систем

№ Наименование Единицы Тип экономией

п.п показателя измерения 1 П Ш

1 Сменная тарифная ставка руб/смеиу 100 400 800

2 Стоимость электроэнергии руб/кВт*ч 0,05 0,10 0,50

3 Тарифы на установленную мощность тыс. руб кВА 15 30 60

Некоторые результаты технико-экономического моделирования бурения шпуров показаны на рис. 3. Анализ влияния сечения горных выработок и диаметров шпуров выполнен при экономических соотношениях типа II (табл. 2). С усложнением условий бурения и ростом затрат на оплату труда оптимальная зона становится шире по сравнению с давлением стандартного отечественного оборудования в 0,45 МПа (рис.3).

С целью исключения влияния факторов, не подвергаемых анализу, применяется предлагаемый нами метод обнуления всех параметров линейной корреляционной модели кодированного вида типа

У=в0 + ]ГвЛ 9

i=l

где к - число факторов; в. - коэффициент влияния i-того фактора. i=l-l1.

(7)

■•» 0i' 1 12 PMIi' уд ().(> ü.S I i.2 Р. MI 1.1

Рис. 3. Зависимость стоимости БВР S в руб/м давления сжатого воздуха при а) A,D и О - соответственно, типы экономики I, II, III; б) (),□ и А соответственно, крепости пород f

= 14, И и 8.

Предлагаемый метод позволяет делать томный анализ только по величине в0, то-есть по возможной средней величине оптимизируемого параметра. Для реальных условий проектирования ведется оптимизация факторов (принималось двухуровневое моделирование) при заданных экономических характеристиках производства. Рекомендовано применять при оптимизации давления сжатого воздуха для конкретных условий горнопроходческих работ вариантный метод и остаточный принцип. Суть принципа заключается в варьировании затрат на проходческий цикл при фиксированном времени обуривания забоя, которое может оставаться на эту операцию при выполнении всех других операций цикла имеющимися в наличии или предполагаемыми к эксплуатации машинами для зарядки шпуров, проветривания забоя и уборки породы.

Расчеты, выполненные по этой методике для условий Садонского сьпнцово-цинкового комбината, показывают, что при достаточно высокой стоимости оплаты за электроэнергию и относительно низком уровне оплаты труда повышение давления даже до 0,8 МПа экономически не оправдано. Это связано с тем, что увеличенное рабочее давление приводит к повышенному расходу бурового инструмента (штанги, коронки), к увеличению расходов на электроэнергию, а выигрыш за счет интенсификации бурения оказывается меньше роста суммы расходов. Ускоренный способ проходки (2 цикла в смену) экономически эффективен даже в этих условиях. Методика проектирования по остаточному принципу получила применение в учебном процессе при выполнении реальных задач.

Потери времени на замену инструмента для условий эксплуатации подземных станков при бурении скважин приводят к снижению производительности оборудования, поэтому самозатачивающиеся инструменты обеспечивают положительный эффект, расчетная величина которого показана в табл. 3 в виде коэффициентах .

Таблица 3

Расчетные значения роста производительности станков по К0

№ п.п Длина скважин, м При крепости пород, МПа

80 100 120 140

1 15 1,14 1,16 1,17 1,22

2 30 1,22 1,26 1,30 1,37

3 45 1,31 1,39 1,43 1,52

Обеспечение самозаточки инструмента возможно при выполнении условия абразивного износа, определенного М.М. Хрущевым, при котором твердость изнашиваемого образца должна быть ниже твердости горной породы. При таком подходе, с учетом отрицательного опыта И.А. Остроушко по изготовлению штыревых коронок методом стального литья, было принято решение об использовании для заливок штырей сплавов меди или алюминия.

Напряженное состояние штырей при натяге 8=10 мкм и размерах, показанных на рис. 4, рассчитанное по С.П. Тимошенко (задача Ляме-Гадолина), отображено на рис. 5.

коронки.

Выполненные расчеты показывают (табл. 4), что к проектированию периферийных штырей следует подходить весьма осторожно, так как напряженное состояние коронки оказывается подчас выше, чем у штыря (рис. 5).

14

1 \ ,1

шт ЫРЬ 1--- \ г

к

\ 1 КОРОНКА (-

0 5 I С

Рис.5. Картина напряженного состояния в элементах буровой коронки: 1 - С = 1,2 см, 2 - С = 1,5 см при Ь = 1 см.

Особенно это касается литья из цветных металлов не обладающих прочностью сталей. В связи с этим часть периферийных штырей в экспериментальных коронках располагаются в корпусах горизонтально, обеспечивая калибровку шпуров и скважин по диаметру.

Таблица 4

Расчетные значения давлений и напряжений в элементах

коронки

№ п.п Натяг, мкм Величина с, см Напряжения, ПаЮ

в центре штыря на границах штыря в коронке

на периферии в зоне конта-кта

1 7,5 1,25 1346 673 573 1426

2 7,5 0,95 1066 533 1356 1768

3 4,0 0,45 440 220 1656 1876

4 4,0 0,42 1908 954 9540 20034

Сплавы с относительно низкой температурой плавления (табл. 5) могут быть рекомендованы для изготовления штыревых коронок при бурении различных горных пород .

Таблица5 Рекомендуемые типы сплавов при бурении по породам с прочностью о'в

Тип породы °ц> МПа Марка сплава Твердость сплава, НВ Основа сплава

Сланец 35 АЗ 30 алюминий

Песчаник 70 АЛ9 55 алюминий

Мрамор 100 АЛ5 80 алюминий

Диорит 140 АЛ1 100 алюминий

Полевой шпат 200 ЛАЖМцбб-6-3-2 160 медь

Гранит 240 -"- медь

Кварцит 290 БрАЖН 11-6-6 250 медь

Расчеты и экспериментальное определение нагрузок на цилиндрические штыри показывают необходимость снижения разности температур корпуса коронки и заливаемого сплава, а также выполнения противоусадочных мероприятий.

Экспериментальное определение твердости вольфрамо-кобальтовых штырей при их отжиге выполненное нами показано в табл. 6.

Таблица б Изменение твердости штыревых элементов

№ Температура отжига, °С Твердость по Роквеллу, НЕ1С

1 600 76

2 700 75,3

о з 800 73,0

4 900 71,0

5 1200 68,0

Результаты этих измерений свидетельствуют о возможности применения для заливки штырей металлов с низкой температурой плавления.

А

На рис. 6, полученном при использовании симплекс-суммирующего плана на шестиграннике, показаны линии равного отклика для сил выталкивания цилиндрических штырей диаметром Д при кольцевой толщине заливки А. Они получены путем расчетов с использованием метода Ляме-Гадолина для заливки стальных образцов латунью с перепадом температуры в 1000 °С при условии, что линейный и объемный коэффициент расширения металла равны.

Экспериментальная проверка подтвердила полученные зависимости , хотя адгезионное схватывание в результате припаивания кольца латуни к поверхности малых штырей увеличивает силу сцепления.

Экспериментальные коронки на диаметр 40 и 105 мм с заливкой латунью ЛАЖМц 66-6-3-2 (Cu-66 %, Al - 6 %, Fe - 3 %, Mn - 2 % и силумином АЛ-5 (Si - 4,5 %, Mg - 0,35 %, Cu - 1,25 %, Fe - 0,8) прошли стендовые, лабораторные и промышленные испытания и показали приемлемость выбора материалов, предложенных в табл. 5.

Расчеты показывают, что внедрение литых коронок на диаметр 105 мм обеспечивает снижение себестоимости метра скважины на 7,84 %. Это достигается за счёт повторного использования коронок К100В перьевого типа, которые оснащаются вольфрамокобальтовыми штырями, заливаемыми высокопрочной бронзой. Вместо четырех лезвий стандартной коронки К100В экспериментальная коронка повторного использования оснащается 12 активными вольфрамокобальтовыми штырями диаметром 12,2 мм, каждый из которых может воспринимать энергию удара в 20 Дж. Таким образом ударная мощность станков может быть увеличена в 2,8 раза, что реализуется применением высокого давления воздуха и обеспечит дополнительный эффект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности работы горных пневмоударных машин для бурения шпуров и скважин путем использования сжатого воздуха высокого давления и самозатачивающихся коронок штыревого типа.

Основные выводы по работе, полученые на основе аналитических и экспериментальных исследований:

1. Интенсификация бурения шпуров и скважин на базе использования оборудования с давлением сжатого воздуха более 0,5 МПа экономически целесообразна только при росте оплаты труда бурильщиков и снижении стоимости электроэнергии по сравнению со средними действующими тарифами и ставками.

2. Применение самозатачивающегося бурового инструмента экономически целесообразно при существующем потенциале сетей сжатого воздуха, особенно при бурении глубоких скважин в крепких породах.

3. Применение остаточного принципа для проектирования темпов проходки и выбора величины рабочего давления для бурового оборудования позволяет вариантно решать эту многофакторную задачу на базе технических возможностей машин всего проходческого комплекса.

4. Разработана методика определения напряженного состояния штыревых элементов и корпусов коронок, на базе

которой выработаны рекомендации по конструированию штыревых коронок.

5. Разработана технология ремонта перьевых коронок К100В и изготовления на их базе штыревых литых самозатачивающихся коронок с использованием силумина AJT-5 и алюминиево-железистой латуни ЛАЖМц 66-6-3-2.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Климов Б.Г., Хадонов A.B. Работа бурового оборудования при повышенном давлении сжатого воздуха // Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых. Материалы III Международной конференции. Новочеркасск, Нобла, 1997.

2. Климов Б.Г., Хадонов A.B. Оптимизация параметров процесса бурения шпуров и скважин. // Владикавказ, Труды СКГТУ, вып.4, 1998.

3. Климов Б.Г., Хадонов A.B. Оценка эффективности применения самозатачивающихся буровых коронок. В сб. НТК, посвященной 60-летию НИСа СКГТУ Владикавказ, 1998.

4. Климов Б.Г., Хадонов A.B. Область применения сжатого воздуха высокого давления для бурения скважин. // Владикавказ, Труды СКГТУ, вып. 6, 1999.

5. Климов Б.Г., Хадонов A.B. Модернизация оборудования для бурения скважин штыревыми коронками. Владикавказ, Терек, 1999 (монография).

Подписано в печать 15.04.2000 г. Тираж 100 экз. Объем 1,0 п. л. Издательство «Терек» Подразделение оперативной полиграфии СКГТУ г.Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Введение

1. Развитие теории и практики бурения шпуров и скважин

1.1. Краткий исторический обзор теории динамического процесса бурения

1.2. Штыревой буровой инструмент

1.3. Материал твердосплавных штырей

2. Обзор исследований по режимам работы пневмоударной буровой техники и износу коронок

2.1. Режим работы пневмоударных инструментов

2.2. Анализ износа бурового инструмента

2.3. Характер и закономерности износа металлов при трении

2.4. Задачи исследования

3. Исследование эффективности применения сжатого воздуха высокого давления

3.1. Оценка эффективности применения сжатого воздуха повышенного давления для бурения скважин

3.2. Динамика работы пневмоударников

3.3. Совершенствование конструкций погружных ударников

3.4. Область применения сжатого воздуха высокого давления для бурения скважин

3.5. Область применения сжатого воздуха повышенного давления при бурении шпуров

3.5.1. Технико-экономическая модель

3.5.2. Оценка влияния экономических параметров на уровень рабочего давления сжатого воздуха

3.5.3. Анализ влияния крепости горных пород на рациональное давление воздуха в пневмосети

3.5.4. Анализ влияния площади поперечного сечения горных выработок на рациональное рабочее давление

3.5.5. Влияние диаметра шпуров на выбор оптимального давления воздуха

3.6. Выбор рабочего давления буровой техники при проходке горизонтальных выработок

3.7. Выводы

4. Обеспечение стойкости бурового инструмента самозатачивающегося типа

4.1. Оценка эффективности применения самозатачивающихся буровых коронок

4.2. Анализ напряженного состояния элементов штыревых коронок

4.3. Основы проектирования штыревых коронок на базе изучения температурных деформаций

4.4. Выбор материала для литых коронок

4.5. Выводы

5. Технология изготовления самозатачивающихся штыревых коронок

5.1. Экспериментальное определение напряженного состояния штырей в коронках литого типа

5.2. Технология изготовления штыревых коронок для бурения скважин на базе реставрации перьевых коронок К 100В

5.3. Технология изготовления штыревых коронок для бурения шпуров на базе реставрации коронок типа КДП

5.4. Испытание штыревых коронок

5.5. Выводы 136 Заключение 137 Литература

Актуальность темы исследования. Буровзрывной способ отбойки руд при подземном и открытом способах разработки получил преимущественное распространение. Проходка выработок и камер осуществляется за счет шпуровой отбойки пород. Значительны объемы бурения при добыче руды, мергеля, известняка, мрамора, гранита и других строительных материалов. Удельные затраты на буровые работы составляют основную долю эксплуатационно-подготовительных работ горного производства. В связи с этим снижение расхода на буровой комплекс за счет интенсификации процессов, эффективного использования дорогостоящего инструмента, снижения удельных затрат энергии приобретает в настоящее время особое значение и актуальность.

Широкое применение на рудниках энергии сжатого воздуха для бурения шпуров и скважин и низкий уровень эффективности ее использования заставляют предпринимать усилия для снижения удельных эксплуатационных потерь энергии. Отказ от централизованного производства воздуха при определении рациональных значений рабочего давления пневмоударной буровой техники является одной из актуальных задач науки и практики горного дела.

Следует отметить, что коронки и долота буровых машин не всегда используют ресурс, заложенный в их конструкциях. В первую очередь это относится к корпусам коронок погружных пневмоударников. Повторное использование таких коронок при высокой стоимости и их корпусов представляет возможность получения существенного экономического эффекта.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования горных пневмоударных машин для бурения шпуров и скважин.

Основная идея работы заключается в применении сжатого воздуха высокого давления (более 0,5 МПа) и коронок самозатачивающегося типа на базе литых штыревых конструкций.

Методика исследования. Методы исследований базируются на использовании технико-экономического моделирования многофакторных систем горного производства в фазе буровых работ на ЭВМ с применением матриц Плакетта-Бермана, симплекс-суммирующего плана, факторных моделей.

Защищаемые научные положения:

1) эффективность использования самозатачивающихся коронок возрастает с увеличением крепости горных пород и длины взрывных скважин и снижается с ростом рабочего давления воздуха;

2) для изготовления самозатачивающихся буровых коронок штыревого типа применяются литьевые материалы с относительно низкими температурами плавления (менее 1200 °С) и с твердостью ниже твердости буримых горных пород на базе высокопрочных алюминиевых сплавов, латуней и бронз;

3) интенсификация процессов бурения скважин пневмоударными машинами за счет применения сжатого воздуха повышенного давления (более 0,5 МПа) экономически эффективна только при росте удельных затрат на заработную плату и снижения доли расходов на энергию в себестоимости буровзрывных работ.

Научная новизна заключается в определении многофакторных линейных корреляционных уравнений регрессии затрат на буровые работы и временных характеристик процесса бурения, характеризующих интенсивность разрушения горных пород в шпурах и скважинах; в определении напряженного состояния вольфрамокобальтовых штырей, заливаемых упрочненными сплавами на базе меди или алюминия; в определении области применения коронок самозатачивающегося типа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций гарантированы анализом представительного объема условий эксплуатации горной техники, вложенного в технико-экономические модели с использованием двухуровневого планирования факторов и принятия в науке матриц и методов планирования экспериментов.

Научное значение.

1. Получена аналитическая зависимость оптимального по величине давления сжатого воздуха для работы с погружными пневмоударниками.

2. Метод последовательного обнуления факторов в многофакторных технико-экономических моделях позволяет установить функциональные связи оптимизируемых величин от интересующих параметров систем, а остаточный принцип проектирования режима бурения шпуров с выбором давления сжатого воздуха в забое может быть рекомендован промышленности.

3. Изучены особенности нагружения штырей в корпусах буровых коронок в зависимости от величины натяга, материала коронок и места расположения штырей.

Практическое значение.

1. Определены условия эффективного применения сжатого воздуха повышенного давления и коронок самозатачивающегося типа при буровых работах.

2. Разработаны технологии вторичного использования изношенных перьевых коронок путем изготовления на их базе литых штыревых конструкций.

Реализация выводов и рекомендаций работы. На основании материалов диссертации опубликована монография объемом 4,3 п.л., которая используется как учебное пособие в СКГТУ.

Разработанная технология вторичного использования коронок К 100В передана Тырныаузскому ГОКу.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Северо-Кавказского государственного технологического университета (1997 -1999 гг.), на Ш Международной конференции «Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых» (г. Новочеркасск 1997 г.), юбилейной конференции, посвященной 60-летию НИСа СКГМИ - СКГТУ (1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе одна монография.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Материал диссертации изложен на 146 стр. машинописного текста, содержит 38 рис., 21 таблицу.

Основные выводы по работе, полученные на основе аналитических и экспериментальных исследований:

1. Интенсификация бурения шпуров и скважин на базе использования оборудования с давлением сжатого воздуха более 0,5 МПа экономически целесообразна только при росте оплаты труда бурильщиков и снижении стоимости электроэнергии по сравнению со средними действующими тарифами и ставками.

2. Применение самозатачивающегося бурового инструмента экономически целесообразно при существующем потенциале сетей сжатого воздуха, особенно при бурении в глубоких скважинах в крепких породах.

3. Применение остаточного принципа для проектирования темпов проходки и выбора величины рабочего давления для бурового оборудования позволяет вариантно решать многофакторную задачу на базе технических возможностей машин всего проходческого комплекса.

4. Разработана методика определения напряженного состояния штыревых элементов и корпусов коронок, на базе которой выработаны рекомендации по конструированию штыревых коронок.

5. Разработана технология ремонта перьевых коронок К - 100В и изготовления на их базе штыревых литых, самозатачивающихся коронок с использованием силумина AJI-5 и ашоминиево-железистой латуни ЛАЖМц 666-3-2.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Климов Б. Г., Хадоиов А. В. Работа бурового оборудования при повышенном давлении сжатого воздуха. // Комплексное изучение полезных ископаемых. Материалы III Международной конференции Новочеркасск, Нобла 1997.

2. Климов Б. Г., Хадонов А. В. Оптимизация параметров процесса бурения шпуров и скважин. Труды СКГТУ, выпуск 4, Терек, Владикавказ 1998.

3. Климов Б. Г., Хадонов А. В. Оценка эффективности при самозатачивающихся буровых коронок. В сборнике статей НТК, посвященный 60 - летию НИСа СКГТУ, Владикавказ Терек, 1998г.

4. Климов Б. Г., Хадонов А. В. Область применения сжатого воздуха высокого давления для бурения скважин. Труды СКГТУ, выпуск 6, Владикавказ, Терек 1999г.

5. Климов Б. Г., Хадонов А. В. Модернизация оборудования для бурения скважин штыревыми коронками, Владикавказ, Терек 1999г, 70 стр.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности работы горных пневмоударных машин для бурения шпуров и скважин путем использования сжатого воздуха высокого давления и самозатачивающихся коронок штыревого типа.

1. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987.

2. Тотров Г.В. Горные машины. М.: Металлургиздат, 1952.

3. Коняшин Ю.Г. Расчетные зависимости для определения эффективности разрушения пород ударом. В сб. Взрывное дело, № 66/23. -М.: Недра, 1969.

4. Царицын В.В. Бурение горных пород. Киев: Гостехиздат УССР, 1959.

5. Остроушко И.А. Бурение твердых горных пород. М.: Недра,1966.

6. Дубинин А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин. Москва-Киев: Машиностроение, 1963.

7. Сафохин М.С. Машины и инструмент для бурения скважин на угольных шахтах. М.: Недра, 1985.

8. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Износ инструмента при резании горных пород. М.: Паука, 1969.

9. Михайлов Ю.И., Кантович Л.И. Горные машины и комплексы. -М.: Недра, 1975.

10. Крюков Г.М. Сопротивление горных пород средней и выше средней крепости внедрению в них твердых инструментов. Изв. вузов. Горный журнал, 1975, № 8.

11. Крюков Г.М., Коробко А.В. Внедрение бурового инструмента в разрушаемую горную породу и точное решение соответствующих задач теории упругости. Трубы МИРЭА, 1973, вып. 68.

12. Крюков Г.М. Общий метод вывода дифференциального уравнения движения инструментов при динамическом внедрении в разрушаемую горную породу. Трубы МИРЭА, 1969, вып. 43.

13. Рейхмус Д.Р. Корреляция элементарных зависимостей сила-перемещение с физическими свойствами горных пород при ударном бурении. В сб. Механика горных пород. - М.: Недра, 1966.

14. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1, 2. М.: Наука,1970.

15. Алимов О.Д., Пат М.А. Об одной гипотезе повышения скорости бурения путем увеличения мощности бурильных машин и применения многолезвийного инструмента. Фрунзе: Илим, 1976.

16. Бакуль B.II., Прихна А.И. Горный породоразрушающий инструмент. Киев: Техника, 1969.

17. Брындин А.И., Зверев Б.В. Буровые коронки и штанги. М.: Углетехиздат, 1955.

18. Дусев В.И. Изучение эффективности разрушения горных пород коронками различной конструкции, формы, диаметра. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1957.

19. Сулакшин С.С. Современные способы разрушения горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1966.

20. Бакуль В.Н., Кравцов М.М. Горный инструмент для бурения шпуров. Харьков-Москва: Металлургиздат, 1952.

21. Дж. Келли. Патент США № 3185328, 1965.

22. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев И.И. Горные инструменты. М.: Недра, 1990.

23. Техника и технология добычи руд за рубежом / С.Н. Подви-женский, C.JI. Иофин, Э.С. Ивановский, В.Г. Тальперин. М.: Недра, 1986.

24. Дворников Л.Т., Прядко Ю.А., Гудимов C.II. Бурение шпуров без вращения инструмента с рациональным размещением твердосплавных вставок. Изв. вузов. Горный журнал, 1987, № 11.

25. А. с. 1778265 РФ МКИ Е21 В 10/56. Твердосплавная вставка для буровых коронок / С.А. Куклин, Л.Т. Дворников. Бюл. № 44, 1992.

26. Дворников Л.Т., Береснев А.Н., Куклин С.А. Твердосплавная вставка для буровых коронок. Патент РФ № 2039192, 1995.

27. Дворников Л.Т., Губанов Е.Ф. О бурении шпуров без вращения инструмента. Изв. вузов. Горный журнал, 1972, № 1-2.

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

29. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин. М.: недра, 1986.

30. ИСМ № 16 1989г. США Е21 В 10.62, 10 / 46 П № 782903 Сменный штырь для бурового долота.

31. Всероссийский научный исследовательский институт патентной информации. Тематическая подписка JP 6038033, Ви 0308942 Ki-mura Takumi Nakayama Toshiaki. Резец для бурового инструмента.

32. ИСМп 0027 Ж № 17 1997г. Япония (JP) 5 Е 21 В 10 / 36 Nakayama Toshiaki Hiwasa Yoneo. Способ крепления зуба бурового инструмента пайкой

33. Заявка Е 21 В 10 / 46 96103246 / 03 27. 01. 98 г. Буровая коронка. Дворников Л. Т., Губанов Е. Ф. Бюл № 3 1998.

34. А. С. № 1652503 от 30. 05. 91 г. МКИЕ 21 В 10 / 36. Долото для ударно вращательного бурения. Беляев Н. А., Гаун В. А., Зарубин М. С. // Изобретение стран мира, вып. 63 № 16.

35. Б. И. № 14 1995 г. Е 21 В 10/36 заявка 92003558/03 авторы Божко В. Г., Кантович JI. И., Первов К. М. Буровая коронка, стр 64.

36. Усовершенствование буровых свойств долот к агрегатам БМК-2Б и БА-100А. Отчет по НИР СКГМИ. - Орджоникидзе, 1-989.

37. Авакян О.А. Исследование процессов и совершенствование средств бурения скважин машинами с независимым вращением инструмента. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Орджоникидзе, 1982.

38. Голибова О. В., Иргашев М. JL, Ушаков JL С. Результаты испытаний бурового инструмента на шахте им Губина ОАО «Комбинат КМА руда» В статье докладов IV Международной конференции по буровзрывным работам. М. 1999.

39. Сире И.Е. О продольном ударе металлических стержней с закругленными концами. Fransactions of the Cambridge Philosophical Societu, 1907, vol. XXI, pp. 49-105.

40. Hertz H. Uver die Beruhrung fester ecastisher Korper. Gesammelte Werke, 1887.

41. Сен-Венан Б. Примечания к № 60 и 61 французского перевода книги "Clebsh Theorie der elastizital fester Korper". Paris, 1883.

42. Арндт Ф.К. Явление удара в поршнях и штангах при ударном бурении. Gluckauf, 1960, № 24, s. 1516.

43. Ферхерст Ч. Волновая механика ударного бурения. Mine Quarry Engineering. March-April, 1961.

44. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория соударения стержней с торцами произвольной формы. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1964.

45. Иванов К.И., Андреев В.Д. Разрушение горных пород ударными импульсами, генерируемыми поршнями различной формы. В сб. Взрывное дело, № 58/15. - М.: Недра, 1966.

46. Саймон Р. Расчеты на вычислительных машинах волн напряжений от удара бойка в бурильных машинах. В сб. Механика горных пород. - М.: Недра, 1966.

47. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969.

48. Есин Н.Н. Пневматические машины ударного действия для бурения шпуров. Новосибирск: Наука, 1978.

49. Праус В.А. Распространение волн сжатия при продольном ударе стержня. Philosophical Magazine, ser. 7, vol. 22, 1936, pp. 209-239.

50. Тимошенко С.П., Лесселва Дж. Прикладная теория упругости. -М.-Л.:ГНТИ, 1931.

51. Осецкий В.М. Техническая механика. М.: Госгортехиздат,1962.

52. Андреев В.Д. Методика комплексных исследований взаимодействия инструмента с породой. В сб. Породоразрушающий инструмент. -Киев: Техника, 1970, с. 146-156.

53. Бабенков Н.С., Иванов К.И., Хесин Г.Л. Исследование взаимодействия бурового инструмента и породы методом фотоупругости. М.: Недра, 1970.

54. Бегагоен И.А., Бойко А.И. Повышение точности и долговечности бурильных машин. М.: Недра, 1986.

55. Алимов О.Д., Дворников Л.Т. Бурильные машины. М.: Машиностроение, 1976.

56. Романов А.Н. Гидравлические молоты фирмы Крупп Маши-нентехник и их особенности. Горный журнал, 1994, № 10.

57. Суднишников Б.В., Есин Н.Н., Тупицин К.Е. Исследование и конструирование пневматических машин ударного действия. Новосибирск: Наука, 1985.

58. Смирнов Ю.М. Научные основы создания низкочастотных гидравлических импульсных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Караганда, 1997.

59. Федоров А.Н., Климов Б.Г. Вращательно-ударное бурение шпуров за рубежом. Горный журнал, 1957, № 4.

60. А. С. 909104 МКИ Е 21 В 10/36 Коронка для ударного вращательного бурения // Открытия изобретения 1982. Стр. 145 (Емекеев В. И. и др.)

61. Гаврилевский О. И. Повышение эффективности бурения скважин крестовыми коронками // Цветная металлургия 1988.

62. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985.

63. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968.

64. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.

65. Коршунов Л.Г., Богачев И.Г., Макаров А.В., Осинцева А.П. // Трение и износ. 1988, т. 9, № 1.

66. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.

67. Гильянова JI.H. Эффективность лабиринтных уплотнений в пневмоударных горных машинах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, СКГТУ. Владикавказ, 1998.

68. Гильянова Л.Н., Климов Б.Г., Урумов С.Т., Урумов В.А., Бег-ляров М.А. Перфоратор. Патент РФ, 1993.

69. Смирнов Ю.М. Анализ выходных показателей низкочастотного гидравлического виброисточника. Изв. вузов. Горный журнал, 1988, № 6.

70. Горная механика / К.С. Борисенко, А.Г. Боруменский, B.C. Ду-лин, Н.М. Русанов. М.: Госгортехиздат, 1962.

71. Иванов К.И., Глазунов В.Н., Надион М.Ф. Современные методы бурения крепких пород. М.: Госгортехиздат, 1963.

72. Климов Б.Г., Хадонов А.В. Работа бурового оборудования при повышенном давлении сжатого воздуха. // Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых: Материалы III Международной конференции. Новочеркасск: Нобла, 1997.

73. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981.

74. Климов Б.Г. Метод вложенных моделей при оптимизации давления сжатого воздуха на буровых работах. В сб. Тезисы юбилейной конференции СКГТУ. - Владикавказ: Терек, 1995.

75. Климов Б.Г., Маруфова О.А. Рационализация параметров и оборудования буровзрывных работ на базе планов Плакетта-Бермана. Тезисы докладов научно-технической конференции СКГМИ, Владикавказ 1991.

76. Выбор оборудования при проведении горных выработок. Справочное пособие М. Недра 1970.

77. Нормы технического проектирования горнорудных предприятий цветной металлургии с подземным способом разработки Мин-цветметМ. 1975.

78. Дегтярев В.И. Повышения эффективности пневматических установок угольных шахт. Дисс на соискание ученой степени д.т.н. Донецк 1988.

79. Герасименко Г.П. Комплексное использование пневматической энергии при обработки глубинных месторождений М. Недра 1971.

80. Единые нормы выработки и времени на проходческие работы при строительстве шахт и рудников цветной металлургии М. Мин-цветмет 1977.

81. В.И.Голик, К.Х.Пагиев. Энергосберегающие технологии добычи руд. Владикавказ. Терек 1995.

82. Липовой А.И. Совершенствование технологии горных работ на рудниках Садонского СЦК с целью повышения их эффективности. Орджоникидзе 1984.

83. Липовой А.И. Исследование параметров БВР на подготовительных и нарезных работах с целью определения оптимальных норм расходования ВМ. Орджоникидзе 1976-84 (СКГМИ. Кафедра дет. машин).

84. Климов Б.Г., Хадонов А.В. «Оптимизация параметров процесса бурения шпуров и скважин» в трудах СКГТУ вып. 4, 1990.

85. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник, т. 1. Методы испытаний и исследования. Книга 2. М.: Металлургия, 1991.

86. Применение алюминиевых сплавов / Под. ред. Торынина. М.: Металлургия, 1973.

87. Ратнер С.И. Разрушение при повторных нагрузках. М.: Обо-ронгиз, 1959.

88. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1970.

89. Павлов И. М., Ушаков Е. В. Дробышева Е. К. Хладноемкость и структура вольфрама. М. Наука 1984.

90. Металловедение и термическая обработка стали. Справ, изд. в трех томах / под ред. Берштейна // М. JI. 4 изд., т. 1 Методы испытаний и исследования в 2х кн, К„ 2 М.: // Металлургия 1991.

91. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ1. Е^БЛйОТсКА55.01