автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка рациональных параметров разрушения пород при ударно-шарошечном способе бурения взрывных скважин малого диаметра

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи БЛЙБУРИН Рифат Гадилович

УДК (322.23.051.782(047)

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ПРИ УДАРНО-ШАРОШЕЧНОМ СПОСОБЕ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте на кафедре «Разрушение пород взрывом».

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, гл. н. с. ГЛАТМАН Л. Б., канд. техн. наук, ст. н. с. ФАЛЬШИН Ф. Ф. Ведущее предприятие — трест «Союзвзрывпром».

Защита диссертации состоится «...»... 1992 г. в .... час. на заседании специализированного совета

К-053.12.05 в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке, института.

Автореферат разослан « . . . ».....1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. /Л.

ля

, ...• I

\я (

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в транспортном, гидротехническом строительстве, на карьерах малой мощности широко применяются станки, предназначенные для бурения скважин диаметром 100—160 мм. Эти станки по своим весовым характеристикам не могут развивать осевых нагрузок на породоразрушающий инструмент, достаточных для оптимального режима разрушения породы, поэтому возникает необходимость применения комбинированного способа бурения. Наиболее перспективным из комбинированных способов является применение погружных нневмо- или гидроударников, которое позволяет существенно повысить скорость бурения. Опыт эксплуатации станков комбинированного бурения и применения ударно-шарошечного способа (УШС) бурения на станках типа БТС-150, СБШ-160 показал, что разработанные ранее теоретическое описание и рекомендации для этого способа бурения не позволяют достичь максимального эффекта от его применения. При этом в теоретической оценке не учитывались различия в процессе разрушения породы и силового взаимодействия с ней шарошечного долота при статической нагрузке и при дополнительном ударном нагру-жении. Поэтому установление закономерностей разрушения породы шарошечным долотом при динамической (ударной) нагрузке для разработки рациональных режимов разрушения породы при бурении скважин является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в установлении закономерно-:тей разрушения породы и силового взаимодействия с ней ларощечного долота для разработки рациональных парамет-эов разрушения пород при УШС бурения взрывных скважин ; целью повышения технико-экономических показателей (ТЭП) буровых работ.

Идея работы заключается в использовании теории разру-ления пород при динамическом (ударном) нагружении буро-зых инструментов и теории шарошечного способа (ШС) бу-)ения для установления рациональных режимных парамет->ов УШС.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— уточнена теория процесса разрушения породы шарошечным долотом при дополнительной динамической нагрузке путем учета зависимости величины дополнительного объема разрушения породы от перемещения шарошки между двумя последовательными ударами по долоту;

— установлены закономерности силового взаимодействия шарошечного долота с породой при дополнительной динамической нагрузке, отличающиеся учетрм влияния частоты вращения долота, частоты ударов по нему и геометрических параметров размещения зубьев на шарошках;

— установлено, что при частотах вращения долота до величины 7 с-1 УШС бурения эффективнее обычного шарошечного, хотя с увеличением частоты вращения относительная эффективность применения УШС бурения снижается;

— разработана методика определения рациональных'режимных параметров УШС бурения взрывных скважин станками БТС-150 и СБШ-160.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются:

• — удовлетворительной сходимостью теоретического расчета скорости бурения шарошечными долотами при УШС с опытными данными, при этом расхождение не прёвышаег 15% при коэффициенте вариации опытных данных не более 0,2 и надежности не менее 0,9;

— удовлетворительным согласованием теоретической оценки влияния частоты вращения на скорость бурения ша: рошечными долотами при УШС с опытными данными, при этом расхождение не превышает 10% при коэффициенте вариации опытных данных не более 0,15 и надежности не менее 0,95;

— положительными технико-экономическими показателями применения УШС бурения на рекомендованных режимах.

Значение работы. Научное значение работы состоит в уточнении теории процессов разрушения породы" шарошечным долотом и его силового взаимодействия с породой при дополнительной динамической нагрузке.

Практическое значение работы заключается в разработке методики определения рациональных режимных параметроЕ УШС бурения взрывных скважин, учитывающей влияние ч"а: стоты вращения долота, частоты ударов по нему, энергии удара, крепости породы, осевой нагрузки на долото. Приме нение рациональных режимных параметров бурения в поро дах VIII—X групп по СНиП позволит увеличить скоросп бурения на 30—60%, сменную производительность станк; БТС-150 —на 20—35%. При этом себестоимость буренш I пог. м скважины уменьшается на 10—25%. Основные ре

зультаты исследований были использованы при разработке «Методики, определения рациональных режимных параметров ударно-шарошечного способа бурения взрывных скважин станками БТС-150».

Реализация выводов и рекомендаций работы. «Методика определения рациональных режимных параметров ударно-шарошечного способа бурения взрывных скважин станками БТС-150» принята трестом «Трансвзрывпром» с ожидаемым экономическим эффектом 135000 руб. в год из расчета на один станок. При этом с учетом вклада автора в разработку теории. и. в .проведение промышленных испытаний, его доля составляет 33%- "ли 45000 руб. в год на один станок.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на V Всесоюзной научно-технической конференции «Разрушение горных пород при бурении скважин» РГП-90 (Уфа, 1990); научно-техническом совете треста «Трансвзрывпром»; в тресте «Союзвзрыв-пром», конструкторско-технологическом бюро «Азимут» (Уфа, 1990), на кафедре РПВ МГИ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы две научные работы и две находятся в редакции «Известия вузов. Горный журнал» (намеченный срок публикации — декабрь 1992.г.).

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 170 страниц, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников '(46 наименований). Основное содержание изложено на 115 страницах машинописного текста, работа включает 38 таблиц, 35 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Главным направлением развития буровых работ является повышение механической скорости бурения. Одним из способов решения этой проблемы является применение комбинированного воздействия статической и динамической нагрузок на долото. Генераторами ударных импульсов, воздействующих на буровой инструмент, могут быть погружные пневмо-или гндроударники. Изучением и разработкой рациональных режимных параметров при УШС бурения занимались Аго-шашвили Т. Г., Глатман Л. Б., Голокоз В. Ф., Дайбов С. В., Крюков Г. М., Кутузов Б. Н., Мельников Н. В., Мороз В. М., Оноцкий М. И., Осипов Г. М., Перегудов А. А., Фальшин В. Ф., Федосеев Г. М., Федулов А. И., Филиппов Г. С., Фоминых В. Г., Френкель Б. Е., Щнапер Р. И., Янченко В. Е., Эйгелес Р. М.

При рассмотрении процесса разрушения породы шарошечным долотом при УШС бурения были установлены принци-

пиальные различия по сравнению с процессом ее разрушения при обычном шарошечном бурении при фиксированном Рос.

Расчет выполнен для шарошечного долота, шарошки то-торого армированы зубьями с полусферической рабочей поверхностью. Пусть под воздействием Рос зубец внедряется в породу на глубину /гвш, при этом ширина лунки разрушения будет равна

где /грш—глубина лунки разрушения;

х; х 1 — безразмерные коэффициенты, равные соответственно 1,6 и 6,6.

Объем лунки разрушения

Сш == ЬщЬр ¿в — — 2&ш1/в/х,,

где /„— ширина венца.

Здесь уточнено, что обычно имеет место полное перекрытие забоя зубьями разных венцов шарошек и объем разрушения, производимый каждым зубом венца, пропорционален своей /„. Поскольку.и при динамическом нагружении долота объем разрушения, производимый каждым зубом, будет пропорционален /„, то в последующем при сравнении объемов разрушения, производимого зубом при статическом и динамическом нагружении шарошечного долота, параметр /„ будет опущен.

Пусть в момент, когда рассматриваемый зуб внедрился в породу на глубину /г„ш, по корпусу долота наносится удар бойком пневмоударника. Под воздействием динамической нагрузки зуб внедрится до глубины Лвуш. Соответственно глубина и ширина лунки разрушения будут равны:

2 ¿>уш = /■/.,//вуш; Vй1 = •/Лвуш,

при этом

Qyш== 2Йуш/х,.

После удара и формирования большей лунки разрушения вновь идет процесс шарошечного бурения при фиксированном Р0с. которому соответствует глубина внедрения зуба каш. В зависимости от частоты ударов по долоту в процессе перекатывания шарошки объем разрушения, осуществляемого зубом под действием динамической нагрузки, будет разным.

Расчет дополнительного объема оказалось удобнее осуществлять в зависимости от перемещения 5 венца по забою между двумя последовательными динамическими нагружениямн долота.

Под Л<2 — дополнительным объемом разрушения при динамическом нагружении — будем понимать разницу между

объемом лунки разрушения, производимого зубом под действием ударной нагрузки, и объемом лунки разрушения при чисто шарошечном бурении.

При рассмотрении этого процесса установили 4 разных участка' искомой зависимости Д(2=/(5). Для удобства практического применения установленных взаимосвязей полученные результаты представлены в относительных величинах:

После соответствующих- преобразований получим:

— на первом участке:

О <5<&у— 1;

ДС^ш^^— 0,255»;

— на втором участке:

~Ьу— 1 < 1;

= 0,25 [Ьу (Ьу + 2 + 2?) - 3];

— на третьем участке:

Ьу + 1 2Ь,,

Д<?п7<2ш = Ьу 5 — 0,2552 - 1;

— на четвертом участке:

5 > 2Ьу,

Д = V -

Имеется график функции Д(3/<3Ш =/(6у; 5) (рис. 1), частота- вращения долота п, частота ударов луд и параметры размещения зубьев на шарошках — можно рассчитать Д<2/(Зш для каждого венца долота и соответственно приращение этого объема разрушения для долота в целом.

Приращение проходки на долото

ЛЛо = д(2об/5скВ. (1)

где АЯ ой — дополнительный объем разрушения за один, оборот долота.,

ДСЗов—

чде — /п—число ударов за один оборот долота;

0,1^ска&ш*/х1 объем единичной лунки разрушения при нарошечном бурении; 50кв = 0,25^д?скв —площадь поперечно-'о сечения скважины.

С учетом вышеизложенных соотношений выражение (1) представляется в виде

дл0 = А^ш£Ад /дш/5скв. (2)

Перемещение г'-го венца шарошки между двумя последовательными ударами бойка пневмоударника равняется

.9, = 3-игг/«уд, где г, — радиус г-го венца.

Так как Д<3/(3щ —/(¿>у; 5), значение относим к величине Ь ш:

3) = 'д-пг1/пуяЬш. (*)

Таким образом, соотношениями (1), (2) и (*) установлена зависимость Д<2о6 от частоты вращения долота и Рос. станка.

Рассмотрим ударно-шарошечное и шарошечное, бурения, произведенные в конкретных горно-геологических условиях.

Пусть порода крепость /=10,5; араз =8,9-108 Па; Яос = = 90 кН; /1„ш = 1,263 мм; 7гвуш= 1,516 мм; яуд= 22,93 с-1; бурение осуществляется долотом III 146 ОК.-ПВ.

По (1), (2) и (*) рассчитаны Д<Э/С?Ш при /г = 1 ...6 с-1 для одной шарошки и для всего долота в целом. На рис. 2 представлены эти зависимости Д(¿/С}ш от п для долота при Рос — = 90; 63,3 кН, которые иллюстрируют изменение дополнительного объема разрушения породы шарошечным долотом при динамическом нагружении от частоты вращения долота, частоты ударов по нему и геометрических параметров размещения зубьев на шарошках.

Теперь перейдем к рассмотрению силового взаимодействия шарошечного долота с породой при динамической нагрузке. В этом случае возможны два варианта: с взаимным влиянием лунок разрушения и без него.

Рассчитаем силу взаимодействия с породой одного венца Шарошки при ее качении по забою. Отсутствие взаимного влияния означает, что расстояние между соседними лунками разрушения, образованными при динамическом нагружении, таково, что исключает влияние соседней лунки на силовое взаимодействие венца с породой. Допустим, что шарошка вращается по часовой стрелке (рис. 3). Тогда зубья венца, находящиеся от оси ОХ справа, будут внедряться в породу, а слева — выходить из контакта с ней. Пусть г1 — радиус" 1-го-венца; Д/г — приращение глубины внедрения; ¡Змш—угол контакта внедряющихся зубьев с породой при УШС; |Зо/ —угрл контакта внедряющихся зубьев с породой при ШС.

Лвуш = Лвш 4- АЛ; р0и! = К2/С/гг з!п в ; ^ = $КЩ?;- .

Р## - Рог VДй/Лвш + 0,3 ; рГ = р0ш, /1 + Д/г/Лвш; " 1 ' '

°исимоо::ь дсаолнитгльного одьека зруи/ения. производимого зубом при чамическом нагрухении, о/л расстояния жду лоследабательяыми внедрениями при разных оу

Яг,

/ Яг___

/

Еч-иъ

/г»<

Забисамошь дополнительного^о£ъ£ма разрушения порасЬ/, производимого шар^шечно/х долотом щМбох- пв при . ударном нагрухёнии, о/л частоту его вращения при разных Рос

Ни.

*

/ /

■

-

. 1 г з Ь 5 в п,с~

Схема атоёаго бзаимодеистВия одиночного де/чца шарошни с породой *ри дополнительном ударном нагрухениа без Взаимного ¿лияния лунок разрушения

0 ш ъф'1

• \ в \ А* / / •

\ 4 -^о^ **'а чш / Рос у 1 /

гч. У

X

Рис.3

Рис.2

С • 1

?

Сила взаимодействия венца с породой является суммой сил взаимодействия внедряющихся в породу и выходящих из контакта с ней зубьев:

Р* = /V + р\\ (3)

Внедряющиеся зубья взаимодействуют с породой по линейному закону

б а, 3 а, V Л в

Сила взаимодействия с'- породой выходящих зубьев складывается из двух составляющих: до угла взаимодействие идет по линейному закону, а между углами и р«* — по квадратичному:

-. Ъ '' I \ 0.3 }

Рассчитаем Р,- для различных соотношений ДЛ//гнш. По этим значениям строим график функций Р^ — /(Д/г//г„ш) и находим ее вид:

А/; \ ЙИ ш

0,96 + 2.78 —— ) Ро". (4)

Л в'" / а/

Взаимное влияние лунок разрушения на силовое взаимодействие долота с породой наблюдается в том случае, когда перемещение шарошки между двумя последовательными ударами пневмоударника меньше 5тах. Величина 5гаах определяется чисто геометрически:

¿та* =

При перемещении 1-го венца шарошки между ударами меньшем, чем 5та!(, выходящие из контакта зубья будут взаимодействовать с породой, испытывая влияние лунки разрушения, образованной при предыдущем ударе. Забой будет иметь вид поверхности, образованной двумя пересекающимися лунками разрушения (рис. 4).

Внедряющиеся зубья взаимодействуют с породой так же, как и в случае без взаимного влияния лунок разрушения. Сила взаимодействия с,породой внедряющихся зубьев

Л—-д/Г

Р,~з Я| Ь'К.+Л»

Выходящие зубья взаимодействуют с породой до угла у* по линейному закону:

7* = ^/2гвШ в,

где — перемещение 1-го венца шарошки между двумя последовательными ударами. Между углами у#и у взаимодействие идет по квадратичному закону; у — предельный угол, при котором сила взаимодействия зуба с породой равняется нулю.

Р и = р.П(а) + pi

11(6)

ЙИ I*'

/Л.-0,7

7. «/

Л = Лтек/Л',

0,3

¿Р,

Результирующая сила взаимодействия выходящих зубьев с породой является суммой этих двух составных частей, где Лтек —текущее значение глубины внедрения зубьев; И — глубина внедрения, соответствующая углу у

Л =

Л' (Ро7)2-Т/

Введем функцию Р? = /(ДЛ/ЛВШ; 5), где 5 = 5,/5тах. _ Вычислим значение Р,1 при различных значениях Д/г/Л „ш, 5. По этим точкам строим графики и находим вид функции

Вк

0,96 (2 + 0,785)^-

"в

0<§< 1.

(5)

5=1 соответствует случаю взаимодействия без взаимного влияния и этот случай встречается несоизмеримо_чаще, чем

взаимодействие с взаимным влиянием. Принимаем 5= 1, тогда

Рг =

0,96 + 2,78 — Л„ш

вк

п ш ?<Ш

Рос —осевое усилие, с которым долото взаимодействует с породой при УШС:

>УШ .

2 р?,

I-1

s

Г

I

Г

- ^ * | « *

H

I 8- * < à (j

H*

И

S á 'fe Ö

M

1

. r§

D Q ^ 1

i

s

^ S

Ç ^ ГЧ ^ ^

S S> ' 1

I

s 5

i

I

H

S

I §

" I ^ à* £

M'

S О

где т — число венцов;

В предыдущих исследованиях УШС бурения отсутствует связь между силой взаимодействия породоразрушающего инструмента с породой и частотой вращения долота. Предложенное новое теоретическое описание (5) и (6), такую связь

устанавливает. В выражение (5) входит показатель который зависит от частоты вращения долота. Следовательно, значение Р\^ тоже зависит от частоты вращения. Приведем для примера зависимость силы взаимодействия шарошечного долота с породой от частоты вращения долота при разных значениях осевого усилия.

Пусть порода имеет /=10, при которой араз =»8,38-108 Па долото III 146 ОК-ПВ; луд=24,18 с~>; Апп =194,92 Дж;

1) Ябс =71,8. кН; 2) Яос =90 кН; 3) Рос=120 кН._

Для всех трех значений Р^ рассчитаны 5тах; 5 и зависимость Ро!? от п. Результаты расчета представлены на

рис. 5, из которого видно, что с увеличением частоты вращения сила взаимодействия долота с породой растет, далее, начиная с некоторой п становится постоянной.

Таким образом, соотношения (2) и (6) позволяют полностью рассчитать величину приращения проходки на долото за один оборот и его силовое взаимодействие с породой в зависимости от параметров статической и динамической нагрузок на долото.

Результаты теоретических расчетов сопоставлялись с результатами опытно-промышленных исследований, выполненных в МГИ с участием автора. Опытно-промышленное бурение осуществлялось станками типа БТС-150, а снабжение сжатым воздухом — от передвижных компрессорных станций.

В 1987 г. были проведены испытания на кварцитовом экспериментальном карьере ПО «Южуралэнергостройконструк-ция» треста «Южуралэнергострой». Цель испытаний состояла в выявлении эффективности УШС бурения взрывных скважин по сравнению с шарошечным, принятым за базу сравнения. В качестве критериев для оценки эффективности УШС принимались величина средней механической скорости бурения и величина проходки на долото. Испытания проводились на добычном уступе указанного, карьера, коэффициент крепости породы варьировался в пределах от 11—14 до 15—18 (IX— X группы по СНиП). В качестве породоразрушающего инструмента применялись серийные штыревые шарошечные долота III 146 ОК — ПВ; Ударные нагрузки на шарошечное до-

0,96 + (2 + 0,785) ~

(б)

лото создавались серийным пневмоударником II—125—3, •. За время испытаний было пробурено 10 скважин. Суммарный объем бурения составил 132,5 м, из них 81,6 м пробурено УШС и 50,9 м — шарошечным способом. Проходка на долото при УШС — 41,7 м при ШС — 38,2 м. Средняя механическая скорость бурения при УШС в 1,67 раза выше, чем при ШС.

В 1988 г. проводились испытания на карьере № 26 (п-ов Ямал, Тюменская обл.), обслуживаемом третьим участком СУ-94 треста «Трансвзрывпром» Минтрансстроя СССР. Цель и методика испытаний такие же, как и в предыдущих испытаниях. В качестве дополнительных критериев привлекались ТЭП: сменная производительность бурения и себестоимость бурения одного погонного • метра скважины: Исследования проводились при бурении плановых скважин на добычном у.ступе 2-го горизонта указанного карьера (горные породы относятся к IX группе по СНиП). В качестве породоразру-шающего инструмента при шарошечном бурении применялись серийные штыревые шарошечные долота III 161 К — ПВ, а при УШС — как серийные, так и опытные долота типа III 161 К—ПВ ВНИИБТ. Всего за время испытаний пробурено 55 скважин. Суммарный объем бурения составил 434,19 м, из них 161 м пробурен ШС и 273,19 м — УШС. Средняя проходка на долото (серийные долота) при шарошечном бурении составила 37,33 м, а при УШС — 55,64 м. При УШС механическая скорость получилась выше в 1,6— 1,7 раза, чем при шарошечном бурении. Себестоимость бурения 1 пог. м скважины при УШС на 27,6% ниже, а сменная производительность на 61% выше, чем при шарошечном способе.

В 1988 г. были проведены опытно-промышленные исследования УШС при бурении экспериментальных скважин на стройплощадке, примыкающей к котловану Южноукраинской Г АЭС. Цели и задачи исследований аналогичны предыдущим. Для УШС бурения использовался ударно-шарошечный снаряд ПШ-160. В качестве породоразрушающего инструмента применялись серийные штыревые шарошечные долота III 146 ОК —ПВ. Группа пород по СНиП VIII—IX (редко X). За время исследований было пробурено 20 скважин. Суммарный объем бурения составил' 274,23 м, из них 152,57 м пробурено УШС и 121,66 м — ШС. Проходка на долото при шарошечном бурении —60,83 м, при УШС —67,59 м. Механическая скорость бурения УШС в 1,58 раза выше, уем при Шарошечном. Себестоимость 1 пог. м скважины при УШС на 14,6% ниже, чем при шарошечном, сменная производительность при этом выше на 42%^

В 1989 г. были проведены опытно-промышленные испытания "шарошечного и ударно-шарошечного способов буренйя

взрывных скважин на горной выемке при реконструкции автомобильной дороги Кола — Печенга (16—24 км). Буровые работы проводились Мурманским прорабским участком СУ-79 тре"ста '«Трансвзрывпром». Горные породы IX—X-группы по СНиП. В качестве породоразрушающего инструмента использовались серийные штыревые шарошечные долота III 146 ОК — ПВ. За время испытаний было пробурено 146 скважин. Суммарный объем буреиия составил 980,76 м, из них 693,23 м пробурено шарошечным способом и 287,53 м УШС. Средняя проходка на долото при шарошечном бурении — 37,72 м,' при УШС — 52,06 м. Средняя механическая скорость бурения при УП1С на.62.% выше, чем при ШС.

Результаты этого опытно:промышленн6го" бурения сопоставлены с теоретическими зависимостями. По экспериментальным данным были вычислены значения. КПД использования ударной (динамической) нагрузки на разрушение породы в зависимости от крепости пород и установлен вид функции г) = ф (/") (рис. 6). Функция имеет -вид г| = 15 + + 7,857 (/—8) при 8</<15. Коэффициент- корреляции — 0,981.7; стандартная ошибка оценки — 7,31%; надежность — 96,37%. По экспериментальным данным были подсчитаны значения отношения Д/г//гвш в зависимости от крепости пород и сопоставлены с функцией, описывающей теоретическую зависимость Д/г//гпщ = 1|>(/) (рис. 7). Функция имеет вид М/Н в-ш= 0,29 + 0,105 (/—8) г/з при 8</<15. Коэффициент корреляции— 0,9599; стандартная ошибка оценки — 8,871%; надежность— 92,16%. Также был произведен теоретический расчет зависимости Д/г//г„ш от энергии единичного удара Апп Эта зависимость носит линейный характер:

. ДА/А„Ш = 0,33 + 0,П0375МЯЯ;

с увеличением энергии удара растет отношение Д/г//гвш.

Под рациональными режимными параметрами понимают те параметры, при которых себестоимость бурения одного метра скважины является минимальной. Выбор рациональных режимных параметров производится с учетом возможностей. применяемого оборудования, так как для станков существуют ограничения по осевому усилию, частоте вращения, также по давлению в воздушной магистрали, следовательно, по частоте и энергии ударов пневмоударника.

В настоящее время использование высокооборотных редукторов позволяет увеличить частоту вращения бурового става примерно до п = 7 сг1. Таким образом, считаем, что частота вращения ограничивается п = 7 с-1. Для станка БТС-150 принимаем .осевую нагрузку' максимальной Рос = 100 кН. . . Определим,.. в каких породах , и при каких частотах вращения эффективнее применение. .ШС или УШС бурения. Сравнение осуществляется по" себестоимости бурения и по

сменной производительности станка. Расчет осуществлен для станка БТС-150; РОс = Ю0 кН; долото III 146 ОК —ПВ; Апп = \1Ъ Дж; крепость породы 8; 10; 12; 14; 16. Себестоимость бурения одного погонного метра скважины при ШС

= ^ + руб/м, (7)

"см Лц

где Сис—стоимость машино-смены, руб.;

Ясм —сменная производительность станка, м;

Сд — стоимость долота, руб.;

Hд—проходка на долото, м. Себестоимость бурения одного погонного метра скважины при УШС

СбУШС e + + с^ ( рур/м^ (g)

''си "д "па

где Спн — стоимость пневмоударника, руб.;

-^пн — ресурс пневмоударника до полного износа, м; остальные обозначения те же, что и для (7).

В качестве критериев, характеризующих рациональность применения того или иного способа бурения, возьмем отношения Сбушс/Сбшс и ЯсТ/ЛсТ Графики зависимостей этих отношений от частоты вращения долота при породах разной крепости представлены на рис. 8. В зависимости от задач, стоящих перед конструкторами, инженерно-техническими работниками, имеются два принципиальных варианта выбора рациональных режимных параметров. Первый: УШС бурения следует применять только в том случае, когда его себестоимость ниже, чем ШС. При этом возможны различные под-варианты: С6уш ниже С6ШС или С0уш ниже Сбшс не менее чем на 5, 10, 15%. Второе: УШС бурения следует применять в том случае, когда его сменная производительность выше, чем ШС. При этом возможны следующие подварианты: Ясм° выше Я^м или Ясм° выше Пы не менее чем на 10, 20%. На рис. 8 отмечены частоты вращения долота, которые удовлетворяют этим условиям при разных крепостях породы. Так, СьУшс<Сйшс для / = 8 при п<2,4 с->; для /=10 при п<4 с-1; для /=12, 14, 16 при всех п (ж7 с-1). При 3tom/7^c>/7"J для / = 8 при ж3,7 с-1; для /=10 при «<4,7 с-1; для /=12 при ж5,6 с-1; для /=14, 16 при всех п 7 с-1).

На основе этих критериев была разработана «Методика определения рациональных режимных параметров ударно-шарошечного. способа бурения взрывных скважин станками БТС-150». Эта методика принята трестом «Трансвзрывпром» к внедрению с ожидаемым экономическим эффектом 135000 руб. в год на один станок.

гл

в

/О /7

/2

и А % !

( >

Д

И •'

А

Рис.6 Грз;?пк ^уикпки /£ - (^С-] + - Лабктканги Д - йяноукрзинся

О - Мурманск О - Трокцк

/3 /❖ /:

'5/

О?

0,6

0,5

ОА

аз

ш.

а

& /о /г

/г

з

/ /

/ ?

/ > Г

/

¡-5 /£/ /5 £

Рис.7 График зазисга.юсти д h/hg от £.

+ - Лабытнанги Л - Юккоукраикск

О _ Мурманск , ° - Троицк

V

3

5 N 3 I X БТС-/50

1 ■ 1—- г —

о ТС-/50

!

I

| у у' у ! г ^ .г ^

.

3

Рис.8. Графики зависимостей П

ас-' у

-Ушс,

при разных

и

ст п

( I - 8; П - 10; Ы -12; 1У - 14; У - 16)

Г

Таким образом, впервые осуществлен расчет рациональных частот вращения долота при УШС бурения взрывных скважин малого диаметра. Установлено, что для станка БТС-150 себестоимость УШС бурения ниже себестоимости бурения шарошечным способом для пород крепостью выше 12 (/<Г2) при частоте вращения долота до 7 с-1 (л<7 с-1), что свидетельствует о целесообразности применения УШС бурения в этих условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи — установление закономерностей разрушения породы шарошечным долотом при динамической нагрузке для разработки рациональных режимов разрушения породы при УШС бурения скважин, позволяющее повысить ТЗП бурения скважин малого диаметра.

Основные выводы по работе заключаются в следующем:

1. Установлены закономерности процессов разрушения породы шарошечным долотом и его силового взаимодействия с породой при дополнительной динамической нагрузке, позволяющие разработать методику определения рациональных режимных параметров УШС бурения взрывных скважин малого диаметра. Установлены зависимости величины дополнительного объема разрушения породы шарошечным долотом и его силового взаимодействия с породой при динамическом нагру-жении от частоты вращения долота, частоты ударов по нему, энергии ударов, крепости пород, геометрических параметров размещения зубьев на шарошках.

2. Установлено, что применение УШС бурения целесообразно в породах с крепостью выше 8 (/>8), причем с увеличением крепости пород возрастает КПД использования динамической нагрузки на разрушение породы. Так, если при / = = 8 г] = 15%, то при /=15 г] = 70%. С увеличением крепости пород растет эффективность УШС бурения. Если при / = 8 себестоимость бурения ШС выше, чем УШС в 1,13 раза, то при /=16 — уже в 1,33 раза. Если при / = 8 (частота вращения долота п = 2 с-1, энергия единичного удара Л,,= 175 Дж, Рос = 100 кН) механическая скорость бурения УШС в 1,23 раза выше, чем ШС, то при /=16 — выше в 1,94 раза.

3. Установлено, что с увеличением осевой нагрузки на долото снижается относительная эффективность УШС бурения. Так, если при Рос = 70 кН (« = 2 с-1, /=10) отношение С6тс/С6уш: — 1.2 и / К!« — 1,82, то при Рос=100кН

С0шс/Сбушс = 1,09 II 1/^7 1/мех= 1,43.

4. Установлено, что с увеличением частоты вращения долота эффективность УШС бурения снижается, также снижается отношение Ум«0/ УмсхХотя во всем рассматриваемом

диапазоне частот (гс<7 с-1) Ум«с выше, чем У мех- При этом осуществляется эффективная очистка скважины от щлама при- расходе воздуха 0,17—0,2 м3/с (диаметр скважины 161 мм). Так, если при п = 1 с-1 1/2«/1С* =2,01 . (/ = 14; Рос = 70 кН), то при п = 7 с-1 У^сх/Ум'х =1,20. Чем больше крепость породы, тем выше значение частоты вращения, при которой целесообразно применение УШС. Так, например, себестоимость бурения УШС ниже, чем ШС для / = 8 при ж <2,4 с-' и для /— 10 при «<4 с-1. .. ^ ^

5. Установлено, что с. .ростом, давления в воздушной магистрали увеличивается эффективность УШС бурения. Так, при увеличении давления с 0,4 до 0,8 МПа (/=10, Р = = 70 кН) себестоимость бурения УШС снижается с 6,43 ,до 4,75 руб/м. _ -

• 6. Результаты работы использованы в «Методике определения рациональных режимных параметров ударно-шарошечного способа бурения взрывных скважин станками БТС-150», внедрение которой на объектах треста «Трансвзрьшпром» позволит получить экономический эффект 135000 руб. в год из расчета на один станок при долевом участии-автора 33%'.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Кучеренко М. В., Янченко В. Е., Байбурин Р. Г. Алгоритм расчета технико-экономическнх показателей (ТЭП) при ударно-шарошечном способе (УШС) бурения в породах разной крепости: Тез.:докл. V Всесоюз. науч.-техн. конф. «Разрушение горных пород при бурении скважин». — Уфа, 1990. .

2. Байбурин Р. Г. Расчет эффективности разрушения породы шарошечным долотом при дополнительной динамической нагрузке. М„ 1992. Деп. в ЦНИЭИуголь, № 5382 от 25.05.92 г. . . .