автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Совершенствование технологии бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии

На правах рукописи

ДОННИКОВ Юрий Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ КИМБЕРЛИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЯКУТИИ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Иркутск - 2012

005044126

Работа выполнена на кафедре горных машин и электромеханических систем ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный технический университет"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Беляев Александр Евгеньевич

Официальные оппоненты: Гилев Анатолий Владимирович

доктор технических наук, профессор, заведающий кафедрой "Горные машины и комплексы" ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный университет";

Малеев Николай Геннадьевич

кандидат технических наук, первый заместитель генерального директора -технический директор ООО "Компания "Востсибуголь"

Ведущая организация: ОАО "Иркутский научно-исследова-

тельский институт благородных и редких металлов и алмазов" (Иргиредмет)

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный технический университет" по адресу: г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус "К", конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный технический университет". Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять в адрес диссертационного совета: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04; e-mail: ds04@istu.edu; факс: (3952) 405085

Учёный секретарь диссертационного совета

д-ртехн. наук, профессор Ш Г) —H.H. Страбыкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Горно-геологические условия эксплуатации оборудования определяют направления разработки высокоэффективных технологий на всех этапах горного производства. Многолетняя мерзлота и сложно-структурное строение вскрышных породных массивов характерны для алмазосодержащих месторождений Якутии, где температура в зимние месяцы достигает - 50 °С, а средняя годовая - не превышает минус 1СН-15 °С. Это предопределяет весьма неблагоприятные условия бурения, обслуживания станка и работы смежных механизмов горного производства.

Бурение скважин на алмазорудных карьерах Севера является одной из основных и трудоёмких технологических операций. Расходы на бурение в себестоимости добычи достигают 30 %. Буримые породы отличаются специфическими особенностями, которые исключают возможность механического перенесения опыта бурения из других регионов и обусловливают сравнительно низкие технико-экономические показатели проходки скважин. Совершенствование технологии бурения в сложноструктурных многолетнемерзлых породах ким-берлитовых месторождений Якутии является важной задачей повышения эффективности добычи полезного ископаемого.

Разработка принципиально новых технических решений в направлении создания специального бурового инструмента и обоснования параметров технологии подготовки взрывных скважин в условиях сложноструктурных мёрзлых пород позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели добычи алмазосодержащего сырья. Решению этой актуальной научно-технической задачи и посвящена диссертационная работа.

Цель работы заключается в обосновании способов и средств интенсивной проходки скважин в условиях мёрзлых сложноструктурных пород кимбер-литовых месторождений Якутии.

Идея работы основывается на принципе разрушения пород крупным сколом режущим и комбинированным буровым инструментом при поддержании температурного баланса в затрубном пространстве, обеспечивающего стабильную транспортировку продуктов разрушения из скважины сжатым воздухом.

Научные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Технология бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии определяется необходимостью контроля температурного баланса на забое скважины и выбора, в зависимости от этого, рационального режима бурения и типа породоразрушающего инструмента.

2. Разрушение мерзлых пород в условиях кимберлитовых карьеров Севера наиболее эффективно режущим и режуще-шарошечным буровым инструментом. Определены конструктивные параметры и обоснован параметрический ряд рекомендуемых долот.

3. Технология бурения скважин в условиях многолетнемерзлых слож-ноструктурных пород обеспечивается применением долот со сменными резцами, работающими в режиме крупного скола, при охлаждении сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины, специальными техническими средствами.

Методы исследований. В работе использованы комплексные методы исследований, включающие анализ и обобщение ранее выполненных работ по разрушению мерзлых пород и транспортированию продуктов разрушения из скважины; изучение напряжённого деформационного состояния массива на забое скважины и влияние на процесс бурения конструктивных параметров буровых долот. Все решения и рекомендации исследований подтверждены положительными результатами представительных производственных испытаний и широкого промышленного применения разработанных конструкций буровых долот.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены комплексным подходом к оценке исследований с погрешностью результатов работы не более 20 %. Исследования и рекомендации работы подтверждены широкими промышленными экспериментами, выполненными непосредственно в условиях карьеров АК "АЛРОСА", и промышленным использованием разработанных конструкций буровых долот.

Научная новизна результатов исследований:

- теоретически обоснованы основные принципы технологии разрушения мёрзлых сложноструктурных пород крупным сколом режущими и режуще-шарошечными буровыми долотами;

- установлено, что производительность бурения взрывных скважин в условиях мёрзлых кимберлитовых месторождений зависит от величины за-трубного пространства, определяемого типоразмером бурового инструмента и поддержанием необходимого температурного баланса на забое скважины;

- разработаны способы регулирования и стабилизации процесса очистки забоя скважины оптимизацией температурного режима путём охлаждения сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины от продуктов разрушения;

- теоретически обоснованы конструктивные параметры рабочих органов режущих и комбинированных долот для бурения мёрзлых пород сложного структурного строения.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке:

- инженерной методики технологии бурения взрывных скважин на алма-зорудных карьерах Якутии;

- параметрического ряда режущих и комбинированных долот в диапазоне диаметра скважин, применяемых на карьерах АК "АЛРОСА";

- технологии изготовления режущих буровых долот на основе применения стандартных сменных режущих элементов;

- технических устройств для охлаждения продувочного агента и стабилизации температурного режима очистки скважины от буровой мелочи.

Реализация результатов работы:

- апробирована и реализована на практике принципиально новая технология бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии;

- апробирован способ стабилизации бурения мёрзлых пород применением охладительных установок на станках шарошечного бурения.

В настоящее время на карьерах АК "АЛРОСА" в промышленных масштабах используются разработанные конструкции буровых режущих долот типа РД-160ШП, РД-215,9 и РД-244,5, обеспечивающие значительный технико-экономический эффект.

Личный вклад автора. Основные результаты рассматриваемой работы и их реализация выполнены при непосредственном участии и руководстве соискателя. Автор диссертации, работая старшим мастером буровзрывного участка карьера «Удачный», занимался совершенствованием буровых работ. В должности начальника карьера «Юбилейный», а затем директора Айхальского и Мир-нинского ГОКов, непосредственно участвовал в планировании, постановке и проведении исследований и промышленных экспериментов, направленных на конкретную разработку и реализацию различных типов режущих и режуще-шарошечных буровых долот; при его участии разработаны способы и средства охлаждения скважин, обоснованы основные положения технологии бурения скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии, о чем свидетельствуют акты реализации основных положений работы. В последующем автор участвовал в ходе проведения исследований и практической реализации их результатов, что подтверждается широкой публикацией работ соискателя в периодической печати и актами внедрения результатов исследований.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и получили одобрение на: Международной научно-практической конференции "Мир-ный-2001" (г. Мирный, 2001 г.); Международном совещании "Современные методы оценки технологических свойств труднообогатимого и нетрадиционного минерального сырья благородных металлов и алмазов и прогрессивные техно-

логии их обработки" (Иркутск, 2004 г.); Конгрессе обогатителей стран СИГ (г. Москва, 2005 г.); Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитзоны" (г. Якутск, 2005 г.).

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, содержит 148 страниц текста, в том числе 9 таблиц и 17 иллюстраций, списка литературы из 83 наименований и 8 приложений на 20 страницах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, общим объёмом 5,0 усл. п. л., в том числе 8 работ в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК. Общий объем публикаций соискателя, включая два патента, составляет 18 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований, научная новизна, практическая значимость работы, научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние изученности проблемы, сформулированы цели и задачи исследований.

Исследованиями влияния физико-механических свойств на разрушае-мость горных пород с учётом их температурных характеристик занимались: Л.И. Барон, А.Е. Беляев, B.C. Воздвиженский, B.C. Владиславлев, В.М. Го-рячкин, Б.Б. Кудряшов, Б.И. Кутузов, И.П. Мельничук, В.А. Перетолчин, М.М. Протодьяконов, Е.З. Позин, Ю.Ф. Потапов, Ю.И. Протасов, А.К. Сидоренко, А.И. Спивак, H.H. Страбыкин, А.Ф. Суханов, B.C. Федоров, H.A. Цито-вич, P.M. Эйгелес и др.

Существенный вклад в разработку теории и создание специального бурового инструмента для разрушения сложноструктурных, в том числе многолет-немерзлых мёрзлых пород внесли: А.Е. Беляев, Д.Н. Башкатов В.Д. Буткин, Ю.Е. Воронов, A.B. Гилев, В.М. Горячкин, Я.Н. Долгун, Б.А. Катанов, В.Н. Ки-сурин, Ю.М. Коледин, Г.М. Осипов, A.A. Перегудов, В.А. Перетолчин, М.И. Протасов, H.H. Страбыкин, A.B. Телешов, С.С. Филиппов, Е.В. Чудо-гашев, Ю.П. Шеметов, О.В. Чернецкий и др.

Значимыми являются работы по определению расхода воздуха на продувку скважин, в которых приводятся исследования А.Е. Беляева, Н.П. Елманова, А.И. Кирсанова, Б.Б. Кудряшова, Б.Н. Кутузова, А.Т. Лактионова, А.О. Межлумова, Н.С. Макурина, В.А. Перетолчина, Ю.Ф. Рыбакова, Б.С. Филатова и др.

Начало изучению температурного режима скважин, буримых в мёрзлых породах с продувкой, было положено работами И.П. Елманова, А.И. Кирсанова, A.B. Марамзина, A.A. Рязанова.

Этому вопросу посвятили свои работы: A.C. Бронзов, Г.С. Грязнов, И.М. Кутасов, А.Н. Щербань, также известны исследования Б.Б. Кудряшова, А.И. Кирсанова, B.C. Литвиненко, В.К. Чистякова, В.Т. Седова.

На карьерах АК "АЛРОСА", расположенных в северном регионе России, применяются буровые станки отечественного и импортного производства: СБШ-250МНА, СБШ-190/250, D75-KS TAMROK, DM-M2, SKF, при этом коэффициент использования станков составляет от 0,51 до 0,7, а выход горной массы с 1 м скважины - от 32,49 м3 до 39,06 м3. Эти показатели подчёркивают имеющиеся резервы повышения эффективности добычи алмазосодержащего сырья как за счёт увеличения коэффициента использования станков, так и за счёт увеличения их производительности.

Специфика бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров обусловлена: сложностью строения уступов и неоднородностью пород, низкими температурами, наличием многолетней мерзлоты, высокой обводненностью пород и наличием илисто-глинистых отложений. Сложное строение уступов затрудняет выбор параметров бурового инструмента, снижает эффективность разрушения породы на забое скважины и приводит к ухудшению показателей бурения.

Вскрышные уступы верхних горизонтов представлены мергелями, алевролитами, глинистыми, известковыми и доломитизированными песчаниками. Анализ физико-механических свойств вскрышных пород показывает, что 60^80 % пород имеют невысокую прочность с коэффициентом крепости 2^6 по шкале М.М. Протодьяконова, а остальные - 6-И 2. В зоне многолетней мерзлоты находится 90 % вскрышных пород алмазорудных месторождений Севера. Температура пород оказывает существенное влияние на их прочность. Многолет-немерзлым влажным породам свойственен неустойчивый температурный режим. Они весьма чувствительны к внешним воздействиям. Даже при малых колебаниях температуры значительно изменяются их физико-механические свойства. Это обусловлено возникновением переходных процессов в порах мёрзлой породы - при любом повышении температуры часть воды переходит из твёрдой фазы в жидкую, нарушая структуру буримых пород, что приводит к усложнению процесса очистки скважины и бурения в целом. Бурение шарошечными долотами в таких условиях оказывается низкоэффективным.

Это определяет проблему исследований, видимую в необходимости разработки принципиально новой технологии бурения скважин, выборе и обосновании параметров специальных исполнителъ-

ных органов и технических средств бурения скважин в условиях кимберлитовых месторождений.

Исходя из состояния изученности проблемы, сформулированы цели и задачи исследований диссертации:

- анализ горно-геологических и геомеханических особенностей залегания кимберлитовых месторождений Якутии;

- исследование специфики воздействия бурового инструмента на сложно-структурный мёрзлый забой;

- исследование условий движения разрушенных мёрзлых пород в затруб-ном пространстве;

- обоснование параметров новой технологии бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии.

Во второй главе рассмотрены вопросы закономерностей процесса разрушения мёрзлых и вязких пород.

Эффективность работы режущего бурового долота зависит от свойств породы, режима бурения и параметров долота. К параметрам долота, которые оказывают влияние на процесс бурения, относятся геометрия инструмента, сетка резания, размеры и форма корпуса.

Геометрия инструмента определяет эффективность воздействия долота на породу. В долотах со сменными резцами речь идёт о геометрии резцов, длине линии контакта с забоем, размещении резцов в корпусе по диаметру скважины и по высоте долота. Характерными геометрическими параметрами резца (рис. 1) являются передний а, задний /углы и вылет р режущей кромки. Длина линии контакта резцов с забоем и их расположение в корпусе связаны с выбором сетки резания.

Сетка резания определяет схему обработки забоя как по его площади, так и по высоте. Она характеризуется количеством и взаимным расположением резцов и линий резания.

Размеры и форма корпуса влияют на прочность долота и эффективность очистки призабойной зоны от продуктов разрушения. Размеры корпуса по диаметру определяют степень перекрытия скважины инструментом, которая характеризуется коэффициентом перекрытия к = ¿УУ, где и 5 - площади поперечного сечения инструмента и скважины. С увеличением коэффициента перекрытия уменьшается площадь Б„рт проходных окон призабойной зоны, по которым буровая мелочь удаляется из забоя. Площадь Бпрш проходных окон призабойной зоны должна приниматься из условия примерного равенства расходов воздуха Р„р на очистку призабойной зоны и на транспортирование буровой мелочи по затрубному пространству.

При бурении скважин с продувкой высота долота как параметр может не ограничиваться. Форма же корпуса влияет на величину сопротивлений движению буровой мелочи. Ширина продувочных окон долота должна приниматься максимально возможной. Форма корпуса и расположение резцов в долоте должны обеспечивать минимальные аэродинамические сопротивления, исключать вихревые движения воздуха и возникновение встречных потоков, обеспечивать хороший обдув забоя и беспрепятственность движения продуктов разрушения в затрубное пространство. В целях уменьшения сопротивлений движению воздушного потока целесообразно принимать лучевое расположение резцов.

Принципиальное значение имеет правильный выбор диаметра Дд продувочного отверстия долота. С уменьшением диаметра продувочного отверстия возрастают потери давления ДРд в долоте, однако это оправдывается повышением скорости истечения воздуха Уист и эффективности очистки призабойной зоны от буровой мелочи.

Изложенные принципы выбора параметров режущего бурового долота положены в основу при разработке конструкций нового режущего бурового инструмента.

Стремление к повышению эффективности бурения и расширению области применения режущего бурового инструмента, привело к реализации идеи использования в режущих долотах сменных резцов. В работе предложены конструкции режущих долот с использованием сменных серийных резцов с конической державкой (рис. 1).

Рис. 1. Режущие долота для бурения с продувкой:

а - ЗРД 244,5; в - РД 269,9; б и г - сетки резания

Для режущего долота большое значение имеет правильный выбор величины вылета р режущей кромки. Он влияет на вписываемость резца в прорезаемую им канавку. Если резец не вписывается в канавку, то во взаимодействии с забоем принимает участие весь корпус резца, что вызывает увеличение сил трения резца о породу и снижение эффективности разрушения забоя. Это, в свою очередь, обуславливает снижение скорости бурения и быстрый выход резца из строя. В специальных резцах для режущих долот нужно принимать такой рациональный вылет рр, при котором обеспечивается наилучшая вписываемость резца в прорезаемую канавку (см. рис. 2, в).

Задний угол у режущей кромки резца должен приниматься таким, чтобы обеспечивалось вписывание резца по задней грани. Угол внедрения резца в породу У] определяется соотношением скоростей подачи У„ и резания Ур=2кЯп.

ЧУ,

V.,

п _ п

2 кКп

Рис. 2. Влияние вылета режущей кромки на вписываемость резца:

а - РК-8Б; б - ШБМ2с-1-1-04; в - РБ-1э; г - И-90В

Нормальная работа долота обеспечивается, если задний угол режущей кромки у>уь В табл. 1 приведены значения угла внедрения // в зависимости от радиуса вращения Я и скорости подачи У„. При этом частота вращения п принята равной 100 мин"1.

Величина угла внедрения у1

Таблица 1

Скорость Радиус вращения Я, мм

подачи У„, м/мин 10 15 20 50 100 200

0,5 4°30' 3° 2° 15' 54' 27' 13'

1,0 9° 6° 4°30' 1°50' 55' 27'

1,5 13°30' 9° 6°45' 2°45' 1°20' 40'

2,0 17°40' 12° 9° 3°40' 1°55' 1°

Изложенные принципы явились основой разработки параметрического ряда буровых долот режущего типа диаметром 160280 мм, обеспечивающих создание оптимальных условий разрушения породы на забое в соответствии с требованиями технологического процесса (табл. 2).

В настоящее время организован выпуск режущих долот с продувкой РД-160ШП, ЗРД-215,9 и ЗРД-244,5.

Исследованиями доказано, что долота со сменными резцами, работающие в статическом режиме резания с пневмотранспортированием буровой мелочи, обеспечивают наибольший эффект в условиях разрушения мёрзлых пород. Резцы режущего долота внедряются в породу под действием статической нагрузки и при вращении срезают стружку, что сопровождается периодическим эффектом скола породы. При этом основная часть разрушенной породы отделяется от забоя в результате скалывания. Скалывание является наименее энергоёмким способом разрушения. Особенно это эффективно при бурении вязких, глиносо-держащих пород.

В третьей главе излагаются результаты исследований процесса транспортирования разрушенной породы с забоя скважины и в затрубном пространстве.

Процесс бурения скважины включает в себя две последовательные операции - разрушение породы на забое и удаление продуктов разрушения из при-забойной зоны и затрубного пространства скважины. При этом эффективность удаления буровой мелочи из скважины должна соответствовать интенсивности её образования на забое.

Для расчёта потребного на транспортирование буровой мелочи расхода воздуха и определения производительности компрессора необходимо установить основные характеристики движения потока буровой мелочи. Частица буровой мелочи, находящаяся в восходящем воздушном потоке, испытывает на себе подъёмную силу струи воздуха, величина которой зависит от скорости потока V (скорости обтекания), плотности струи, размеров частицы и её формы. Для перехода частицы буровой мелочи во взвешенное состояние, необходимо, чтобы подъёмная сила струи достигла величины веса частицы. Это происходит при достижении воздухом так называемой критической скорости движения Укр. С увеличением диаметра частицы снижается эффективность передачи энергии от потока воздуха и переход частицы во взвешенное состояние происходит при большой критической скорости движения воздуха. При этом каждому классу крупности буровой мелочи соответствует своя величина критической скорости движения воздуха Укр,

Таблица 2

Параметрический ряд долот режущего типа

Параметры ТИПЫ долот

РД-160ШП 1РД-190 1РД-215.9 ЗРД-215,9 РД-243 1РД-244.5 2РД-244.5 ЗРД-244,5 4РД-244.5 5РД-244.5 РД-244.5И РД-269.9Э РД-269,9 1 РД-269,9 РД-280

Диаметр буримой скважины, мм 160 190 216 216 243 245 245 245 245 245 245 270 270 270 280

Расположение резцов по диаметру 4s лучевое 4! лучевое 4* лучевое 45 лучевое 4*лучевое 4s лучевое 2s лучевое 45 лучевое 35 лучевое 45 лучевое 45 лучевое 35 лучевое За лучевое 4* лучевое 45 лучевое

Тип резцов ШБМ1С И-902 РК-8Б РК-8Б РК-8Б РК-8Б Лопасть РК8Б ШБМ2С РК8Б И-90В ШБМ-2С ИБМ2С ШБМ2С РБ-1Э

Чспотшйрезаня 5 6 7 6 7 7 8 7 8 8 7 7 8 9

Число резцов 6 8 8 8 8 8 10 8 10 9 8 9 10 10

Скорость бурения, м/мин: механическая Д01,5 ДО 1,2 ДО 1,2 до 2,5 до 1,5 ДО 1,2 Д01,5 ДО 1,5 до 2,0 ДО 2,0 До 2,0 Д01,05 до 1,5 Д01,5 Д01,5

техническая ДО 0,6 ДО 0,7 до 0,7 до 1,5 до 0,6 ДО 0,7 до 0,9 до 0,9 Д01,2 до 1,0 До 1,2 ДО 0,47 ДО 0,9 ДО 0,9 ДО 0,9

Крепость пород по шкале проф. М.М. Про-тцдьяконова, Г ДО 6 ДО 7 до 7 ДО 7 ДО 7 ДО 7 ДО 4 ДО 7 ДО 7 до 7 до 7 До 7 ДО 7 ДО 7 до 7

Стойкость корпуса долота, м До 1500 до 3000 до 3000 до 3000 до 2000 до 3000 до 2000 до 3000 до 2000 до 2500 до 3000 до 3000 до 2000 до 3000 до 3000

0,03 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,035 0,032 0,035 0,03

СОшьершиЕрьим высота 156 276 290 222 275 275 224 270 244 270 320 267 242 264 222

толщина (диаметр поюрпусу) 154 275 210 204 230 234 180 238 234 240 232 260 260 260 269

ширина (дламетр га резцам) 160 200 216 216 243 245 245 245 245 245 245 270 270 270 280

Масса 12 18 22 15 25 29 18 21 19 28 21 25 30

Перемещение потока буровой мелочи по затрубному пространству обеспечивается вследствие наличия перепада давления воздуха у устья и забоя скважины.

Перепад давления в скважине АР зависит от интенсивности образования буровой мелочи и глубины бурения и по опытным данным находится в пределах 0,01-Ю,04 МПа.

Движение потока буровой мелочи в скважине является стеснённым. Стеснённость определяется ограниченной площадью сечения призабойного и затрубного пространств и концентрацией частиц в потоке воздуха, которая может быть охарактеризована коэффициентом объёмной концентрации:

5 =

где Ум- объем образующейся буровой мелочи;

V,, - объем потока, который буровая мелочь занимает.

Наблюдения показывают, что при движении частиц в стеснённых условиях переход их во взвешенное состояние происходит при меньшей критической скорости движения воздуха.

Влияние стеснённости на движение частиц изучалось многими исследователями и для определения коэффициента стеснённости Кс предложен ряд эмпирических зависимостей. Наибольшее соответствие экспериментальным данным даёт зависимость, отражающая связь коэффициента стеснённости с концентрацией частиц в потоке, в виде:

Кс = (7-5)2.

Для нормальной работы пневмотранспортной системы станка необходимо, чтобы 5 < Бкр. Установлено, что транспортирование происходит успешно при 5 до 0,01. Поэтому можно считать, что надёжная очистка скважины от буровой мелочи будет обеспечиваться при величине коэффициента объёмной концентрации 5 < 0,01.

С целью транспортирования частицы воздуху необходимо придать дополнительную, избыточную скорость Уизб, величина которой должна быть такой, чтобы обеспечивалось своевременное удаление буровой мелочи из зоны её образования и затрубного пространства.

Определять теоретически величину необходимой избыточной скорости затруднительно. Применительно к режущему буровому инструменту можно считать, что величина избыточной скорости связана со скоростью стружкооб-разования на максимальном радиусе вращения. Если представить, что стружка, снимаемая резцом, является сливной, то скорость подъёма её вверх по передней грани резца будет равняться линейной скорости движения резца. Избыточная

скорость воздуха должна быть не менее этой скорости. В соответствии с этим избыточная скорость воздуха принята равной линейной скорости на резцах УШб = л-й-п, т.е. максимальной скорости стружкообразования. Здесь Б - диаметр бурения; п - частота вращения долота. С учётом уменьшения скорости за счёт сжатия воздуха:

Уизб = У изб (Ро + АР)1Р0 = У'иэб (1 + 10 АР) = тс-Ип (1 + 10 АР).

Зависимость избыточной скорости воздуха от диаметра бурения и частоты вращения можно сохранить и при других типах долот, в том числе шарошечных.

Избыточная скорость воздуха является расчётной для определения общего расхода воздуха при транспортировании буровой мелочи по затрубному пространству и распространяется на частицы всех размеров.

Полученные характеристики движения потока буровой мелочи являются основой для расчёта необходимого для продувки скважины расхода воздуха с целью эффективной очистки её от образующейся буровой мелочи и определения необходимых параметров компрессорной установки станка.

Качественная очистка забоя скважины зависит от теплового баланса системы, поскольку при разрушении забоя и трении инструмента выделяется тепло, вызывающее оттайку и налипание на инструмент буровой мелочи. Тепло, образующееся при разрушении забоя, поглощается буровой мелочью и инструментом, нарушая условия выноса продуктов разрушения, дестабилизируя процесс бурения.

Мощность подводимая к забою скважины и реализуемая при разрушении, складывается из мощностей: И0, затрачиваемой на образование новых поверхностей, N-¡[> - преодоление сил трения при работе долота, Щ - на упругие деформации и Ыф - на физические эффекты. При инженерных расчётах затратами мощности на упругие деформации и физические эффекты можно пренебречь и считать, что N = Ы0 + МТР. Нагрев частиц буровой мелочи будет происходить только за счёт работы, совершаемой при разрушении породы и образовании новых поверхностей, а нагрев бурового инструмента - за счёт работы, затрачиваемой на преодоление сил трения долота о породу и трения в опорах шарошек. Отдельное влияние имеет передача теплоты от продувочного потока сжатого воздуха, поступающего на очистку скважины.

При разрушении забоя выделяется тепло, которое распределяется между буровым инструментом <2' и частицами буровой мелочи О," Оно влияет на температуру продувочного воздуха, вызывая оттайку породы:

е = & +

Для исключения оттайки буровой мелочи необходимо поддерживать температурный режим на забое скважины на уровне О °С. Это может быть достигнуто подачей на забой продувочного воздуха с отрицательным значением температуры:

о, = 1000-Ы-К1 -/д1-( рпСп- V/1 • а/1, где N - подведённая мощность к забою скважины, кВт; К] - коэффициент, учитывающий потери тепла; /д - площадь долота, м2; р„ - плотность пород, кг/м3; Сл-удельная теплоёмкость пород, Дж/(кг °С); V- механическая скорость бурения, м/с; «/ - коэффициент теплообмена между долотом и продувочным воздухом, Вт/(м2'°С).

Наиболее простым и эффективным является охлаждение воздуха путём его теплообмена его с атмосферным воздухом, что в условиях карьеров Якутии может быть обеспечено на протяжении большей части года. Для поддержания требуемого температурного режима в процессе бурения скважин разработаны батарейные и радиаторные охладители с учётом требуемых параметров тепло-обменных процессов. Температура воздуха на выходе из теплообменника должна поддерживаться на уровне:

¿2 = I'1 - К^^нарНСЬСР) где г'/ - температура потока сжатого воздуха на входе в теплообменник, °С; К4 -коэффициент теплопередачи; Рн - наружная площадь теплообмена, м2; гш - средняя температура воздуха внутри труб теплообменника; ГНЛР - средняя температура наружного воздуха; С - массовый расход воздуха; СР - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг °С).

На этих принципах разработаны специальные конструкции охлаждающих устройств, промышленные испытания которых дали положительные результаты.

В четвертой главе обобщены результаты исследований и приведены итоги промышленных испытаний предлагаемых решений.

Решение вопросов ресурсосбережения при бурении взрывных скважин на алмазорудных карьерах АК "АЛРОСА" обеспечивается реализацией комплекса научно-технических мероприятий, заключающихся в разработке: принципов выбора и расчёта параметров буровых долот; конструкций режущих долот с

продувкой скважин сжатым воздухом; конструкций комбинированных режуще-шарошечных долот; параметрического ряда режущих и комбинированных долот; устройств для нормализации температурного режима бурения скважин; инженерной методики бурения скважин.

Режущие долота для бурения с продувкой на сегодня единственный инструмент, способный решить в АК "АЛРОСА" проблему бурения верхних горизонтов при вскрытии, реконструкции или разноске бортов карьера. Подобная проблема возникла при отработке трубки "Юбилейная" Айхальского ГОКа, когда столкнулись со значительными таликовыми зонами, распространяющимися до 300 м по всему рудному телу, где обычными шарошечными долотами бурили лишь 1-2 скважины в смену.

Для бурения скважин диаметра до 160 мм станками со шнеко-пневматическим удалением буровой мелочи (СБР, БТС) разработано и нашло широкое применение на карьерах Мирнинского и Нюрбинского ГОКов АК "АЛРОСА" режущее долото 1РД-160ШП. При бурении станком БТС-150 в условиях карьера Нюрбинского ГОКа эти долота показали проходку на долото в 1,5 раза, а техническую скорость бурения - в 1,3 раза более высокую по сравнению с используемыми на карьере долотами РК 160-3. Для бурения с продувкой скважин на россыпных месторождениях применялись также долота ЗРД-215,9 на станках 6СБШ-200/32 и БМ-45НР. Нюрбинский ГОК ежегодно наращивает потребление режущих долот ЗРД-244,5. Перспективы их применения увеличиваются с началом разработки новых алмазорудных месторождений.

На карьере "Юбилейный" АК "АЛРОСА" режущие долота типа РД на 215,9 и 244,5 мм с очисткой скважины сжатым воздухом применяются с 1988 г. и до настоящего времени. Использование их позволило увеличить сменную производительность станков в 2,2 раза и снизить расход буровых долот в 2СК40 раз. При этом снижаются запылённость атмосферы при выдаче бурового шлама и вибрация в кабине бурового станка.

При разработке трубки "Интернациональная" и разноске бортов трубки "Мир" столкнулись ещё с одной трудностью - переслаиванием пород по крепости. Поскольку каждый тип шарошечных долот предназначен для определённого, довольно узкого диапазона крепости пород, шарошечные долота не обеспечивали эффективного бурения основной массы пород. Для данных условий были разработаны и на карьерах "Мир" и "Интернациональный" испытаны комбинированные режуще-шарошечные долота типа РШД.

Комбинированные долота РШД-215,9, РШД-244,5 и РШД-244,5ТЗ прошли широкую промышленную проверку на различных горнодобывающих предприятиях, в том числе на карьерах Мирнинского ГОКа. При этом установлено, что в диапазоне изменения коэффициента крепости от 4 до 12 скорость

бурения комбинированными долотами в 1,5+2 раза выше, а энергоёмкость процесса бурения в 2+2,5 раза ниже, чем шарошечными.

На основании расчётов теплообменных процессов в скважине для охлаждения продувочного воздуха разработаны специальные холодильные установки батарейного и радиаторного типов. Они были изготовлены и испытаны в условиях Айхальского ГОКа АК "АЛРОСА". Применение их обеспечило устойчивое снижение температуры на выходе из долота до минус 4+6 °С и сокращение случаев нарушения режимов очистки скважин от буровой мелочи. В процессе испытаний было установлено, что производительность станков СБШ-250 МНА при этом увеличивается в среднем в 1,5 раза, а расход долот сокращается в 1,3 раза. Стоимость бурения скважины снижается в 1,4 раза.

На основании анализа условий и накопленного опыта бурения на алма-зорудных карьерах Якутии разработана инженерная методика новой технологии бурения скважин, утверждённая руководством Мирнинского ГОКа и ИрГТУ. Инженерная методика включает в себя ресурсосберегающие технологии бурения скважин на карьерах, описанные выше. Она широко апробирована и внедрена на карьерах Айхальского, Мирнинского и Нюрбинского ГОКов.

Комплексное использование предложенных технических решений позволит усовершенствовать условия труда, интенсифицировать проходку взрывных скважин и улучшить технико-экономические показатели добычи алмазосодержащего сырья в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно - квалификационную работу, в которой предлагается новое техническое решение актуальной задачи - обоснования параметров технологии процесса бурения скважин в условиях мёрзлых сложноструктурных породных массивов кимберлитовых месторождений Якутии, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные научные и практические результаты работы, полученные лично соискателем, состоят в следующем:

1. Выявлены закономерности технологии бурения взрывных скважин и выдачи продуктов разрушения из затрубного пространства в условиях карьеров кимберлитовых месторождений АК "АЛРОСА".

2. Разработана конструкция режущего инструмента со сменными резцами серийного производства для бурения мёрзлых пород в режиме крупного скола.

3. Разработана конструкция режуще-шарошечных долот для бурения взрывных скважин в условиях перемежающихся по крепости пород.

4. Разработан типоразмерный ряд режущего и режуще-шарошечного инструмента в соответствии с требованиями ведения буровзрывных работ на карьерах АК "AJIPOCA".

5. Доказано, что поддержание необходимого размера затрубного пространства для равномерной выдачи продуктов разрушения должно обеспечиваться охлаждением воздуха, подаваемого для очистки скважины.

6. Разработаны и практически реализованы специальные устройства для охлаждения забоя скважины.

7. Разработана инженерная методика и доказана эффективность специальной технологии бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров Якутии исполнительными органами принципиально нового типа.

8. Режущие буровые долота нашли промышленное применение на карьерах Мирнинского, Айхальского и Нюрбинского ГОКов АК "AJIPOCA" и работают с высокой эффективностью.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

- в изданиях перечня, рекомендуемого ВАК РФ:

1. Дойников Ю.А. Совершенствование исполнительных органов буровых станков в условиях карьеров АК "АЛРОСА" / Ю.А. Дойников // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 4. - С. 77-80.

2. Дойников Ю.А. Ресурсосберегающие технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев // Горный журнал. - 2012. - № 4. - С. 42-44.

3. Дойников Ю.А. Алгоритм обработки экспериментальной информации стационарного случайного процесса / А.Е. Беляев, Ю.А. Дойников // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. - 2011. - № 12. - С. 89-92.

4. Дойников Ю.А. Стабилизация процесса бурения мёрзлых пород оптимизацией температурного режима очистки скважины от буровой мелочи / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин // Изв. ВУЗов. Горный журнал. - 2010. - № 5. - С. 61-67.

5. Дойников Ю.А. Разработка параметрического ряда буровых долот режущего и комбинированного типов / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев, Н.Н. Страбыкин // Горное оборудование и электромеханика. - 2010. -№ 1.-С. 37-41.

6. Дойников Ю.А. Обоснование оптимальных параметров пневмотранспор-тирования продуктов разрушения при бурении скважин с очисткой сжатым воздухом / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев // Вест. Чит. гос ун-та. -2010.-№ 1.-С. 11-16.

7. Дойников Ю.А. Совершенствование технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев,

H.H. Страбыкин // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. -№ 6. - С. 54-56.

8. Дойников Ю.А. Опыт применения режущих долот с продувкой скважин / Ю.А. Дойников, С.С. Лаврентьев, С.Г. Киртянов // Горный журнал. -1995,-№2.-С. 33-36.

- в научных изданиях и сборниках трудов:

9. Дойников Ю.А. Условия и специфика бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии / Ю.А. Дойников, А.Е. Беляев // Сб. научн. тр. научно-техн. конф. - Новочеркасск: Изд-во НПИ. - 1999. - С. 63-68.

10. Дойников Ю.А. Геометрические параметры режущих долот со сменными резцами. / Ю.А. Дойников, В.А. Перетолчин, А.Е. Беляев // Рациональное природопользование при освоении ресурсов Сибирского региона. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 1998. - С. 69-76.

11. Дойников Ю.А. Опыт применения эмульсионных взрывчатых веществ на карьере «Юбилейный» Айхальского ГОКа / Ю.А. Дойников, В.Ф. Косты-рин, A.A. Юркевич, В.В. Забула // Сб. Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений. - М.: Издательский дом «Руда и металлы». - 2002. - С.75-80.

Подписано в печать 26.05.2012. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 14,25. Тираж 50 экз. Зак. 153. Поз. плана 34.

^а^7" Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001

Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Введение.

1. Состояние буровзрывных работ на карьерах АК «АЛРОСА». Проблемы. Цели и задачи исследований.

1.1. Современное состояние буровзрывных работ на карьерах АК «АЛРОСА».

1.2. Условия и специфика бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии.

1.3. Обзор и анализ исследований температурного режима скважины при бурении мерзлых влагосодержащих пород.

1.4. Обзор и анализ исследований по созданию нового бурового инструмента для условий алмазорудных карьеров Якутии.

1.5. Цели и задачи исследований.

2. Условия разрушения мерзлых сложноструктурных пород. Выбор и обоснование рационального типа бурового инструмента.

2.1. Научно-технические предпосылки создания и принципы выбора параметров режущего бурового долота.

2.2. Анализ влияния силовых параметров и свойств породных массивов на работу режущих долот в условиях алмазорудных месторождений Якутии.

2.3. Выбор и обоснование параметров сменных резцов режущих Долот.

2.4. Обоснование параметров сетки резания бурового долота.

Выводы.

3. Исследование процесса транспортирования мерзлых пород в затрубном пространстве. Поиск способов и средств, стабилизирующих процесс очистки скважин.

3.1. Анализ буримости мерзлых, влагосодержащих вязких пород алмазорудных карьеров.

3.2. Обоснование оптимальных параметров пневмотранспортирования продуктов разрушения при бурении скважин с очисткой сжатым Воздухом.

3.3. Рабочая модель теплообменных процессов в призабойной зоне скважины.

3.4. Нормализация температурного режима призабойной зоны скважины.

3.5. Выбор параметров и разработка конструкций охлаждающих устройств для нормализации процесса бурения мерзлых пород.

Выводы.

4. Ресурсосберегающие технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях Якутии. Реализация результатов исследований.

4.1. Основные направления повышения эффективности технологии бурения взрывных скважин в многолетнемерзлых сложноструктурных породных массивах кимберлитовых месторождений Якутии.

4.2. Производственные испытания технических устройств, нормализующих температурный режим бурения скважин.

4.3. Исследования работы комбинированных долот в условиях алмазорудных карьеров Якутии.

4.4. Промышленная эксплуатация режущих долот для бурения с продувкой на карьерах АК «АЛРОСА».

4.5. Влияние технологии бурения кимберлитов режущими долотами на сохранность кристаллов алмазов.

Горно-геологические условия эксплуатации оборудования определяют направления разработки высокоэффективных технологий на всех этапах горного производства. Многолетняя мерзлота и сложноструктурное строение вскрышных породных массивов характерны для алмазорудных месторождений Якутии, где температура в зимние месяцы достигает - 50°С, а средняя годовая - не превышает минус 10-15°С. Это предопределяет весьма неблагоприятные условия бурения, обслуживания станка и работы смежных механизмов горного производства.

Технология бурения - это реализация в конкретных условиях процесса разрушения породы на забое скважины и транспортирования продуктов разрушения при соответствующем сочетании свойств массива, конструктивных параметрах исполнительного органа и режимных параметрах работы. Требования к технологии бурения скважин вытекают из специфических особенностей месторождений.

Специфика бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров обусловлена: сложностью строения уступов и неоднородностью пород, низкими температурами, наличием многолетней мерзлоты, высокой обводненностью пород и наличием илисто-глинистых отложений. Сложное строение уступов затрудняет выбор параметров бурового инструмента, снижает эффективность разрушения породы на забое скважины и приводит к ухудшению показателей бурения.

Бурение скважин на алмазорудных карьерах Севера является одной из основных и трудоемких технологических операций. Расходы на бурение в себестоимости добычи достигают 30%. Буримые породы отличаются весьма специфическими особенностями, которые исключают возможность механического перенесения опыта бурения из других регионов и обусловливают сравнительно низкие технико-экономические показатели проходки скважин. Совершенствование технологии бурения в сложноструктурных многолетнемерзлых породах кимберлитовых месторождений Якутии является важной задачей повышения эффективности добычи алмазорудного сырья.

Разработка принципиально новых технических решений позволит усовершенствовать условия труда, интенсифицировать проходку взрывных скважин и улучшить технико-экономические показатели добычи алмазосодержащего сырья в целом. Решению этой актуальной научно-технической задачи и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы заключается в обосновании способов интенсивной проходки скважин в условиях мерзлых сложноструктурных пород кимберлитовых месторождений Якутии.

Идея работы основывается на принципе разрушения пород крупным сколом режущим и комбинированным буровым инструментом при поддержании температурного баланса в затрубном пространстве, обеспечивающего стабильную транспортировку продуктов разрушения из скважины сжатым взздухом.

Научные положения диссертации

1. Технология бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии определяется необходимостью контроля температурного баланса на забое скважины и выбора, в зависимости от этого, рационального режима бурения и типа породоразрушающего инструмента.

2. Разрушение мерзлых пород в условиях кимберлитовых карьеров Севера наиболее эффективно режущим и режуще-шарошечным буровым инструментом. Определены конструктивные параметры и обоснован параметрический ряд рекомендуемых долот.

3. Технология бурения скважин в условиях многолетнемерзлых сложноструктурных пород обеспечивается применением долот со сменными резцами, работающими в режиме крупного скола, при охлаждении сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины, специальными техническими средствами.

Методы исследований. В работе использованы комплексные методы исследований, включающие анализ и обобщение ранее выполненных работ по разрушению мерзлых пород и транспортированию продуктов разрушения из скважины; изучение напряженного деформационного состояния массива на забое скважины и влияние на процесс бурения конструктивных параметров буровых долот. Все решения и рекомендации исследований подтверждены положительными результатами представительных производственных испытаний и широкого промышленного применения разработанных конструкций буровых долот.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены комплексным подходом к оценке исследований с погрешностью результатов работы не более 20 %. Исследования и рекомендации работы подтверждены широкими промышленными экспериментами, выполненных непосредственно в условиях карьеров АК «АЛРОСА», и промышленным использованием разработанных конструкций режущих буровых долот.

Научная новизна результатов исследований: теоретически обоснованы основные принципы технологии разрушения мерзлых сложноструктурных пород крупным сколом режущими и режуще-шарошечными буровыми долотами;

- установлено, что производительность бурения взрывных скважин в условиях мерзлых кимберлитовых месторождений зависит от величины затрубного пространства, определяемого типоразмером бурового инструмента и поддержанием необходимого температурного баланса на забое скважины;

- разработаны способы регулирования и стабилизации процесса очистки забоя скважины оптимизацией температурного режима путем охлаждения сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины от продуктов разрушения;

- теоретически обоснованы конструктивные параметры рабочих органов режущих и комбинированных долот для бурения мерзлых пород сложного структурного строения.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке:

- инженерной методики технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии;

- параметрического ряда режущих и комбинированных долот в диапазоне скважин, применяемых на карьерах АК «АЛРОСА»;

- технологии изготовления режущих буровых долот на основе применения стандартных сменных режущих элементов;

- технических устройств для охлаждения продувочного агента и стабилизации температурного режима очистки скважины от буровой мелочи.

Реализация результатов работы:

- апробирована и практически реализована принципиально новая технология бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии;

- апробирован способ стабилизации бурения мерзлых пород применением охладительных установок на станках шарошечного бурения.

В настоящее время на карьерах АК «АЛРОСА» в промышленных масштабах используются разработанные конструкции буровых режущих долот типа РД-160ШП, РД-215,9 и РД-244,5, обеспечивающие значительный технико-экономический эффект.

Личный вклад автора. Основные результаты рассматриваемой работы и их реализация выполнены при непосредственном участии и руководстве соискателя. Автор диссертации, работая старшим мастером буровзрывного участка карьера «Удачный», занимался совершенствованием буровых работ. В должности начальника карьера «Юбилейный», а затем директора Айхальского и Мирнинского ГОКов, непосредственно участвовал в планировании, постановке и проведении исследований и промышленных экспериментов, направленных на разработку и реализацию различных типов режущих и режуще-шарошечных буровых долот; при его участии разработаны способы и средства охлаждения скважин, обоснованы основные положения технологии бурения скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии, о чем свидетельствуют акты реализации основных положений работы. В последующем автор участвовал в ходе проведения исследований и практической реализации их результатов, что подтверждается широкой публикацией работ автора в периодической печати и актами внедрения результатов исследований.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и получили одобрение на: Международной научно-практической конференции "Мирный-2001" (г. Мирный, 2001 г.); Международном совещании "Современные методы оценки технологических свойств труднообогатимого и нетрадиционного минерального сырья благородных металлов и алмазов и прогрессивные технологии их обработки" (Иркутск, 2004 г.); Конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2005 г.); Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитзоны" (г. Якутск, 2005 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 148 страниц текста, в том числе 9 таблиц и 17 иллюстраций, списка литературы из 83 наименований и 8 приложений на 20 страницах.

Выводы

1. С достаточной точностью для инженерных расчетов можно принять, что вся энергия при бурении скважины расходуется на образование новых поверхностей и преодоление сил трения. При этом количество тепла, поглощаемое буровым инструментом, соответствует затратам мощности на преодоление сил трения, а тепло, поглощаемое буровой мелочью, - затратам мощности на образование новых поверхностей.

2. На температурный режим долота наибольшее влияние оказывают подводимая забойная мощность, площадь теплообмена долота и коэффициент теплообмена между долотом и продувочным воздухом С увеличением расхода сжатого воздуха, при неизменных параметрах долота и размера затрубного пространства, интенсивность теплообмена увеличивается.

3. На нормализацию температурного режима призабойной зоны решающее влияние оказывает температура продуктов разрушения. Расчеты показывают, что охладить долото до температуры, близкой к нулю, практически невозможно. Однако при отсутствии теплообмена между долотом и буровой мелочью и при использовании специальных охладителей можно обеспечить температуру продуктов разрушения, близкую к их агрегатному состоянию.

4. При механическом разрушении пород на забое скважины происходит оттайка продуктов разрушения. Численное значение конечной температуры продуктов разрушения при неизменных параметрах бурового инструмента зависит от подведенной забойной мощности, скорости бурения, физических и теплофизических свойств пород. Причем, тип долота оказывает существенное влияние на конечную температуру продуктов разрушения.

5. Повышение температуры продуктов разрушения в призабойной зоне происходит за счет энергии, затрачиваемой на образование новых поверхностей и теплообмена с продувочным воздухом. Причем, вероятность оттаивания частиц резко снижается с увеличением их крупности. Расчеты показывают, что для нормализации температурного режима буровой мелочи необходимо охлаждать воздух до температуры минус 3 °С.

6. Лабораторные исследования подтвердили правильность принятой модели теплообменных процессов в призабойной зоне. Установлено, что на нагрев инструмента затрачивается примерно 20 % подводимой забойной мощности. Подтверждено, что при объемном разрушении породы на забое скважины не происходит нагрева породы впереди забоя.

7. Для стабилизации температурного режима в призабойной зоне разработаны батарейные и радиаторные охладители, параметры которых выбраны с учетом происходящих теплообменных процессов. Расчеты показывают, что применение таких теплообменников позволяет снизить температуру продувочного воздуха до минус 8-15 °С при температуре атмосферы минус 18-35 °С.

8. Бурение вязких глиносодержащих пород повышенной влажности рационально осуществлять режущими долотами с продувкой. Разработанные конструкции режущих долот типов РД-215,9, РД-269,9 обеспечивают снижение удельного количества выделяемого на забое тепла (кДж/м) в 2,2 - 2,8 раза и позволяют практически исключить случаи нарушения режима очистки скважины от продуктов разрушения.

4. Ресурсосберегающие технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях Якутии. Реализация результатов исследований

4.1. Основные направления повышения эффективности технологии бурения взрывных скважин в многолетнемерзлых сложноструктурных породных массивах кимберлитовых месторождений Якутии

Анализ свойств пород и опыта бурения скважин позволяют определить основные направления разработки ресурсосберегающих технологий буровых работ на алмазорудных карьерах: использование специальных исполнительных органов для бурения многолетнемерзлых сложноструктурных пород алмазорудных месторождений [3]; стабилизация температурного режима скважины и разработка устройств и способов, предотвращающих оттайку буровой мелочи [70, 71]; приведение типа и параметров бурового инструмента в соответствие со свойствами буримых пород алмазорудных карьеров [53]. Сюда же можно отнести приведение технических параметров буровых станков в соответствие с климатическими и специфическими технологическими условиями бурения. Климатические условия работы станков предопределяют повышенные требования к эксплуатационной надежности узлов и механизмов. Технологические особенности бурения скважин накладывают ограничения на выбор вращательно-подающего механизма станка и параметры системы очистки скважины [52].

Решение вопросов ресурсосбережения при бурении взрывных скважин совершенствованием исполнительных органов буровых станков на алмазорудных карьерах АК «AJIPOCA» состоит в реализации комплекса научно-технических мероприятий, заключающихся в разработке: методики расчета и выбора параметров системы пневмотранспортирования буровой мелочи из скважины [52]; способов повышения стойкости шарошечных долот [71, 73]; принципов выбора и расчета параметров буровых долот [68]; конструкций режущих долот с продувкой скважин сжатым воздухом [6, 37]; конструкций комбинированных режуще-шарошечных долот [74]; параметрического ряда режущих и комбинированных долот [53]; устройств для нормализации температурного режима бурения скважин [70, 71]; инженерной методики бурения скважин на алмазодобывающих карьерах республики Саха (Якутия) [1, 2, 3].

4.2.Производственные испытания технических устройств, нормализующих температурный режим бурения скважин

Идея стабилизации температурного режима буровой мелочи заключается в охлаждении воздуха, подаваемого на продувку, до такой отрицательной температуры, при которой он может нейтрализовать тепло, выделяемое на забое, и предотвратить растепление наиболее мелких частиц буровой мелочи. Согласно теоретическим исследованиям, температура продувочного воздуха должна быть не менее минус 3°. Поскольку бурение, как правило, производится в зимнее время, то можно снизить температуру сжатого воздуха до отрицательных значений за счет теплообмена с атмосферным воздухом с помощью установок охлаждения сжатого воздуха батарейного и радиаторного типов [69].

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при использовании установки охлаждения воздуха удается понизить его температуру до отрицательных значений и обеспечить нормализацию температурного режима скважины в процессе бурения. Это подтверждается результатами испытаний на карьере «Новинка» АК «АЛРОСА» (табл. 4.1). Частицы продуктов разрушения удалялись из скважины интенсивно, без признаков оттайки. Наблюдался вынос из скважины мелких частиц льда и льда в виде снежной пыли без нарушения режима продувки. Применение установки для охлаждения продувочного воздуха позволило в 1,5 раза увеличить механическую скорость бурения за счет качественной очистки скважин (см. табл. 4.2). Сравнение расчетных значений температуры воздуха с охлаждением на выходе из долота с фактическими показывает близкую сходимость данных показателей, составляющую по отдельным сериям наблюдений 8-16,6 %, что свидетельствует о правильности выбранных параметров установок охлаждения.

Заключение

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предлагается новое техническое решение октуальной задачи - обоснования параметров технологии процесса бурения скважин в условиях мерзлых сложноструктурных породных массивов кимберлитовых месторождений Якутии, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем

1. Выявлены закономерности технологии бурения взрывных скважин и выдачи продуктов разрушения из затрубного пространства в условиях карьеров кимберлитовых месторождений АК "АЛРОСА".

2. Разработана конструкция режущего инструмента со сменными резцами серийного производства для бурения мерзлых пород в режиме крупного скола.

3. Разработана конструкция режуще-шарошечных долот для бурения взрывных скважин в условиях перемежающихся по крепости пород.

4. Разработан типоразмерный ряд режущего и режуще-шарошечного инструмента в соответствии с требованиями ведения буровзрывных работ на карьерах АК "АЛРОСА".

5. Доказано, что поддержание необходимого размера затрубного пространства для равномерной выдачи продуктов разрушения должно обеспечиваться охлаждением воздуха, подаваемого для очистки скважины.

6. Разработаны и практически реализованы специальные устройства для охлаждения забоя скважины.

7. Разработана инженерная методика и доказана эффективность специальной технологии бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров Якутии исполнительными органами принципиально нового типа.

8. Режущие буровые долота нашли промышленное применение на карьерах Мирнинского, Айхальского и Нюрбинского ГОКов АК "АЛРОСА" и работают с высокой эффективностью.

1. Дойников Ю.А. Совершенствование технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях /Ю.А.Дойников, А.Е Беляев, Н.Н Страбыкин // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 6.-С. 54-56.

2. Дойников Ю.А., Беляев А.Е. Условия и специфика бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии // Сб. научн. тр. научно-техн. конф.-Новочеркасск: Изд-во НПИ. 1999. - С.63-68.

3. Дойников Ю.А. Ресурсосберегающие технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях / Ю.А Дойников, А.Е Беляев // Горный журнал. 2012. - № 4. - С. 52-56.

4. Марамзин A.B., Рязанов A.A. Бурение разведочных скважин в районах распространения многолетнемерзлых пород. М.: Недра.- 1971.-149 с.

5. Кутасов И.М. Термическая характеристика скважин в районах многолетнемерзлых пород. М.: Недра.- 1976. - 120 с.

6. Щербань А.Н., Черняк В.П. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин. М.: Недра.- 1974- 248 с.

7. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. JL: Недра.- 1973. - 168 с.

8. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. М.: Недра.- 1990. - 263 с.

9. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в мерзлых породах. -М.: Недра. 1983.-286 с.

10. Ю.Седов В.Т. Теплообмен при бурении мерзлых пород. JI.-1990. - 127 с.

11. Брагин П.А. Исследования бурения вечномерзлых россыпей станками шарошечного бурения //Бюлл. Колыма, 1980. - № 2.

12. Егупов A.A., Сафроненко А.Я. О выборе рационального типа бурового инструмента и оптимального режима бурения шарошечными станкамина вечномерзлых россыпях // Колыма.- 1975. № 2.- С. 11-14.

13. Егупов A.A. Совершенствование буровзрывных работ при разработке вечномерзлых россыпей // Цветметинформация. М.- 1973. - 60 с.

14. Справочник по бурению на карьерах. / Под общ. ред. Б.А. Симкина. -М.: Недра.- 1981.-269 с.

15. Справочник по бурению на карьерах. / Под общ. ред. Б.А. Симкина. -М.: Недра.- 1981.-269 с.

16. Черняк В.П. Прогноз теплового режима глубокой бурящейся скважины. Нефтяное хозяйство.- 1969. - № 9.- С. 15-19.

17. Фоменко Ф.Н. Электробуры для бурения нефтяных и газовых скважин. -М.: Гостоптехиздат.- 1961.-95 с.

18. Фоминых В.Г. Комбинированное бурение скважин. М.: ЦНИЭИУголь,- 1984. - 17 с.

19. Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко B.C. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. Л.: Недра.-1991.-295 с.

20. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в мерзлых породах. М.: Недра.- 1983.-286 с.

21. Горбунов В.Ф., Белов А.И., Чирьев В.И. Динамика поршневых подающих устройств бурильных машин. ИЗВ. ВУЗов. Горный журнал.-1975. №3,- 83 с.

22. Галкин М.Н. Основы теплообмена. М.: МАТИ.- 1970. - С. 113 - 125.

23. Температурный режим шарошечного долота при бурении с продувкой воздухом. / Б.Б. Кудряшов, О.В. Зорэ, Б.С. Филатов, A.C. Бронзов. -Нефтяное хозяйство.- 1969. №8.-5 с.

24. Тепло-и массообмен. Теплотехнический эксперимент. (Справочник под общей редакцией В.А. Григорьева, В.М. Зорина). М.: Энергоиздат.- 1982. -С. 137-147.

25. Катанов Б.А., Куракулов E.H., Виноградов A.C. Испытание комбинированных режуще-шарошечных долот в условиях разреза

26. Кедровский». В кн.: Механизация горных работ. Кемерово, КузПИ.-1977.-С. 158- 160.

27. Катанов Б.А., Куракулов E.H., Воронов Ю.Б. Комбинированный буровой инструмент для угольных разрезов. В кн.: Механизация горных работ. Кемерово, КузПИ.- 1977. - С. 155 - 158.

28. Катанов Б.А., Куракулов E.H. Комбинированный буровой инструмент станков вращательного бурения. Кемерово.-1977. - 80 с.

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

30. Катанов Б.А., Пиманов А.Г. Новые конструкции бурового инструмента: Сб. научн. тр. / КузПИ . Кемерово.- 1981. - 75 с.

31. Катанов Б.А. Устройства для увеличения износоустойчивости шарошечных долот. Информационный листок. - № 245 - 94. -Кемерово: ЦНТИ.- 1994.

32. Катанов Б.А. Режуще-шарошечные долота, оснащаемые съемными резцами. Информационный листок. - № 213 - 94. - Кемерово: ЦНТИ.-1994.

33. Буткин В.Д. Направления развития бурового оборудования на открытых разработках угольной промышленности // Совершенствование технологии добычи угля открытым способом. Научные сообщения ИГД им. Скочинского. Вып. 176. - М.- 1979. - С. 37 - 46.

34. Буткин В.Д., Полянский В.Ф., Чернецкий О.В. Режущие буровые долота на разрезах. Обзор/ЦНИЭИуголь. - М.- 1981. - 22 с.

35. Буткин В.Д. Новая буровая техника для разрезов Канско-Ачинского бассейна //Уголь, 1982. № 2. С. 21 - 24.

36. Юшкин А.Д., Важов Ю.Г., Шамшин В.Н. Производтвенные испытания режущего инструмента НПИ-6В/214-У голь.-1980.№ 1.- С. 35-37.

37. Беляев А.Е., Дойников Ю.А., Перетолчин В.А. Геометрические параметры режущих долот со сменными резцами // Рациональное природопользование при освоении ресурсов Сибирского региона. -Иркутск.- 1998. С.69-76.

38. Беляев А.Е., Перетолчин В.А. Опыт создания и применения на карьерах новых исполнительных органов буровых станков // Горный информационно-аналитический бюллетень.- М., МГГУ.- 1999.- №8. -С.123-126.

39. Беляев А.Е., Перетолчин В.А. Выбор типа и параметров резцов для режущих буровых долот // Горный информационно-аналитический бюллетень.- М, МГГУ.- 1999, №8. С.120-123.

40. Беляев А.Е. Принципы выбора параметров режущего бурового долота // Сб. научн. тр. Новокузнецк.- 1999. - С.204-210.

41. Беляев А.Е., Дойников Ю.А. Условия и специфика бурения скважин в многолетнемерзлых породах // Сб. научн. тр. научно.-техн. конф. -Новочеркасск.- 1999. С.63-68.

42. Беляев А.Е. Принципы выбора параметров сетки резания бурового долота // Изв. ВУЗов. Горный журн.- 2000. №1. С.50-53.

43. Режущий инструмент для станков шарошечного бурения / H.H. Страбыкин, А.Е. Беляев, Ю.М. Коледин и др. // Колыма. 1985. №1-2. -С.24-27.

44. Режущие долота для станков шарошечного бурения / H.H. Страбыкин, В.А. Перетолчин, А.Е. Беляев и др. // Экспресс-информация. М.: ВНИИ ЭСМ, серия 7, вып. 6, 1986. - С.6-9.

45. Режущие долота для бурения с продувкой РД-215,9 и РД-244,5 / В.А. Перетолчин, H.H. Страбыкин, А.Е. Беляев и др. Информационный листок № 87-85 ЦНТИ. - Иркутск.- 1987.

46. Режущие долота для бурения с продувкой / В.А. Перетолчин, H.H.

47. Страбыкин, А.Е. Беляев, Ю.П. Шеметов // Горный журн. 1988. №11. -С.43-45.

48. Симкин Б.А., Невский B.JI. Буровые работы на карьерах. // Разработка месторождений твердых полезных ископаемых (Итоги науки и техники). Т. 17. - М.: ВИНИТИ.-1978. - С. 175-218.

49. Смирнов В.П., Курмакаев Р.Х., Ларионов H.A. Буровое оборудование и опыт его эксплуатации на зарубежных карьерах. М.: Цветметинформация.- 1972. - 64 с.

50. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах. / В.А. Перетолчин, H.H. Страбыкин, В.М. Горячкин и др. М.: Недра.- 1993. -286 с.

51. Страбыкин H.H., Беляев А.Е., Горячкин В.М. Сравнительные исследования работы комбинированных и шарошечных долот в условиях карьера трубки «Мир». В кн.: Механизация и электрификация горных работ. Иркутск, 1974. - с. 45 - 49.

52. Дойников Ю.А. Обоснование оптимальных параметров пневмотранспортирования предметов разрушения при бурении скважин с очисткой сжатым воздухом / Ю.А., Дойников, А.Е Беляев // Вест. Чит. гос ун-та. 2010. - № 1,- С. 11-16.

53. Дойников Ю.А. Разработка параметрического ряда буровых долот режущего и комбинированного типов / Ю.А Дойников, А.Е. Беляев, H.H. Страбыкин //Горное оборудование и электромеханика. 2010.-№1.-С. 37-41.

54. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. М.: Недра.- 1983. - 178 с.

55. Специфика и направления повышения эффективности бурения скважин в многолетнемерзлых породах / А.Е. Беляев, H.H. Страбыкин, В.М. Горячкин и др. // Технология и механизация горнопроходческих работ: Сб. научн. тр. Новочеркасск.- 1997. - С. 106-112.

56. Беляев А.Е., Горячкин В.М., Владимирцев И.К. Влияние температурногорежима и параметров пневмотранспортной системы на эффективность очистки скважин // Материалы Всесоюзн. конф. ВНИИ-1. Магадан.-1988. - С.32-35.

57. Беляев А.Е. Опыт бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии // Горный журн.- 2000. №5. С. 19-22.

58. Алексеев В.В., Риос Э. Определение критической скорости восходящего потока воздуха для выноса частиц неправильной формы из забоя скважины при бурении с помощью долот шарошечного типа.- Изв. вузов. Сер. Геология и разведка. 1987, №1, с. 96-100.

59. Ганджумян P.A. Практические расчеты в разведочном бурении. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:Недра, 1986.

60. Перетолчин В.А. Интегральный метод расчета расхода воздуха на продувку скважины. Изв. ВУЗов. Горный журнал.- 1978. № 10. - С. 66 -72.

61. Перетолчин В.А. Аэродинамические потери давления воздуха в буровом долоте. Изв. ВУЗов. Горный журнал.- 1981. № 4. - С. 51 - 55.

62. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в осложненныхусловиях.- М.: Недра, 1987.

63. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение разведочных скважин с применением воздуха.- М.: Недра, 1990.

64. Алексеев В.В., Риос Э. Определение критической скорости восходящего потока воздуха для выноса частиц неправильной формы из забоя скважины при бурении с помощью долот шарошечного типа.- Изв. вузов. Сер. Геология и разведка. 1987, №1, с. 96-100.

65. Ганджумян P.A. Практические расчеты в разведочном бурении. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:Недра, 1986.

66. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах.- М.: Недра, 1983.- 178 с.

67. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах/ В.А.Перетолчин, Н.Н.Страбыкин, А.Е.Беляев и др.- М., Недра, 1993.- 285 с.

68. Дойников Ю.А. Стабилизация процесса бурения мерзлых пород оптимизацией температурного режима очистки скважины от буровой мелочи / Ю.А. Дойников, А.Е Беляев, Н.Н Страбыкин // Изв.ВУЗов. Горный журнал. 2010. - № 5. - С .61-67.

69. Беляев А.Е. Анализ отработки шарошечных долот и пути повышения их стойкости. // Горный журн. 2000. №4 - С.50-53.

70. Беляев А.Е., Страбыкин H.H., Перетолчин В.А. Исследование динамики работы и повышение работоспособности шарошечного и комбинированного бурового инструмента // Инструмент и машины выемочных и проходческих комплексов. Новочеркасск.- 1983. - С.57-65.

71. Беляев А.Е. Принципы комбинированного воздействия на забой режуще-шарошечного долота//Горный журн 2000. №5. - С.52-54.

72. Беляев А.Е., Страбыкин H.H., Перетолчин В.А. Исследование динамики работы и повышение работоспособности шарошечного и комбинированного бурового инструмента // Инструмент и машины выемочных и проходческих комплексов. Новочеркасск.- 1983. - С.57-65.

73. Беляев А.Е. Экспериментальное исследование динамики работы комбинированного долота // Механизация горных работ: Сб. научн.тр. / Кузбасский политехи, ин-т. Кемерово.- 1984. - С. 116-123.

74. Беляев А.Е. Опыт бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии // Горный журн.- 2000. №5. С. 19-22.

75. Исследование работы и установление рациональных параметров бурового инструмента для условий карьеров объединения "Якуталмаз": Отчет по теме № 528 / ИЛИ; Руководитель В.А.Перетолчин. Иркутск.-1976. - 115 с.

76. Исследование работы бурового инструмента и повышение эффективности действия станков режуще-вращательного бурения вусловиях объединения "Якуталмаз": Отчет по теме 772 / ИЛИ; Руководитель В.А.Перетолчин. № ГР 76096234; №Б 675124. - Иркутск.-1978.- 103 с.

77. Испытания комбинированного режуще-шарошечного бурового инструмента для станков 2СБШ-200 / Н.Н.Страбыкин, В.А.Перетолчин,

78. A.Е.Беляев и др. // Колыма. 1978. №11.- с.28-30.

79. Страбыкин H.H., Беляев А.Е., Горячкин. Влияние типа и параметров бурового долота на сохранность кристаллов алмазов в процессе буровзрывных работ при подготовке горной массы к выемке // Горное оборудование и электромеханика. 2010. - № 11.- С.49-52.

80. Исследование работы режущих долот при бурении скважин в многолетнемерзлых породах / А.Е.Беляев, В.М.Горячкин,

81. B.А.Перетолчин и др. // Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых: Межвуз. научн.-техн. сб. -Новокузнецк. 1997.-С.13-18.

82. Интенсификация бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии / А.Е.Беляев, В.М.Горячкин, Н.Н.Страбыкин и др. // Механизация строительства. 1996. №5. - С.21-23.

83. Дойников Ю.А. Совершенствование исполнительных органов буровых станков в условиях карьеров АК "АЛРОСА" / Ю.А. Дойников // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. 2012. - № 4. - С. 77-80.