автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор параметров, разработка конструкций и исследование работы режущего инструмента с продувкой для бурения скважин на карьерах

Государствепгий комитет РФ по высшему образованию ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Т1ШШЧЕСКЙД УНИВЕРСИТЕТ п г р А П

« I О ла правах рукошсп

ШШЕТОВ Юрий Петрович

УДК 622.233.6.016.25

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ, РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ПРОДУВКОЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЙИН НА КАРЬЕРАХ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

.АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 1993

'Vioi-a вшюлнела ü Крлутскох Государсти-наом iexf. ^itioicct; • ynuuepiiusüTo.

Научив руководитель - доктор технических наук, профессор В.А.Перетолчин.

Официальные оппоненту: доктор технических паук, профессор

Б.А.Катанов;

кандидат технических наук, лрофассо В.П.Федорко.

Ведущая организация - ПО "Востсйбуголь".

?ащ>и& состоится " 28" января 1994: г. в

10 час. на заседании специализированного совета К 063.71.02 прз Иркутском Государственном техническом университете

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университет; Автореферат разослан " 27" декабря_ 1903 г.

Огвивы на автореферат просшл направлять в специализированно! совет университете по адресу: 664074, Иркутск-74, ул.Лермонтова

Ученый секретарь

Специализированного

совета, докт.техн.наук,fc g

nporloccop . oiL^pYt^^ Н.Н.Страбшшн

онцая злгмтерисшка РАБОТЫ

Актуальность работы. Бурение скважин на карьерах является од-й из основных и трудоемких операций. Расходы на бурение в себе-оимости продукции горных предприятий составляют 30%, а объемы рения ежегодно увеличиваются и достигают в настоящее время "млн.м. Это предопределяет большую народнохозяйственную значи-сть совершенствования техники и технологии бурения скважин.

Характерной особенностью угольных и в значительной степени дных месторождений является наличие в покрывающих породах оса-чных отложений, коэффициент крепости которых в основной массе превышает 7 по шкале М.М.Поотодьяконова. Так, объем обуривае-х пород ниже средней крепости в основных горнодобывающих отелях составляет 23-30$, а в угольной промышленности - 78-87%. таких условиях наиболее перспективным является вращательный особ бурения режущим буровым инструментом. При бурении режущим струментом разрушение породы происходит, в основном, за счет скалывания, которое отличается низкой энергоемкостью по сравнив с другими видами разрушения.

Развитие вращательного бурения сдерживается из-за отоутст-я режущего инструмента, работающего в сочетании с продувкой важин воздухом. Пока все ограничивается отдельными экспзримен-льними исследованиями и опытным бурением. Ранее режущий бурой инструмент применялся только в сочетании с шнековой очисткой, торая ограничивала возможности режущего инструмента по диамет-и глубине' буримых.скважин. В связи с ограниченными возможности применяемых в настоящее время станков вращательного бурея со шнековой выдачей карьеры вынуждены использовать шарошеч-а станки и при бурении по породам с коэффициентом крепости ме-в 7 по шкале М.М.Протодьяконова. Однако в подобных условиях рошечные долота оказываются малоэффективными из-за низкой их эйкости и невысокой скорости бурения. Наличие на многих карье-к осложняющих факторов, таких, как многолетняя и сезонная мерэ-га, высокая влажность пород, присутствие вязких глиносодерка-к включений, значительно снижает эффективность процесса буре-ч шарошечными долотами.

Улучшение технико-экономических показателей работы шарошоч-к станков может быть достигнута за счет применения на них ре-цого бурового инструмента, работающего в сочетании с продувкой зажин воздухом. Поэтому выбор параметров, разработка конструк-

ций и исследование работы режущего инструмента с продувкой для бурена скважин на карьерах является актуальной научной задаче:

Исследования по данной работе соответствуют целевой комплексной научно-технической программе развития горнодобывающей отрасли в восточных и северных районах Российской Федерации и выполнялись по планам научно-исследовательских работ Иркутског государственного технического университета.

Целью работы является интенсификация процесса бурения ест еин на карьерах в породах ниже средней крепости за с'чет выбора рациональных параметров и создания конструкций режущего инстру мента, работающего в сочетании с продувкой скважин воздухом.

Идея работы заключается в приведении в соответствие парам ров долота - условиям бурения по критерию минимальной энергоем кости процесса разрушения, а параметров воздушного потока - ин тенсивности образования и гранулометрическому составу продукто разрушения по критерию равенства энергий потока и транспортире вания.

Основные научные положения, защищаемые в диссертации.

1. Критерием совершенства принятого способа разрушения по роды на забое скважины может служить гранулометрический состав буровой мелочи. Энергоемкость процесса разрушения пропорционал на коэффициенту крепости / и удельной вновь образованной поверхности 5 • При этом коэффициент пропорциональности М> з&е сит от параметров инструмента и для режущих долот типа РД с ос рыми резцами составляет 2-Ю-4 кВт.ч/м^.

2. Своевременная очистка призабойной зоны от продуктов ре рушения является обязательным условием успешного бурения, а 65 ровая мелочь, как объект транспортирования, влияет на параметр долота. Для повышения эффективности очистки диаметр продувочне го канала долота должен приниматься из условия равенства крит! ческого расхода воздуха Гчр и производительности компрессора

Гн , а ширина продувочных окон, при определенной их площади максимально допустимой по условиям прочности корпуса.

3. При бурении режущим инструментом снижение энергоемкое] процесса достигается при уравновешивании сил и моментов отноы тед^но оси долота, рациональном взаимном расположении резцов I соответствующем развороте их вокруг своих осей. Рациональное превышение каждого последующего резца над предыдущим зависит с величины подачи Н, угла опережения f и определяется зависимс

ьи Крр0,59Н/?1 . Каздый резец, в зависимости от радиу-

. его вращения /} , длины режущей кромки I и ее вылета у янен быть повернут вокруг своей оси на угол

агс со5((/-о,5.

4. Замена шарошечных долот режущими с продувкой типа РД при ■рении по кимберлитам обеспечивает значительное снижение влился техногенного фактора на разрушаемость кристаллов алмазов; 1ЛИчество неразрушенных кристаллов в выбуренном объема увеля-[вается в среднем в 1,4 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов рекомендаций.

Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы доста-)чным объемом теоретических, лабораторных и производственных ¡следований, применением апробированных методов математическо-) анализа, планирования, математической статистики, использо-шием ЭВМ, сопоставлением результатов расчетов и экспериментов.

Достоверность научных положений и выводов подтверзэдается эроией сходимостью результатов теоретических и эксперименталь-ах исследований. Расхождения расчетных и экспериментальных данах не превышают 18,6%. Высокая эффективность и широкое примене-ае разработанного,режущего бурового инструмента с продувкой эдтварждают правильность основных выводов, теоретических и эк-периментальных исследований.

Научная новизна работы.

1. Исследовано влияние параметров режущего долота на эффективность разрушения породы.' Установлено, что при рациональном ревышении резцов друг над другом обеспечивается снижение анер-оемкости процесса в среднем на 20%.

2. Установлено влияние режима очистки призабойной зоны от родуктов разрушения на параметры долота и получены зависимости ля определения его аэродинамических характеристик.

3. Установлены качественная и количественная зависимости азрушаемости кристаллов алглазов от типа и параметров бурового нструмента. Разрушаемость кристаллов снижается при уменьшении х размеров, а переход на режущие долота обеспечивает увеличено сохранности кристаллов - количество неразрушенных кристал-юв в выбуренном объеме увеличивается в среднем в 1,4 раза.

Практическая ценность работ» заключается в разработке:

- инженерной методики ¡¡¡(бора параметров режущих долог о ¡родувкой;

- конструкций режущих долот с продувкой диаметром 215,9 м 244,5 ым и 269,9 ш.

Реализация результатов работы

Разработанная инженерная методика иыб^ж параметров режущ долот с продувкой утверждена и принята для практического иопол зования при изготовлении долот на РРЗ ПО "Востсибуголь". Она и пользуется также в учебной процессе ИрГТУ и Межрегионального центра повышения квалификации.

Созданные конструкции режущих долот с продувкой внедрены ряде угольных, золото и алмазодобывающих предприятий.

Экономическая эффективность от применения режущих долот с продувкой составляет 3236 тыс.руб.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались: на научно-технических конференциях ИрГТУ; на Вс союзной научно-технической конференции по комплексной механиза ции буровзрывных работ (г.Красноярск, 1984 гО; на научно-техни ческой конференции по повышению эффективности открытой угледобычи (г.Красноярск, 1987 г); на IX Всесоюзной научной конфере ции при МГЙ по комплексному исследованию физических свойств го ных пород и процессов (г.Москва, 1987 г.); на Всесоюзной сейш ре при ИГДС по ресурсосберегавдим технологиям при открытой отработке полезных ископаемых Севера (г.Якутск, 1988 г.); на Все союзной конференции по горнодобывающим комплексам Сибири (г.Ул Удэ, 1990 г.); на Международной межвузовской научно-практической конференции при MIM по совершенствованию конструкции, техь логии изготовления и эксплуатации горного оборудования (г.Ыос» ва, 1992 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе получено два авторских свидетельства.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения 5 глав, заключения, библиографии (НО наименований), 4 прилове ний. Текстовая часть диссертации изложена на 167 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков и 22 таблицы.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководите лю, профессору, доктору технических наук В.А.Перетолчину и coi рудникам ка^'ядри горных машин и рудничного транспорта Иркутске го Государственного технического университета за творческое ос рудничество и всестороннюю помощь в проведении исследований и внедрении репульта!ов работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ' РАБОТЫ

Состояние вопроса. Задачи и методические основы исследова-;й. Вопросам работы режущего инструмента посвящены исследова-ш многих ученых: О.Д.Алимова, Л.И.Барона, А.Е.Беляева, В.Д.Бу-шна, В.С.Владиславлева, Б.И.Воздвиженского, Л.Т.Дворникова, Н'.Долгуна, Б.Н.Катанова, Ю.М.Каледина, М.Г.Крапивина, К.И.Ка-шской, В.Г.Михайлова, И.А.Остроушко, В.А.Неретолчина, М.С.Са->хина, Н.Н.Страбыкина, М.Г.Симилейского, А.С.Телешова, В.С.Фе->рова, В.В.Царицына, О.ВЛернецкого, Е.В.Чудогашева, В.Н.Шам-ша, Е.Ф.Эпштейна и др. Над созданием режущего бурового инстру-шта работают СКБ Карпинского машиностроительного завода, Все-иэзный научно-исследовательский институт буровой техники 1НИИБТ), институт открытых горных работ (НИИОГР), институт ipHoro дела им. А.А.Скочинского (ИГД им. А.А.Скочинского), ин-ятут горно-химического сырья (БИС), трест "Союзвзрывпром", ютитут НИПИГОШАШ, учебные институты - Московский горный (МГИ), збасский (КузПИ), Новочеркасский (НПИ), политехнические инсти-. ты, Иркутский Государственный технический университет и ряд угих организаций.

Существующий уровень теоретических исследований взаимодейст-я инструмента с породой определил следующий рациональный путь бора параметров режущего бурового инструмента:

- качественная оценка влияния различных факторов на работу ■ струмента на основании анализа принятой модели процесса взаи-действил с' породой;

- количественная оценка степени влияния различных факторов

работу инструмента на основании анализа результатов экспери-

нтальннх исследований и опыта отработки долот;

- проверка соответствия принятых параметров инструмента ус-виям бурения в процессе испытаний и ис следований работы дот как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Анализ работ' в области создания режущего бурового инстру-нта и обзор конструкций долот свидетельствует о том, что уро-нь исследований не соответствует требованиям практики, а рас-рение области применения режуще-вращательного способа бурения ерживается из-за отсутствия режущих долот с продувкой. Созда-е режущих долот с продувкой не вышло из стадии оксперименти-вания. Недостаточно полно изучены и решены вопрос:* выбора па-

раметров долот, а конструкции созданных долот несовершенны и не надежны.

Изучении процессов пневмотранспортирования продуктов разру шения посвящены исследования Б.Н.Кутузова,А.И.Кирсанова, Б.Б.Ку ряшова, Ю.С.Лопатина, А.Т.Лактионова, А.О.Межлумова, Н.С.Макури на, Ю.Ф.Рыбакова, Б.С.Филатова. В предложенных методах расчетов не учитывается интенсивность образования буровой мелочи и ее гранулометрический состав, которые оказывают решающее влияние на энергоемкость процесса транспортирования. В работах В.А.Пере толчина нашли отражение многие важные для практики вопросы траг дортирования буровой мелочи. Учитывая необходимость выбора паре метров режущих долот с продувкой считаем необходимым на базе рг работанной В.А.Перетолчиным теории пневмотранспортирования бурс вой мелочи продолжить исследования и решить ряд научно-практиче ких вопросов, связанных с оценкой елияния различных факторов нг работу режущего долота и выбором его аэродинамических параметров.

Исходя из состояния вопроса и цели исследования в работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Оценка степени влияния продуктов разрушения при бурени: скважины на параметры режущего долота.

2. Разработка инженерной методики выбора параметров режущих долот с продувкой.

3. Создание конструкций режущих долот с продувкой для бурения пород ниже средней крепости.

4. Оценка степени влияния типа и параметров долот на сохранность кристаллов алмазов.

Метод исследований принят комплексный, сочетающий теорети ческие обобщения с экспериментальными исследованиями в.лабораторных и производственных условиях. Исследование работы режущи долот в лабораторных условиях проводились на специальном буровом стенде с регистрацией исследуемых параметров контрольно-иэ мерительными приборами и самопишущей аппаратурой. Исследования проводились с применением ЭВМ.

Исследование взаимодействия режущего бурового инструменте с Цбродой и выбор его параметров. Па основании количественное анализа результатов экспериментальных исследований установлено влияние свойств породы (креиости, вязкости и абразивности), 'ре юша бурения (усилия подачи и частоты вращения) и параметров

элота (дус$лырс1!пчпг: розцов, форм режущей крошш и степени из-зса) на эффективность работы режущего инструмента. Обоснована злесообразность перехода в породах крепостью до 7 на бурение зжущими долотами. Такой переход обеспечивает повышение скорос-I бурения не менее, чем в 4-5 раза, снижение энергоемкости эоцесса в 2-2,5 раза (рис. I). При этом выход мелких (-2 мм) леньшается в 1,5 раза, а крупных (+3. мл) увеличивается в 1,9 аза. При бурении шарошечным долотом фракции +10 мм вообще отсутствуют.

Вязкость определяет степень развала породы при резании и граничивает допустимые размеры оставляемо: на забое скважины еличков. Размеры центрального целичка породы в зависимости от язкости могут колебаться от 10 до 30 мм. Частота вращения буро-ого става влияет на скорость бурения, энергоемкость процесса азрушения и износ инструмента. По экспериментальным данным верх-ий предел частоты вращения при буршши режущим инструментом в ависимости от свойств пород рационально ограничивать 120-140 шГ1.

Процесс бурения скважины включает в себя две технологичес-ие операции - разрушение породы на забое и транспортирование родуктов разрушения из призабойной зоны и из скважины. Буровая елочь как объект транспортирования определяет выбор параметров истемы транспортирования, а также оказывает влияние на парамет-ы инструмента и режим бурения. Своевременное удаление продуктов азрушения из призабойной зоны и из скважины является обязателъ-ым-условием успешного бурения.

Гранулометрический состав буровой мелочи зависит от свойств ороды, типа и конструкции бурового инструмента, режимов бурения может служить критерием совершенства принятого способа разру-ения породы на забое скважины. Распределение буровой мелочи по рупности описывается уравнением

де У - суммарный выход буровой мелочи в долях единицы; т -езразмерный параметр, зависящий от характера буримой породы; с/в - размерный параметр, зависящий от режима бурения и инсгру-кзнта.

[рогнозировашшй суммарный шкод буровой мелочи

(2.3)

и.4)

й

¡20 ¡00

-С)

4 О 20

са

с;

1 1 1 \ \ \ \ -Спорость ч \ _—Эиергоемносмь П~ уимин

\ \ ч ^ \ \ \ V

\ \ \ \ \ ч -\ / Ч у' - 1

\ ^ \ А ^ № ---

чх 4 /\ /

Л - —

щ

49

-о

Си

си

Ю 20 30 40

Усипие подачи .

Я

о ■ч

СС)

20

Ш

0-2 0-4 0-6 ' 0-8 0-Ю 0-/2 0-1Ь --------------%

У

У

Л

№ 4

ф

-Вы ход по массам

---Суммарный быход

<53

0-2 <2-3 <3-5 ♦5-7

*740

Диаметр сррааций

+10-15 с!, мн

Рис. I. Сравнительные показатели бурения режущим и шарошечным долотами: а - скорость и энергоемкость бурени; б - гранулометрический состав буровой мелочи

Ю

де п - частота вращения бурового става; - скорость по-ачи инструмента на забой; А - параметр, зависящий от типа онструкции инструмента. Для режущих долот типа РД А=0,6. Пара-етр т для песчаников составляет 0,604. Оценка распределения уровой мелочи по крупности производится с помощью ЭК,].

Проведенные исследования подтверждают, что энергоемкость роцесса разрушения породи при бурении пропорциональна коз^фици--нту крепости и удельной вновь образованно!! поверхности: Ур = Ь/о£3 . Коэффициент пропорциональности Мй зависит т параметров инструмента и для режущих долот типа РД с острыми

Л ^

езцаии составляет 2-10" кВт.ч/ы*'. При этом суммарная удельная оворхность буровой мелочи

({ты

5- б/77Л У йт"! ехр[-(с1 /¿О )т]аШ). (2.6)

йтт

Показатели работы станка зависят от правильного выбора па-шлетров бурового инструмента. Принятое для бурения долото долж-о обеспечивать как рациональный режим разрушения породи на за-ое скважины, так и эффективное удаление буровой мелочи из при-абойной зоны. На эффективность разрушения породи ьа забое сква-ини оказывают влияние геометрия инструмента, сетка резания и асположение резцов. Геометрия инструмента определяется спосо-ом армирования и характеризуется формой и размерами режущей ромки долота. Выбору подлежат вилет режущей кромки у , угол азворота резца Л и задний угол у . Для уменьшения износа езцов и повышения их стойкости каждый резец, в зависимости от адиуса вращения & , длины режущей кромки I и ее вылета р , должен устанавливаться к радиусу вращения под углом

агсСОБ (р-о,51)/И. (2.14)

йдний угол режущей кромки определяется зависимостью

> 1>л СО5 9 \ГАТ+ЧрГ/13ГЛгП ) . (2.16)

Деоь: с1 - минимальный диаметр вращения резцов; ^ - угол аклона резца к оси долота.

Сетка резания характеризуется количеством резцов, чцолсц иний резания и их взаимном расположенном. Она определяет схо-у обработки забоя и долина соответствовать услонину оуроная. .елосообразным является вариант со пси резания с выборочный дуб-

лированием резцов в линиях резания и сплошной схемой обработки забоя.

Расположение резцов является важным -элементом выбора сетки резания и параметров долота. От расположения резцов по высоте зе висит форма образуемого забоя. При расположении резцоЕ с превышением друг над другом забой приобретает ступенчатую форму с рас рывом его сплошности. Это благоприятно сказывается на эффективности разрушения породы, обеспечивая снижение энергоемкости процесса. Для обеспечения вписывасмости резцов при сплошной схеме обработки забоя необходимо, чтобы превышение данного резца над предыдущим было

. к» 0,5fH/lJT , (2.17)

где ¥ - угол опережения предыдущего резца; Н - величина подачи на забой за оборот. Для достижения уст* йчивой работы долота принятая сетка резания и взаимное расположение резцов доданы обеспечивать уравновешивание системы сил, действуюцей со стороны забоя. Условия уравновешивания:

£ Si Sin <¿l=0 f S¿ ZL Sin ¿i =O |

lm„ > (2.22)

S O i COS ¿i -O I 6¿Zc Cos ¿1=0

M Ut '

Несоблюдение этих условий приводит к смещению центра вращения долота и, как следствие этого, изменению параметров сетки резания и дишлетра сквазпны, увеличению энергоемкости и снижению технико-экономических показателей процесса бурения.

Форма п размеры корпуса долота определяют его прочность, долговечность и аэродинамическую характеристику призабойной зоны. Параметры корпуса долины обеспечивать беспрепятственность движения буровой мелочи из призабойной зоны. Этому отвечает лучевая форма корпуса.

Анализ конструкций применяемых долот и исследование влияния различных факторов на процесс бурения позволили классифицировать режущий инструмент по ряду отличительных признаков (рис. 2), которые дают возможность систематизировать его и облегчают оценку отдельных параметров инструмента.

** Исследование движения б.уротюй мелочи ы призабойной зоне и у.ибоу аэродинамических параметров режущего долота. Своевременная очистка кризабоЛной зоны является обязательным условием успешного бурения. Критерием достаточности количества воздуха лп-

рмущщ буровой инструмент

Удаление буровой

мелочи из скважины

Шнеяовое Пневматическое -1—-—--- Ш не коп не вма т иче с к ое

1 Свойства буримых пород

Мягкие Повышенной крепости

Характер взаимодействия с породой

Объемное разрушение Поверхностное истирание

Расположение режущих ¡элементов

Схема обработки забоя

Форма режущей кромки

Классификация режущего бурового инструмента П

ляется соответствие э»/9рп.и воедушьгг.. лотсчи то^ ^тьпгье, которая необходима для эффективного удаления буровой мелочи. Исходя из этого необходимая скорость движения воздуха в призабой-ной зоне Лтх

й^ехрШДо ГЦехр[-д +

Для выноса частиц максимальных размеров необходима скорость

Яцтв* = 15-Ю'6к'с И? е/мш \]И* Юл Р)11+2Ц1*и-С$(дНа// (3> 3)

• ехр [-9+^ 437,8 +/7,7 Еп ) . Если 1}<1}ртах , то удаление крупных частиц буровой мелочи не будет обеспечиваться без дополнительного их измельчения, хотя воздух обладает достаточным количеством энергии, и необходимо принимать скорость воздуха = • Расход воздуха на

продувку складны из условия очистки призабойной зоны

" Рпр = Зприз 2% - 0,25 ЗГи {д2-Вш) Ы (ЗЛО)

Призабойная зона представляет собой сочетание бурового инструмента с забоем скважины. При этом долото определяет характеристику призабойной зоны. Призабойную зону характеризуют следующие параметры долота: диаметр бурения 7} и высота Н, которые определяют величину призабойного пути I. =Н+о,5д коэффициент/ соотношения площадей затрубного пространства Бзатр и продувочных окон долота ¿прт ( в приз Вит/ ) I коэффициент

. Но' относительной ширины продувочного окна; коэффициент С передачи вращательного движения долота частицам, который пропорционален коэффициенту дублирования I (с-0,251) • Анализ численных решений показывает, что в пределах реальных значений призабойного пути влиянием изменения его величины на расход воздуха можно пренебречь, поэтому высота долота как параметр пр! бурении с продувкой может не ограничиваться.

С увеличением площади продувочных окон $п?из почти пропорционально возрастает необходимый расход воздуха. Поэтому коэффициент соотношения площадей как параметр долота подлежит анализу и выберу..С увеличением относительной ширины окна Но при неизменной площади продувочных окон необходимый расход воздуха уменьшается. Поэтому рационально принимать максимально возможную ширину продувочных окоп долота. О увеличением коэффициента С передачи вращательного дншшшл долота частицам примерно

1-1

пропорционально снижается необходимый расход воздуха. Однако, этот параметр долота является зависимым от принятой сетки резания и дополнительному выбору не подлежит.

Форма корпуса и расположение резцов имеют важное значение в обеспечении благоприятной аэродинамической характеристики долота. Долото должно обладать минимальными аэродинамическими сопротивлениями. Для достижения этого желательно исключить вихревые движения воздуха и возникновение встречных потоков. Расположение резцов и продувочных каналов даижно обеспечивать хороший обдув забоя и беспрепятственность движения потока в за-трубное пространство. Для уменьшения сопротивлений движению воздушного потока желательно трех- или четырех лучевое расположение резцов. О значительном влиянии формы корпуса на режим продувки свидетельствуют экспериментальные исследования. Переход в долоте РД-190 от цилиндрического корпуса к коническому обеспечил увеличение скорости бурения па 23%.

Принципиальное значение имеет правильный выбор диаметра продувочного канала долота. Для повышения эффективности очистки забоя скважины его рационально принимать из условия получения критического расхода воздуха, при котором скорость истечения воздуха из долота достигает максимального значения - скорости звука. Это имеет место при равенстве критического расхода Рир производительности компрессора Гц . Зсли внутренний диаметр ниппеля долота Т)н . то

д^^у/^Щ^РЩЩЩз^ЩЩЩЩ . (3.38)

В результате исследования процессов пневмотранспортирования продуктов разрушения в призабойной зоне разработан метод расчета расхода воздуха на продувку, основанный на энергетическом балансе, т.е. на соответствии энергии воздушного потока той энергии, которая необходима для эффективного удаления образующейся буровой мелочи. Для выбора параметров и расчета показателей работы пневмотранспортной системы составлена специальная комплексная программа на ЭВМ. Программа позволяет определять расход воздуха на продувку, потери давления воздуха, затраты мощности ц энергоемкость процесса очистки по данным ситового анализа, шщ по заданным параметром ш и а* распределения буровой мелочи по крупности, а также применительно к прогнозированному распределению буровой мелочи. Пользуясь комплексной программой "Параметры и показатели работы инешотрипоиортиой системы станка",

можно о помощью ЭВМ по подученный зависимостям не только определять параметры и показатели работы, но и производить оценку влияния отдельных факторов на эффективность режима очистки скважины от буровой мелочи. .

Разработка конструкций и опыт применения режущих долот с гцУ.дувкой. Проведенные исследования позволили разработать инженерную методику выбора ц расчета параметров режущих долот с продувкой с учетом влияния процесса очистки призабойной зоны от продуктов разрушения. На основе предложенной методики, теоретических, экспериментальных исследований и опытной эксплуатации ранее созданных модификаций режущих долот создан широкий ряд конструкций режущих долот с продувкой для различных горно-геологических и горно-технических условий карьеров. Режущие долота типа РД диаметром 244,5 и 269,9 (рис. 3) внедрены на карьерах.

Отработка режущих долот с продувкоИ про удилась на карьерах угольной промышленности и цветной металлургии: ПО "Востсиб-уголь", ПО "Красноярскуголь", ПО "Экибастузуголь", ПО "Якутзо-лото", ПО "Североьостокзолото", НПО "Якуталмаз". Производственные исследования осуществлялись с целью оценки правильности выбора основных параметров, надежности конструкций, стойкости их отдельных элементов, определения рациональной области применения в сложных горно-геологических условиях, получения показателей бурения в сравнении с применяемыми шарошечными-долотами, определения экономической эффективности использования режущих долот на станках шарошечного бурения.

Испытания подтвердили правильность выбора основных параметров долот и их конструктивную надежность. Определена рациональная область применения режущих долот для каждого месторождения. Рекомендуется использовать режущие долота с продувкой для бурения вскрышных уступов в породах ниже средней крепости ( /< 7). Эффективность их не снижается при наличии осложняющих факторов -сезонной и многолетней мезлоты, сильной обводненности пород, присутствия вязких глиносодержащих пород.

На карьере "Юбилейны!!" НО "Якуталмаз" били проведены исследования эффективности применения режущих долот с продувкой при бурении по кимберлитам и определения степени влияния типа и параметров долота па сохранность алмазов. Установлено, что использование ронущих долот для бурения но кимберлитам позволяет повысить производительность станков на 15-20$, снизить расход буро-

Рис. 3. Режущие долота для трения с продувкой: а - долото ЗРД-244,5; б - долото РД-2бЭ,9

вого инструмента в 10-15 раз. Выявлено в лабораторных и производственных условиях, что применение режущих долот снижает раз-рушаемость кристаллов алмазов: количество неразрушенных кристаллов в выбуренном объеме увеличивается в среднем в 1,4 раза. Установлены закономерности влияния режущих и шарошечных долот и их параметров на разрушаемость кристаллов алмазов различных фракций.

Реализация результатов исследований и их технико-экономическая эффективность. Промышленными испытаниями долот типа РД практически доказана высокая технико-экономическая эффективность применения режущего бурового инструмента, работающего в сочетании с продувкой скважин воздухом. Переход на станках шарошечного бурения в породах крепостью до 7 по М. 1.1.Протодьяконову на режущие долота с продувкой обеспечивает увеличение скорости бурения не менее, чем в 1,5 раза и снижение энергоемкости процесса в 2-2,5 раза. При этом выход крупных фракций буровой мелочи (+3 ш) увеличивается в 1,9 раза. Долоте; ЗРД-244,5 и РД-269,9 (см. рис. 3) внедрены и нашли широкое применение на разрезе "Восточный" ПО "Востсибуголь" и карьере "Юбилейный" ШО "Якуталмаз?.

Разработанная инженерная методика выбора параметров режущих долот применяется заводом-изготовителем и используется в учебном процессе ШШ и Межрегионального центра повышения квалификации. Изготовление режущих долот с продувкой освоено совместно Черемховским рудоремонтным заводом и Иркутским политехническим институтом, которыми организована поставка их горнодобывающим. предприятиям.

Разработанный режущий инструмент для бурения с.продувкой сжатым воздухом прошел широкую промышленную проверку в ПО "Востсибуголь", "Красноярскуголь", "Экибастузуголь", "Якуташаз", "Якутзолото" и "Северовостокзолото".

Суммарная экономическая эффективность от использования результатов исследований составляет 3236 тыс.руб. в ценах 1991 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

* В диссертационной работе решена актуальная научная задача выбора параметров, разработки конструкций и исследования работы режущего инструмента с продувкой, имеющая важное значение в повышен™ эффективности бурения взрывных скважин на карьерах.

Проведииные исследования позволяют сделать следующие основ-зша выводы.

1. Исследовано влияние различных факторов на работу режущего инструмента с продувкой и его параметры и разработана инженерная методика выбора и расчета параметров режущих долот с учетом рационального режима разрушения порода на забое и эффективного удаления буровой мелочи из призабейной зоны. Инженерная методика выбора параметров используется заводом-изготовителем и применяется в учебном процессе ИЛИ и Межрегионального центра повышения квалификации.

2. Снижение энергоемкости процесса бурения достигается за

счет:

- сокращения линии контакта инструмента с забоем при минимальном коэффициента дублирования резцов и сохранении сплошной схемы обработки забоя;

- рационального взаимного расположения резцов в плане и профиле с учетом образования ступенчатого забоя и уравновешивания сил и моментов, возникавдих в результате взаимодействия резцов с породой;

- разворота каждого резца вокруг своей оси на соответствующий угол <1 , определяемый зависимостью (2.14).

3. Гранулометрический состав буровой мелочи может служить критерием совериенства принятого способа разрушения породы на забое скважины, поскольку величина удельной поверхности образующейся буровой мелочи является объективной характеристикой степени измельчения породы. При -этом энергоемкость'процесса разрушения пропорциональна коэффициенту крепости породы и удельной вновь образованной поверхности, а коэффициент пропорциональности М>' зависит от параметров инструмента и для режущих долот типа РД с острыми резцами составляет 2-НГ4 кВт.ч./м2.

4. Скорость движения и расход воздуха на очистку призабой-ной зоны зависят от интенсивности образования и гранулометрического состава буровой мелочи и определяются из условия соответствия энергии воздушного потока, той энергии, которая необходима для эффективного удаления буровой мелочи.

5. Буровая мелочь, как объект транспортирования, определяет аэродинамические параметры долота, к которш относятся площадь и ширина продувочных окон долота, форма корпуса и расположение резцов, размеры продувочного канала. Для повышения эффективности очиотки призабойной зоны диаметр продувочного канала

долота должен приниматься из условия равенства критического -расхода воздуха Л? и производительности компрессора Ри , а ширина продувочных окон при определенной их площади - максимально возможной.

6. Влияние техногенного фактора на разрушаемость кристаллов алмазов зависит от типа и параметров долота. Замена шарошечных долот режущими при бурении по кимберлитам обеспечивает увеличение количества неразрушенных кристаллов в выбуренном объеме в среднем в 1,4 раза.

7. Для бурения пород ниже средней крепости в различных горно-геологических и горно-технических условиях разработаны, испытаны и внедрены в производство режущие долота с продувкой диаметром 215,9; 244,5; 269,9 мм. Применение этих долот обеспечивает увеличение скорости бурения в 1,5раза, повышение производительности станков шарошечного бурения на 20-30/ и сокращение расхода долот в 10-15 раз. Изготовление режущих долот с продувкой освоено Черэмховским рудоремонтным заводом оовмзстно с Иркутским политехническим институтом.

8. Внедрение режущих долот с продувкой на карьере "Юбилейный" ШО "Якуталмаз" и разрезе "Восточный" ПО "Востсибуголь" обеспечило фактическую экономическую эффективность от их применения в размере 3236 тыс.руб. в ценах 1991 г.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах.

1. Режущие долота для бурения с продувкой/В.А.Перетолчин, Ю.П.Шеметов, Н.Н.Страбыкин, А.Е.Беляев. - Горный журнал. 1988.* I.

2. Шеметов Ю.П., Перетолчин В.А. Влияние параметров долота на эффективность очистки призабойной зоны при бурении скважин с продувкой. - В кн.: Повышение эффективности разработки месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири. - Иркутск, 1988.

3. Опыт применения режущего бурового инструмента в условиях многолетнемерзлых россшиых месторождений/ Н.Н.Страбыкин, Ю.П.Шеметов, И.К.Владимирцов, В.Н.Кисурин// Ресурсосберегающие технологии при открытой отработке полезных ископаемых Севера. Сб. трудов ИГДС, - Якутск, 1990.

4. Повышение эффективности бурения скважин на алмазоруд-ных карьерах Якутии/ В.А.Перетолчин, Н.Н.Страбыкин, Ю.П.Шоме-то» и др.// Механизация горных работ. Сб.научн.тр. - КузИИ. -Коыорово, 1990.

5. Перетолчин В.А., Чудогашев Е.В.Шеметов Ю.П. Разработка и испытания нового бурового инструыента для станка СНИК-200.-3 кн.: Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве. Взрывное дело. Сб. № 89/46. - М.: Недра, 1986.

6. Техника, технология и опыт бурения взрывных скважин на карьерах. Гл. 4,5./ Под ред. В.А.Перетолчина. -И.:Недра, 1993.

7. Шарошечное и режуще-вращательное бурение взрывных сква-кин при разработке многолетнемерзлых россыпей/В.А.Перетолчин,

3. II. Страбыкин, D.П.Шеметов и др. - 1Л.: Цветметинформация, 1979.

8. Повышение эффективности использования станков шарошечного бурения в условиях многолетнемерзлых пород/Н-Н.Страбыкин, В.А.Перетолчин, Ю.П.Шеметов и др./Механизация очистных и проходческих работ. Сб.научн.тр. КузПИ. - Кемерово. 1985.

9. Режущий инструмент для станков шарошечного бурения/ Н.Н.Страбыкин, Ю.П.Шеметов, Я.Н.Долгун и др.// Калыма.-1985.-М.

10. Создание и опыт применения режущего бурового инструмента с продувкой скважин воздухом/В.А.Перетолчин, Ю.П.Шеметов, Я.Н.Долгун, А.Е.Беляев// Труды международной межвузовской научно-практической конференции. - М.: МГИ, 1992.

11. Совершенствование технологии очистки скважин при бурении мнсуолетнемерзлых россыпей/Е.В.Чудогашев,В.А.Перетолчин, Ю.П.Шеметов и др.//Механизация горных работ.-Вып.3. -Кемерово, I960.

12. Некоторые особенности бурения взрывных скважин в многолетнемерзлых" породах повышенной влажности/ В.А.Перетолчин, Е.В. Чудогашев, Ю.П.Шеметов, С.Н.АвЕакумов// Разработка месторождений полезных ископаемых Сибири и Северо-Востока. - Иркутск: ИЛИ, 1980.

13. Перетолчин В.А., Страбыкин H.H., Шеметов Ю.П. Опыт при-., менения и задачи создания режущих долот с продувкой// Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. -М.: МГИ, 1987.

*

14. Пути повышения эффективности использования буровой техники на разрезах/ В.А.Перетолчин, H.H.Страбыкин, Ю.П.Шеметов, В.Н.Кисурин// Повышение эффективности открытой угледобычи и пе-рераоотки углей. - Красноярск, 1987.

15. Опыт бурения скважин в сложных горно-гоологических условиях/ В.А.Перетолчин, H.H.Страбыкин, Ю.П.Шеметов, В.Н.Кисурин// Инструменты и машины выемочных и проходческих комплексов. Ыежвуз. сб. - Новочоркаск, 1992.

16. A.c. J! I47262I, СССР, МКИ4Е21В 10/18. Буровое долото/ В.А.Перетолчлн, Ю.П.Шеметов, И.К.Владащрцев и др. - Опубл. в Б.И., 1989. - К 14.

17. Патент МНР № 1082, MfO^ESIB. Буровое долото/ А.Хайдав В.А.Перетолчин, Ю.П.Шеметов и др. - 21.02.1991.