Выбор рационального типа бурового инструмента и системы очистки скважин при бурении мерзлых пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Шевченко, Алексей Николаевич

• Шевченко, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевченко, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА И СПОСОБОВ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ РАЗРУШЕНИЯ ИЗ СКВАЖИНЫ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ.

1.1 Особенности физико-механических свойств и строения сложноструктурных мерзлых массивов на карьерах Сибири и Северо-востока РФ.

1.2 Осложнения, возникающие при бурении взрывных скважин в мерзлых массивах.

1.3 Анализ исследований по созданию и работе бурового инструмента и способов очистки скважин от буровой мелочи в условиях мерзлых пород.

1.4 Цель и задачи исследований.

2. ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ БУРОВОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПРОХОДКИ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН В МЕРЗЛЫХ МАССИВАХ СЛОЖНОСТРУКТУРНОГО СТРОЕНИЯ.

2.1 Требования к буровому инструменту в зависимости от физико-механических свойств горных пород, слагающих уступ карьера.

2.2 Буровые долота для проходки взрывных скважин в мерзлых породах ниже средней крепости.

2.3 Буровые долота для проходки скважин в гравийно-галечных отложениях.

2.4 Породоразрушающий инструмент для проходки скважин в породах средней крепости

2.5 Энергоемкость разрушения породы на забое различными типами бурового инструмента, как объективный показатель совершенства механизма воздействия рабочего органа на забой скважины.

Выводы

3. ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ РАЗРУШЕНИЯ ИЗ СКВАЖИНЫ В МЕРЗЛЫХ МАССИВАХ.

3.1. Требования к системам транспортирования продуктов разрушения.

3.2. Обоснование параметров шнековой очистки скважины.

3.3. Обоснование параметров системы пневмотранспортирова-ния буровой мелочи из скважины в мерзлых массивах.

3.4. Исследование и обоснование параметров, характеризующих теплообменные процессы в призабойной зоне.

Выводы

4. ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО УСТРОЙСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ ПОТОКА, ПОСТУПАЮЩЕГО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ, И ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор рационального типа бурового инструмента и системы очистки скважин при бурении мерзлых пород»

Актуальность и направленность работы. Интенсификация подготовки горных пород к выемке при разработке полезных ископаемых открытым способом в условиях Сибири и Севера РФ может быть достигнута путем технического перевооружения буровых работ за счет создания и внедрения высокопроизводительных исполнительных органов станков для бурения взрывных скважин в мерзлых сложноструктурных массивах. Повышенная влажность, нестабильность температурного режима на забое и в затрубном пространстве скважины, перемежаемость относительно слабых пород более крепкими включениями и пропластками существенно затрудняют проходку скважин и обуславливают относительно низкие технико-экономические показатели при использовании традиционных способов и технологии бурения.

Указанные особенности при бурении мерзлых массивов сложного ли-тологического строения становятся более ощутимыми в связи с вводом в эксплуатацию мощного выемочно-погрузочного оборудования и переходом на большую высоту уступов. Сложное литологическое строение мерзлых массивов с изменением физико-механических, мерзлотных, гидрологических свойств горных пород и криогенной структуры массивов, слагающих уступы, обуславливает необходимость выполнения новых требований, предъявляемых к исполнительным органам буровых станков. В результате возникает потребность в обосновании основных параметров и разработке исполнительных органов, состоящих из нескольких породоразрушающих инструментов, способных поочередно или совместно осуществлять обработку забоя с приложением к ним статических или динамических нагрузок и подачей на забой охлажденного воздуха, что позволяет предотвратить растепление пород, обеспечить нормализацию температурного режима скважины и интенсифицировать процесс бурения.

Отмеченные обстоятельства обуславливают постановку актуальной научно-технической задачи обоснования рациональных параметров, разработки основ взаимодействия породоразрушающих органов с забоем и на этой основе создание высокопроизводительных исполнительных органов буровых станков для проходки взрывных скважин в мерзлых сложноструктурных массивах на карьерах Сибири и Севера РФ. Для достижения этого необходимо комплексное исследование рабочих процессов взаимодействия породо-разрушаюих инструментов исполнительных органов с забоем и очистки скважины от продуктов разрушения, влияния на скорость бурения различных свойств горных пород, слагающих мерзлый сложноструктурный массив, оптимизации технологии бурения. Решению данной задачи и посвящена настоящая работа.

Объект исследования - техника и технология бурения на карьерах.

Предмет исследования - технологический процесс бурения в условиях мерзлых пород.

Диссертация основана на материалах и результатах исследований, проведенных с участием автора в течение 5 лет на кафедре «Горные машины и рудничный транспорт» ИрГТУ.

Целью диссертационной работы является исследование процесса бурения взрывных скважин в мерзлых породах, разработка теоретических основ взаимодействия породоразрушающих инструментов с забоем, обоснование и разработка путей повышения эффективности разрушения горной породы на забое и очистки скважины от буровой мелочи, обеспечивающих существенный рост интенсификации темпов буровзрывных работ при подготовке горной массы к выемке в условиях карьеров Сибири и Севера РФ.

Основная идея работы состоит в разрушении мерзлых пород по цементирующим связям при стабилизации температурного режима и обосновании на этой основе принципов выбора рационального типа бурового инструмента и технологии бурения.

Основными задачами исследований являются:

1. Оценка современного состояния буровой техники и технологии, определение приоритетных направлений совершенствования проходки взрывных скважин и соответствия условиям работы в мерзлых массивах.

2. Разработка математической модели процесса бурения взрывных скважин для изучения формирования нагрузки на приводе вращателя бурового станка при различных режимах разрушения породы и очистки скважины от буровой мелочи.

3. Изучение температурного режима скважины в процессе бурения, оценка эффективности бурения взрывных скважин в условиях мерзлых массивов, изыскание эффективных способов стабилизации температурного режима буримой скважины.

4. Разработка инженерных методик выбора и расчета параметров теплообменника для нормализации температурного режима скважин при бурении мерзлых пород с продувкой.

5. Разработка методов совершенствования процесса разрушения породы и очистки забоя и затрубного пространства с учетом особенностей бурения в условиях сложноструктурного строения мерзлых массивов.

6. Экспериментальное подтверждение эффективности различных буровых инструментов и установок охлаждения продувочного воздуха, подаваемого в скважину для стабилизации ее температурного режима.

Методы исследования. В работе использован комплексный подход к исследованиям, включающий:

• анализ и обобщение теоретических разработок, а также производственных данных по применению и испытаниям средств бурения отечественного и зарубежного производства;

• проведение лабораторных стендовых исследований теплообменных процессов в призабойной зоне;

• выполнение производственных экспериментов на буровых станках типа СБШ для получения характеристик процесса бурения;

• обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных с помощью методов математического анализа, статистики и моделирования трехмерных течений газа в технических объектах с визуализацией этих течений методами компьютерной графики.

Основные научные положения, представленные к защите:

1. Эффективность разрушения забоя, очистки призабойной зоны и за-трубного пространства скважины при бурении в мерзлых массивах определяется их фракционным и минералогическим составом, строением, температурным режимом и влажностью, а также способом приложения нагрузки по-родоразрушающими инструментами исполнительных органов станков. Подтверждено, что сопротивляемость мерзлого массива механическому разрушению уменьшается с ростом влажности, при этом должна обеспечиваться нормализация температурного режима в затрубном пространстве для своевременного удаления продуктов разрушения.

2. Оптимальный тип, рациональные параметры и схема воздействия породоразрушающего инструмента на забой должны учитывать особенности строения мерзлого породного массива, характеризующегося неоднородностью материала и создавать условия для разрушения забоя крупным сколом породы с минимальной энергоемкостью по цементирующим связям, обладающим меньшей прочностью.

3. Нормализация температурного режима в призабойной зоне скважины при бурении мерзлых пород обеспечивается рабочими кромками режущих долот со шнековой, шнеко-пневматической очисткой или продувкой скважины, либо породоразрушающими органами режуще-шарошечных или режуще-ударных долот с наложением на них статических или динамических нагрузок и подачей охлажденного продувочного воздуха к забою и в затруб-ное пространство.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием теоретических и стендовых исследований, производственных экспериментов на буровых станках и опытно-промышленных испытаний различных породоразрушающих инструментов, проведенных на карьерах Сибири и Севера РФ; применением апробированных методов построения математических моделей основных технологических процессов бурения на основе законов теоретической и прикладной механики и термодинамики.

Научная новизна работы состоит в:

• обосновании принципов выбора рациональных параметров бурового инструмента, обеспечивающих минимальную энергоемкость разрушения породы на забое;

• совершенствовании системы удаления буровой мелочи из скважины с учетом закономерности технологического процесса разрушения и транспортирования мерзлых пород;

• получении аналитических зависимостей мощности, потребляемой приводом вращателя бурового станка, затрачиваемой на разрушение забоя различными типами инструмента и очистку скважины;

• определении температуры продувочного воздушного потока и установлении необходимой степени его охлаждения для предотвращения оттаивания продуктов разрушения на забое и в затрубном пространстве скважины.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций выбора рациональных типов породоразрушающих инструментов и режимов работы бурового станка на основании гранулометрического состава выносимой на поверхность буровой мелочи; разработке рекомендаций и методик выбора и расчета параметров теплообменников для нормализации температурного режима скважины при бурении мерзлых пород; обосновании методов выбора бурового инструмента при шнековой, шнеко-пневматической очистке и продувке скважины в условиях бурения мерзлых пород.

Реализация результатов работы. Разработки и рекомендации работы осваиваются на карьерах Севера РФ, в том числе:

• методика выбора и расчетов параметров теплообменников для нормализации температурного режима скважин при бурении мерзлых пород с продувкой одобрена и рекомендована к применению институтом Востсибгипро-шахт при проектировании угольных разрезов;

• принципы выбора бурового инструмента, разработанные на основе рекомендованных конструктивных параметров для работы в мерзлых массивах, прошедшего производственные испытания на горных предприятиях Сибири и Севера РФ и рекомендованы к использованию;

• системы очистки скважины от продуктов разрушения породы с охлаждением продувочного агента успешно прошли стендовые и производственные испытания на предприятиях Сибири и Севера РФ.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены: на первой и второй межрегиональных выставках-конференциях «Уральский горнопромышленный форум (г. Екатеринбург, 2005г., 2007г.); на научных заседаниях кафедры ГМ и РТ; на научно-практических конференциях «Игошинские чтения» (Иркутск 2004+2007 г.г.); на совещаниях Азейского филиала ОАО «СУЭК» (г. Тулун, 2005+2007 гг.); на международном научно-практическом семинаре «Качество горнотранспортного оборудования и оптимизация его обслуживания и эксплуатации» 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Ряд аспектов освещено в 4 статьях (2 из них в центральных технических журналах).

Личный вклад соискателя в работу заключается: в сборе и анализе информации о показателях бурения на различных карьерах; проведении экспериментов на буровых станках; систематизации и анализе результатов стендовых испытаний буровых долот; выборе базовых технологических зависимостей и методов определения их параметров; в математическом моделировании процессов бурения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 128 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков, 16 таблиц и библиографический список из 105 наименований.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Шевченко, Алексей Николаевич

Выводы

1, Мерзлые сложноструктурные массивы, сложенные породами повышенной влажности имеют весьма неустойчивый температурный режим и очень чувствительны к внешним воздействиям. Анализ теплового баланса скважины свидетельствует, что основными источниками температурных изменений в скважине является породоразрушающий инструмент исполнительного органа бурового станка, воздействующий на забой и продувочный агент, имеющий температуру на выходе из компрессора.

2. В призабойной зоне температура повышается за счет образования новой поверхности при разрушении забоя. Теплота, образующаяся при бурении, распределяется между частицами буровой мелочи и породоразрушающим инструментом, а температура продувочного воздуха изменяется от взаимодействия с ним. Нарушение температурного режима скважины приводит к изменению агрегатного состояния мерзлой породы и ее растеплению, что сопровождается нарушением очистки скважины за счет появления сальников вокруг долот и бурового става, налипания буровой мелочи на породоразрушающий инструмент и штанги, намерзания продуктов разрушения на стенки скважины.

3. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования те-плообменных процессов, происходящих в призабойной зоне скважины, свидетельствуют о том, что: теплота, образуемая при работе долота, распределяется между частицами буровой мелочи и породоразрушающим инструментом. При бурении пород любой крепости со скоростью, обеспечивающей объемное разрушение, нагрев пород забоя не происходит; количество теплоты, поглощенной буровым инструментом, соответствует мощности, затрачиваемой на преодоление сил трения; количество теплоты, поглощаемое буровой мелочью, соответствует мощности, затрачиваемой на разрушение породы.

4. Основными параметрами, характеризующими теплообменные процессы в призабойной зоне скважины, являются коэффициенты теплообмена между продувочным воздухом, буровым инструментом и буровой мелочью. Увеличение диаметра скважины при постоянном диаметре буровых штанг и расходе сжатого воздуха сопровождается ростом проходного сечения призабойной зоны и затрубного пространства и снижением скорости движения потока продувочного воздуха, а, следовательно, и уменьшением интенсивности теплообмена. Для компенсации режима теплообмена необходимо повысить расход воздуха.

5. Интенсивность конвективного переноса теплоты с поверхности частиц буровой мелочи продувочным воздухом, движущимся относительно частиц, главным образом, зависит от фракционного состава продуктов разрушения. Более интенсивно процесс теплообмена осуществляется с наиболее мелкими частицами, о чем свидетельствуют частые осложнения продувки ввиду образования сальников при бурении скважин шарошечными долотами, когда преобладают мелкие фракции буровой мелочи. Проходку скважин в породах, находящихся в состоянии «вялой мерзлоты» рационально производить с малой скоростью подачи бурового става на забой, что уменьшает крупность продуктов разрушения, но увеличивает эффект охлаждения продувочным потоком воздуха с отрицательной температурой.

6. Нормализация температурного режима в скважине при бурении мерзлых пород с продувкой может быть достигнута путем применения режущих и режуще-шарошечных долот, обеспечивающих меньшую энергоемкость разрушения и выход более крупных продуктов, что позволяет избежать нарушений очистки скважины.

7. Полученная зависимость устанавливает необходимую степень охлаждения очистного продувочного агента для определения потребной температуры потока воздуха, поступающего в скважину с целью предотвращения нарушений очистки.

4. ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО УСТРОЙСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ ПОТОКА, ПОСТУПАЮЩЕГО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ, И ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА.

Решение задачи нормализации температурного режима может быть осуществлено подачей охлажденного продувочного воздуха. С этой целью кафедрой горных машин Иркутского государственного технического университета были проведены анализ существующих устройств охлаждения продувочного воздуха, подаваемого от компрессора на забой скважины, изучение теплообменных процессов, происходящих при разрушении породы в условиях мерзлоты, а также проанализированы существующие системы очистки буримых скважин. На основе проведенных изысканий были разработаны способ и устройство охлаждения поступающего для очистки скважины потока продувочного воздуха.

Способ и устройство относятся к горной промышленности и могут быть использованы для бурения взрывных скважин с продувкой сжатым воз-духов в мерзлых массивах повышенной влажности на карьерах, приисках и шахтах при открытом и подземном способах добычи полезных ископаемых, а также для проходки технологических скважин. Способ предусматривает механическое разрушение породы на забое и бесперебойную очистку забоя и затрубного пространства скважины с предотвращением растепления мерзлых частиц буровой мелочи. Продувку скважины производят разделением потока продувочного воздуха с распределением его для подачи к забою и через эжекционные каналы в конфузорный участок для увеличения скорости потока в затрубном пространстве, что вызывает падение давления и понижение температуры продувочного воздуха до отрицательных значений.

Охлаждение потока продувочного воздуха, поступающего по центральному каналу бурового става от компрессора подогретым от сжатия в компрессоре и от контакта с буровым долотом, воспринимающим интенсивно выделяемое тепло при разрушении породы на забое, осуществляется за счет расширения продувочного потока при истечении его из долота и создания эжекции в призабойном и затрубном пространстве скважины. Создаваемый эффект эжекции позволяет интенсифицировать степень охлаждения продувочного потока с подачей его в призабойную зону и затрубное пространства скважины и существенно активизировать транспортировку частиц продуктов разрушения, предотвращая оттаивание буровой мелочи и не допуская образования сальников в зазоре между буровым ставом и стенками скважины и таким образом локализуя создание условий для нарушений продувки буримой скважины. Благодаря применению устройства охлаждения продувочного потока предполагается повысить эффективность работы бурового станка, снижаются аварийность процесса бурения, затраты на буровые работы, расширить область применения используемого бурового оборудования и достичь его универсальности при работе в сложноструктурных мерзлых массивах повышенной льдистости.

За основу разработанного устройства принят способ бурения скважин, близкий по технической сущности и достигаемому результату к разработанному устройству (В.Д. Буткин, А.В. Гилев, С.В.Доронин и др. Опыт и развитие технологий силового бурения резанием на карьерах. М.: МАКС Пресс, 2005 С. 240-260, рис. 4.39, 4.40), включающий пневмо-эжекционную эвакуацию бурового шлама из скважины. Прототип сочетает продувку забоя и шне-ко-пневматическую очистку затрубного пространства скважины от продуктов разрушения забоя и позволяет интенсифицировать транспортировку буровой мелочи из скважины за счет того, что воздушно-шламовый поток в затрубном пространстве приобретает винтообразное движение путем его закручивания спиралью шнека пневмо-эжекционного эвакуатора. Основными недостатками прототипа являются, наличие шнековой спирали в призабойной части бурового става, что создает дополнительные сопротивления транспортированию воздушно-шламового потока, сопровождается необходимостью повышения давления в потоке продувочного воздуха и, как следствие, существенным снижением эффекта эжекции в затрубном пространстве скважины. Это ухудшает транспортировку продуктов разрушения забоя из скважины и приводит к росту загрузки привода компрессора, увеличению расхода электроэнергии и затрат на бурение. Кроме того, интенсивный износ шнека за счет постоянного трения периферийной части спирали о стенки скважины требует его частой замены, что приводит к дополнительным простоям бурового станка и снижению его производительности. Реализация данного способа предусматривает улучшение транспортирования продуктов разрушения из скважины и не предполагает регулирование температурного режима скважины с целью ее очистки.

Основная задача применения разработанного устройства заключается в расширении технологических возможностей и повышении производительности процесса бурения взрывных скважин в мерзлых массивах, сложенных породами повышенной влажности. Это достигается за счет того, что с целью предотвращения нарушений очистки скважины вследствие локализации оттаивания продуктов разрушения и образования сальников продувка забоя скважины и затрубн ого пространства осуществляется охлажденным потоком воздуха, поступающим, от компрессорной установки бурового станка. Другой задачей является сохранения устойчивости стенок скважины путем создания условий, препятствующих их осыпанию и обрушению, что может предотвратить нарушение нормального процесса бурения скважины и не допустить, аварию, связанную с завалом призабойной зоны обрушившимся материалом.

Поставленная задача достигается тем, что в способе охлаждения поступающего для очистки скважины продувочного воздуха используется эффект эжекции воздушного потока, когда увеличивается его скорость что сопровождается снижением давления воздуха и одновременно падением температуры воздушного потока при его расширении. Уменьшение температуры воздушного потока предотвращает возникновение нарушений очистки скважины особенно в мерзлых породах повышенной влажности. Кроме того, эжек-ция воздушного потока сопровождается увеличением его скорости в призабойной зоне и затрубном пространстве между стенками скважины и буровым ставом, что значительно повышает эффективность транспортирования продуктов разрушения породы от забоя до устья скважины и в свою очередь уменьшает возможность нарушений очистки скважины

Наличие принципиальных отличительных признаков у предлагаемого устройства от имеющихся аналогов позволяет упростить изготовление устройства, получить необходимое снижение температуры потока продувочного воздуха, поступающего от компрессора в разогретом состоянии, до температуры, препятствующей растеплению частиц буровой мелочи в призабойной зоне и затрубном пространстве скважины. Тем самым разработанное устройство позволит предотвратить образование сальников, нарушающих очистку скважины и существенно снижающих производительность бурового станка.

Параметры системы продувки скважины выбраны на основании экспериментально полученных результатов исследований очистки скважин в условиях бурения мерзлых пород с пневматической очисткой. Оптимальное соотношение расхода воздуха, поступающего через центральный канал бурового става на продувку забоя скважины, к расходу воздуха, подаваемого через зжекционные каналы буровой штанги в затрубное, установлено экспериментально и составляет 3:2, а удаление эжекционных каналов от забоя скважины равно 1,0 м. С целью обеспечения возможности регулирования скорости истечения воздуха и его расхода через эжекционные каналы устройство оснащено сменными насадками, которые могут заменяться в зависимости от физико-механических свойств и влажности пород, слагающих уступ путем их замены.

В этом случае создаваемая эжекция вполне достаточна для надежного перевода частиц разрушенной на забое породы во взвешенное состояние и продвижения их по затрубному пространству скважины к ее устью, обеспечивая их витание и транспортировку по скважине. Такое соотношение расходов потоков является оптимальным также для эффективного подъема продуктов разрушения с забоя скважины (Рис. 4.1).

К, м/с г

Л /

У

Рис. 4.1 Зависимость скорости движения частиц буровой мелочи с1г=(5+7)10"3м от соотношения расходов потока воздуха на продувку забоя и потока, поступающего через эжек-ционные каналы в затрубное пространство скважины.

Уточнено соотношение расходов потоков воздуха, поступающего через центральный продувочный канал бурового става и потока, подаваемого через эжекционные каналы, при котором достигается температура потока, предотвращающая растепление породы. Указанные параметры устройства обеспечивают охлаждение продувочного воздушного потока до температуры, необходимой для предотвращения оттаивания продуктов разрушения породы на забое и возникновения нарушений продувки скважины при бурении мерзлых пород повышенной влажности (Рис. 4.2). В итоге достигается существенное повышение производительности бурового станка. Г, "С

-6 -5

-4

-3 -2 -1 1

1J(L

2 3 4 5

Рис. 4.2 Зависимость изменения температуры потока, подаваемого на продувку забоя, от соотношения расхода воздуха на продувку к расходу потока через эжекционные каналы

На рисунке 4.3 представлена схема устройства охлаждения продувочного потока воздуха, поступающего для очистки скважины с распределением общего потока, на часть с расходом Qi, поступающую к забою, через центральное продувочное отверстие долота, и часть с расходом Q2, поступающую через эжекционные каналы в затрубное пространство скважины. Буровой став выполняется из гладкоствольных штанг 1 и 2 с конусным участком 3 и долотом 4. В конусном участке бурового става 3 смонтирован делитель потока 5 и наклонные эжекцнонные каналы 6. Делитель потока конической резьбой соединяется через муфту 7 с буровым ставом. Гладкоствольная штанга 1 имеет центральный канал 8. Зазор 9 между стенками скважины и верхней 1 и нижней 2 штангами образует затрубное пространство, по которому транспортируются продукты разрушения породы на забое. Зазор между долотом и стенками скважины образует призабойную зону 10.

Поток сжатого воздуха с расходом QK от компрессора бурового станка поступает по центральному каналу 8 гладкоствольной штанги 1 в конусный участок 3 бурового става, где распределяется на два потока для подачи к забою с расходом Q, и для подачи через эжекционные каналы в затрубное пространство скважины с расходом Q2. Соотношение расходов воздуха в потоках достигается соотношением площадей сечений каналов для подачи воздуха к забою и в затрубное пространство скважины.

В призабойной зоне скважины поток Qi приводит частицы во взвешенное состояние, обеспечивая их подвижность (псевдоожижение) и подает воздушно-шламовый поток в затрубное пространство скважины. Через эжекционные каналы 6 поток воздуха Q2 устремляется в законусный участок затрубного пространства, снижая концентрацию частиц разрушенной на забое породы. Далее в затрубном пространстве от конического участка 3 до устья скважины транспортировка шлама осуществляется воздушным потоком с суммарным расходом Qi+Q2.

Рис. 4.3. - Схема устройства охлаждения поступающего для очистки скважины потока и отдельных элементов устройства (1 - верхняя штанга; 2 -нижняя штанга; 3 - конический участок бурового става; 4 - долото; 5 - делитель потока воздуха; 6 - эжекционные каналы; 7 - замковая муфта буровой штанги; 8 - центральный канал верхней штанги; 9 - затрубное пространство скважины; 10 - призабойная зона скважины; 11 - рассекатель потока; 12 -проходное отверстие рассекателя)

Ввиду того, что площадь сечения затрубного пространства выше конического участка 3 уменьшается за счет конусности наружной поверхности делителя потока 5, происходит рост скорости суммарного потока, что сопровождается созданием эжекции в воздушном потоке и содействует повышению эффективности очистки забоя скважины и транспортированию продуктов разрушения. Эжекция в затрубном пространстве и призабойной зоне скважины вызывает возникновение перепада давления в воздушном потоке и, как следствие, создание условий для изохорического расширения воздуха с понижением температуры потока, который, омывая забой и затрубное пространство скважины, препятствует оттаиванию частиц буровой мелочи и стенок скважины при проходке в мерзлых массивах пород повышенной влажности, что в свою очередь препятствует созданию условий нарушения очистки скважины и снижению производительности бурового станка.

С целью теоретического подтверждения работоспособности предлагаемого устройства была создана ее трехмерная модель, и рассчитана программным комплексом Flow Vision 2003.

Программный комплекс FlowVision 2003 предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики. Моделируемые течения включают в себя стационарные и нестационарные, сжимаемые, слабосжимаемые и несжимаемые потоки жидкости и газа. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости, включая течения с сильной закруткой, горением, течения со свободной поверхностью. FlowVision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью FlowVision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Эта технология позволяет импортировать геометрию из систем САПР и обмениваться информацией с системами конечно-элементного анализа.

В результате были получены значения скорости движения продувочного потока, давления и температуры по всему объему буримой скважины (рис. 4.4).

Инфо [Вектора из Скорость]

Цвет а) б)

Инфо [Залив ка из Температура] [J Инфо [Заливка из Давление]

92>\ JBJ

Цвет Значение lieer Значение

53.6 ■■i 4586

47,7 ШШШШ 3969

41.7 3344

358 2729

29.9 2106 ямин 239 ЯШИ» N86

191 К-Л 872

12.2 » 249

6.3 -366 шшшшшшяшш 0.3 ■1 -990

•56 ■1 -1608 в)

Рис. 4.4 - Результаты расчетов давления (а), температуры (б) и скорости движения (в) продувочного воздуха

Использование устройства для охлаждения потока воздуха, подаваемого на продувку скважины позволяет предотвратить оттаивание продуктов разрушения забоя и образование нарушений очистки скважины, а за счет этого увеличить механическую скорость бурения в 1,5-1,6 раза, производительность станка на 30-40% и существенно снизить затраты на буровые работы.

103

Заключение

В диссертационной работе произведена оценка современного состояния буровой техники и технологии, определены приоритетные направления совершенствования проходки взрывных скважин и соответствия их параметров условиям работы в мерзлых массивах.

На базе разработки научных основ взаимодействия породоразрушающих инструментов исполнительных органов с забоем скважины осуществлены теоретическое обобщение и решение научной задачи обоснования и выбора рациональных параметров исполнительных органов буровых станков для проходки взрывных скважин в мерзлых сложноструктурных массивах карьеров Севера с целью интенсификации буровых работ, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Разработаны принципы выбора и оценки параметров исполнительных органов и определения оптимальных параметров работы породоразрушающих инструментов, учитывающие не только требования эффективного разрушения породы на забое, но и нормализации температурного режима скважины и на этой основе разработана конструкция устройства охлаждения поступающего для очистки скважины потока и его отдельных элементов.

Проведено изучение температурного режима скважины в процессе бурения и предложены способы его нормализации в условиях бурения мерзлых массивов. На этой основе разработан метод расчета параметров режима и показателей бурения и стабилизации температуры скважины. При этом учитываются особенности физико-механических свойств горных пород, их температурный режим, способ и скорость приложения нагрузки на забой различными породоразрушающими инструментами исполнительных органов.

Разработана методика выбора и расчета параметров теплообменника для нормализации температурного режима скважин при бурении мерзлых пород с продувкой с целью предотвращения растепления породы при взаимодействии бурового органа с забоем и продуктов разрушения в призабойной зоне и затрубном пространстве скважины.

Сформулированы принципы выбора типа исполнительных органов, режимов отработки буровых долот, которыми они оснащены, и способов очистки скважин от продуктов разрушения и разработана структурная схема для этих целей.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для интенсификации подготовки горной массы к выемке в условиях мерзлых массивов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шевченко, Алексей Николаевич, 2007 год

1. Алимов О.Д., Дворников JI.T. Бурильные машины. М.: Машиностроение, 1976. - 295 с.

2. 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. 96-400.

3. А.с. 250792 СССР, МПК Е21В 9/10 Лубрикаторы для смазки опор шарошечных долот/ В.А. Перетолчин, Н.Н. Страбыкин, Я.Н. Долгун и др. (СССР) Опубл. 26.08.1969, Бюл. № 27.

4. А.с. 585267 СССР М Кл2 Е21В 9/02 Комбинированное шарошеч-но-лопастное долото/В.А. Перетолчин, Ю.П. Шеметов, Н.Н. Страбыкин и др. (СССР) Опубл. 25.12.1977, Бюл. № 47.

5. А.с. 723088 СССР М Кл2 Е21В 9/02 Комбинированное шарошеч-но-лопастное долото/В.А. Перетолчин, Ю.П. Шеметов, Н.Н. Страбыкин и др. (СССР). Опубл. 25.03.1980, Бюл. № 11.

6. А.с. 885533 СССР М Кл2 Е21В 9/02 Шарошечное долото/В.А. Перетолчин, Е.В. Чудогашев, С.Н. Аввакумов и др. (СССР) Опубл. 306.11.1981, Бюл. №44.

7. А.с. 9567333 СССР М КлЗ Е21В 10/08 Шарошечно-лопастное долото/В.А. Перетолчин, Ю.П. Шеметов, Н.Н. Страбыкин и др. (СССР) -Опубл. 07.09.1982, Бюл. № 33.

8. А.с. 1089230 СССР М КлЗ Е21В 10/42 Шарошечно-лопастное долото/В.А. Перетолчин, Ю.П. Шеметов, Н.Н. Страбыкин и др. (СССР) -Опубл. 30.04.1984, Бюл. № 16.

9. А.с. 1218057 СССР М КлЗ Е21В 10/14 Комбинированный буровой снаряд/Н.Н. Страбыкин, Ко-Тхя-Хва (СССР) Опубл. 15.03.1986, Бюл. № 10.

10. Барон JI.И., Глатман Л.Б. Определение угла скола горных пород при внедрении инструмента//Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинско-го, вып. 70, М., 1970. - С. 30-35.

11. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Разрушение горных пород проходческими комбайнами//Разрушение агрегированными инструментами. М.: Наука, 1977.-С. 45-58.

12. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Износ инструмента при резании горных пород. М.: Недра, 1968. - 168 с.

13. Барон Л.И. Коэффициенты крепости горных пород. М.: Наука, 1972.-176 с.

14. Барон Л.И. Коэффициенты крепости при резанье горных пород. -М.: Недра, 1968.- 168 с.

15. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Определение угла скола горных пород при внедрении инструмента//Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинско-го, вып. 70, М., 1970. - С. 30-35.

16. Басс Б.А. Выбор рациональной формы клина для ударного разрушения мерзлого грунта//Строительные и дорожные машины. 1966. - №3. -С. 15-18.

17. Беляев А.Е., Страбыкин Н.Н. Характеристики транспортирования потока буровой мелочи из скважины воздухом // Горные машины и автоматика. 2002: З'(е 11 С. 32—35

18. Белянин В.В. Параметры машин для ударного рыхления мерзлых грунтов клином//Строительные и дорожные машины. 1975. - №2. - С. 3437.

19. Берон А.И. Об экспериментальных и теоретических исследованиях процесса резания угля//Труды конференции по разрушению углей и пород. -М., 1963.-С.8-25.

20. Буткин Кд., Гвлев А.В., Чесноков КТ. и др. Опыт и развитие технологии силового бурения резанием на карьерах М.: МАКС Пресс, 2005. С. 240—260.

21. Ващук И.М., Аранзон М.И. Сопротивление мерзлых грунтов динамическому внедрению клиновидного рабочего органа: Сб. тр. ВНИИСт-ройдормаш, № 65. М.: Стройиздат, 1974. - С. 61-65.

22. Воздвиженский Б.И., Мельничук И.П., Пешалов Ю.А. Физико-механические свойства горных пород и их влияние на эффективность бурения. -М: Недра, 1973.-240 с.

23. Виброметод разработки мерзлых грунтов/Шкуренко Н.С., Рахлин А.Б., Спектор М.Д. и др. М.: Стройиздат, 1965. - 137 с.

24. Владиславлев B.C. Разрушение пород при бурении скважин. М.: Гостоптехиздат, 1958.-242 с.

25. Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов//Прочность и ползучесть мерзлых грунтов. М.: АН СССР, 1963. - С. 47-52.

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

27. Ганджумян Р.А. Практические расчеты в разведочном бурении. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра. 1986.

28. Гетопанов В.Н. О природе осевого усилия на резце при вращательном бурении//Изв. Вузов. Горный журнал. 1962. - №3. - С. 89-93.

29. Грязнов Г.С. Особенности глубокого бурения скважин в районах вечной мерзлоты. М.: Недра, 1969. - 235 с.

30. Турин М.А. Особенности разрушения мерзлого грунта частоудар-ным забойным органном//Изв. ВУЗ-ов. Горный журнал. 1964. - №1, - С. 3234.

31. Егупов А.А. Совершенствование буровзрывных работ при разработке вечномерзлотных россыпей. М.: Цветметинформация, 1973. - 60 с.

32. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968. - С. 71-75.

33. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керров И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. - 204 с.

34. Инженерные методы исследования ударных процессов/Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.В., Федосов А.А. М.: Машиностроение, 1977.-С. 41-45.

35. Кантович Л.И., Дмитриев В.Н. Статика и динамика буровых шарошечных станков. М.: Недра, 1984. - 201 с.

36. Катанов Б.А. Эффективная очистка скважин при вращательном бурении // Горные машины и автоматика; № 9,2003. С. 18-21.

37. Катанов Б.А. Влияние силовых режимов на эффективность вращательного бурения взрывных скважин резцовыми долотами // Горные машины и автоматика; № 11,2003. С. 11-13.

38. Катанов Б.А. Стенды для исследования бурового инструмента // Известия ВУЗов. Горный журнал. №5. 2000. С. 83 89.

39. Катанов Б.А., Сафохян М.С. Инструмент для бурения взрывных скважин на карьерах. М.: Недра, 1989. С. 146 153.

40. Киселев Б.Н. Некоторые закономерности статического внедрения клина в мерзлый грунт: Сб. тр. УПИ. Вып. 128. - Свердловск, 1963. - С. 117-120.

41. Крапивин М.Г. Горные инструменты. М.: Недра, 1979. - 263 с.

42. Кудряшов Б.Б., Зора О.В., Филатов О.С. Температурный режим шарошечных долот при бурении с продувкой воздухом // Нефтеное хозяйство. 1969. - №8 .-С. 1-5.

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

44. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в осложненных условиях. М.: Недра. 1987.

45. Кулиев О.М. Температурный режим бурящихся скважин. М.: Недра, 1968.-135 с.

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

47. Кутузов Б.Н., Токарь М.Г. О постоянстве угла скола горных по-род//Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1968. - №5. - С. 83-85.

48. Кучерявый Ф.И., Кожушко Ю.М. Разрушение горных пород. М.: Недра, 1972.-240 с.

49. Лопатин Ю.С. Бурение взрывных скважин на карьерах. М.: Недра, 1979.-198 с.

50. Маров И.В. Энергоемкость разрушения и крепость горных пород. Известия СО АН СССР, 1962, №4.

51. Музгин С.С. К теории разрушения мерзлых грунтов. Труды института горного дела АН КазССР, 1957. С. 114-118.

52. Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача. Киев: Вища школа, 1978. С. 185-190.

53. Остроушко И.А. Бурение твердых горных пород. Киев: Гостех-издат УССР, 1959.-344 с.

54. Патент 1776285 СССР УАЗ. Буровое долото. Страбыкин Н.Н., Си-ницын Г.М.; заявитель и патентообладатель Иркутский политехнический институт; опубл. 15:11.92: Бил. № 42, 7 с.

55. Пекарская Н.К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее зависимость от текстуры. М., 1963. - С. 54-58.

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

57. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н. и др. Опыт работы буровых станков на карьерах Черемховского месторождения. Вост.-Сиб. Книжное изд-во. - Иркутск, 1969. - 57 с.

58. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Долгун Я.Н. и др. Применение режущего бурового инструмента на угольных разрезах. ЦНИЭИУголь. М.:, 1972.-52 с.

59. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Долгун Я.Н и др. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах. М.: Недра, 1993. С. 124—171.

60. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Шеметов Ю.П. и др. Классификация и перспективы применения комбинированного бурового инструмента: Сб. тр. ИЛИ. Иркутск, 1971. - Вып. 57. - С. 198-207.

61. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Шеметов Ю.П. и др. Повышение эффективности бурения скважин на алмазорудных карьерах Якутии. // Механизация горных работ//Межвуз. Сб. Кемерово, 1990. - С. 179-153.

62. Перетолчин В.А. Вращательное бурение скважин на карьерах. -М.: Недра, 1975.- 128 с.

63. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. М.: Недра, 1983. - 175 с.

64. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Еремин Г.А. и др. Применение на разрезах режуще-шарошечного бурового инструмента. ЦНИЭИУголь. -М.:, 1972.-52 с.

65. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Коледин Ю.М. и др. Опыт применения нового бурового инструмента на шарошечных станках. М.: Недра, 1968.-64 с.

66. Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н., Чудогашев Е.В. Определение рациональной области работы режущего органа комбинированного долота: Ст. тр. ИПИ: Разработка месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири. Раздел III. - Иркутск, 1973. - С. 76-80.

67. Перетолчин В.А., Долгун Я.Н., Страбыкин Н.Н. Вопросы выбора вращательного бурового инструмента условиях Шарынгольского угольного карьера: СБ. тр. МонПИ: Техник и технологийн мадээ Улан-Батор, 1979. -С. 43-48.

68. Результаты создания и применения нового инструмента для станков вращательного бурения: Отчет о НИР (заключ.)/ИПИ: ГР № 81072736. -Иркутск, 1982.-258 с.

69. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1978.-390 с.

70. Седов В.т. Теплообмен при бурении мерзлых пород. М.: Недра, 1990.- 127 с.

71. Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. М.: Недра, 1990. - 224 с.

72. Симкин Б.А. Оборудование и способы бурения взрывных скважин на карьерах//Теория и практика открытых разработок. Под редакцией Н.В. Мельникова. М.: Недра, 1973. То же 2-ое изд-во, перераб. И дополн. - М: Недра, 1979.-С. 376-396.

73. Спивак А.И., Гутман Э.М. К оценке температуры рабочей поверхности инструмента при разрушении горной породы//Труд. Уфимского нефтяного института. Вып. XI. - Уфа, 1972. - С 71-75.

74. Сравнительные испытания шарошечного и ударно-шарошечного инструмента/А.Н. Попов, М.И. Оноцкий и др. // Изв. ВУЗов. Геология и раз-ветка. 1979. - №4. - С. 34-36.

75. Страбыкин Н.Н., Перетолчин В.А., Беляев и др. Испытания комбинированного режуще-шарошечного бурового инструмента для станков 2СБШ-200//Бюлл. Колыма. 1973. - №11. - С. 28-30.

76. Страбыкин Н.Н., Чудогашев Е.В. Бурение взрывных скважин на многолетне мерзлых россыпях. Иркутск: ИПИ, 1982. - 55 с.

77. Страбыкин Н.Н. Техника бурения взрывных скважин в мерзлых породах. М.: Недра, 1989. 172 с.

78. Страбыкин Н.Н. Влияние интенсивности теплообмена в призабойной зоне и затрубном пространстве на эффективность очистки скважин при бурении мерзлых пород//Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1991. - №5. - С. 5862.

79. Страбыкин Н.Н., Горячкин В.М. Выбор параметров теплообменника для нормализации температурного режима скважины при бурении мно-голетнемерзлых пород с продувкой// Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1991. -№5.-С. 51-62,

80. Страбыкин Н.Н. Выбор эффективного способа и средств бурения взрывных скважин в мерзлых сложноструктурных массивах// Бюлл. Колыма. 1990. -№9.-С. 19-23.

81. Страбыкин Н.Н. Интенсификация вращательного бурения путем создания импульсных нагрузок на режущей кромке инструмента/Механизация горных работ: Сб. науч. тр. КузПИ. Кемерово, 1984. - С. 110-116.

82. Суриков В.В. Механика разрушения мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, 1979.-С. 18-22.

83. Тагиров М.Т. Производственные испытания резцовых и режуще-шарошечных долот//Машины и оборудование для подземных работ. М.: НИИинформтяжмаш, 1973. - С. 41-45.

84. Телешов А.С., Брюхов Б.Ф. Классификация схем комбинированного бурового инструмента для угольных разрезов // Уголь. №1, 1973. С. 31 — 33.

85. Телешов А.С. Бурение скважин резанием станками типа СБШУголь. 1981. - №11. - С. 35-37.

86. Тихонов А.Н. Уравнение математической физики. М.: Высшая школа, 1970.-С. 180-184.

87. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент / Справочник под ред. В А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982.

88. Федоров B.C. Проектирование режимов бурения. М.: Гостоптех-издат, 1978.-280 с.

89. Фоминых В.Г. Комденированное бурение скважин. М.: ЦНИЭИУголь, 1984.-17 с.

90. Царицын В.В. Бурение горных пород. Киев: Гостехиздат УССР, 1959.-344 с.

91. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1963. -С. 36-51.

92. Чарный И.А. О термическом режиме буровых скважин//Газовая промышленность. 1966. - №10. - №12. - С. 18-32.

93. Черняк В.П. Прогноз теплового режима глубокой бурящейся скважины//Нефтяное хозяйство. 1969. -№9. - С. 30-35.

94. Чжу В.Н., Перетолчин В.А., Страбыкин Н.Н. Испытания нового бурового инструмента на разрезах производственного объединения Востсиб-уголь // Уголь. 1975. - №12. - С. 52-54.

95. Чудогашев Е.В. Исследование работы комбинированного бурового инструмента в условиях угольных карьеров Восточной Сибири: Дисс. Канд. техн. Наук. Иркутск, 1972. - 99 с.

96. Шарошечное и режуще-вращательное бурение взрывных скважин при разработке многолетнемерзлых россыпей/ В.А. Перетолчин, Н.Н. Страбыкин, Е.В. Чудогашев и др. М.: Цветметинформация, 1979. - 44.

97. Шлойдо Г.А. Учет поперечной деформации при определении условно-мгновенного сопротивления мерзлых грунтов сжатию и растяже-нию//Исследование машин для разработки мерзлых грунтов: Сб. тр. ВНИИ Стойдормаш. Т. ХШ. - М., 1970. - С. 77-80.

98. Шрейнер JI.A. Физические основы механики горных пород. Механические свойства и процессы разрушения при бурении. М.: Гостоптехиз-дат, 1950.-212 с.

99. Щербак Г.С. Комбинированный буровой инструмент ударно-режущего типа//Строительство и эксплуатация горнорудных предприятий: Сб. науч. Тр.-Вып. 1.-М.: Недра. 1970.-С. 132-136.

100. Щербань А.Н., Черняк В.П. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин. М.: Недра, 1974. - 2448 с.

101. Юшкин А.Д., Бажов ЮГ. Производственные испытания режущего инструмента НПИ 6В/24//Уголь. - 1980. - №1. - С. 41-42.

102. Olaszowaki Wiodzimtere, Haler Janusz, Lisak Tadeusz. The oretycane podstawy wiercento obrotowego wskalach. "Mech 1 Sutomat gorn". 1975, 13, № 4, p. 13-19.