Эффективные конструкции бурового инструмента для угольных разрезов
Одним из существенных факторов, сдерживающих дальнейшее улучшение технико-экономических показателей открытых горных работ в Кузбассе, является некачественное буровое оборудование станки шарошечного и шнекового бурения и их буровой инструмент.
Возможности совершенствования существующих конструкций буровых станков при сохранении их традиционной конструктивной схемы ограничены. Анализ результатов эксплуатации карьерных буровых станков на разрезах показывает, что при разработке их нового типового ряда возможно создать универсальные станки, рассчитанные на бурение различными видами породоразрушающего инструмента и перейти на их компоновку из отдельных модулей. При этом станок должен быть рассчитан на бурение скважин определенного диапазона диаметров и глубин со шнекопневматической очисткой.
Поскольку модернизация и капитальное переоснащение станочного парка горных предприятий на основе нового типажа связано со значительными материальными затратами, первостепенной задачей является совершенствование бурового инструмента. Основным видом породоразрушающего бурового инструмента в настоящее время являются шарошечные долота. Затраты только угольных разрезов на их приобретение составляют десятки миллионов рублей в год.
Анализ отработки шарошечных долот показывает, что срок их службы практически определяется стойкостью опор, которая значительно меньше нормальной долговечности подшипников качения. Это объясняется не только проникновением породной мелочи через зазор между шарошкой и лапой в полость подшипников, но и недостаточно надежной смазкой. В связи с этим основное внимание при дальнейшем совершенствовании шарошечных долот должно быть обращено на повышение долговечности опор и, прежде всего, на улучшение их смазки и изоляции от внешней среды с целью предотвращения попадания в опоры пылеватых частиц, образующихся на забое.
У современных серийных долот с центральной продувкой в их лапах и цапфах выполняются специальные каналы, по которым в опоры долота поступает от 5 до 25-30 % общего объема воздуха, подводимого к долоту.
По замыслу авторов, разрабатывавших шарошечные долота, это должно было способствовать не только смазке и охлаждению опор, но и предотвращению попадания в них частиц выбуренной породы. Однако при этом для обеспечения прохода воздуха через опору необходимо предусматривать достаточные зазоры 5 между шарошкой и цапфой, на которой она вращается, что неизбежно связано с проникновением в опору частиц буровой мелочи и воды во время прекращения продувки, например, при наращивании штанг. Таким образом, герметизация опор не была решена, и воздухоподводящие каналы не оправдывают своего назначения и лишь усложняют конструкцию долота.
Решение проблемы заключается, на наш взгляд, в коренном изменении конструкции опор. При этом первостепенное значение имеет их герметизация и надежная смазка, что может быть обеспечено при маслонаполненной опоре и минимальном зазоре между поверхностями скольжения. При такой конструкции опор нет необходимости в продувочных каналах в лапах и цапфах долот. При этом охлаждение опоры должно надежно обеспечиваться подачей в скважину достаточного для этого количества воздушно-водяной смеси. Увеличение работоспособности и срока службы долот хотя бы на несколько процентов даст реальную экономию, исчисляемую миллионами рублей.
Экспериментальные исследования, проведенные в КузГТУ, и опыт эксплуатации шарошечных долот на разрезах Кузбасса убедительно подтверждают высказанные выше положения. Для исключения повторного переизмельчения продуктов разрушения шарошечным долотом необходима своевременная очистка скважины, которая будет иметь место при условии, что за время поворота инструмента на 180ш частица успеет пройти путь от забоя скважины до затрубного пространства. На успешный вынос частиц влияет частота вращения долота, с увеличением которой время, необходимое для выноса без повторного переизмельчения, уменьшается.
Своевременная очистка призабойной зоны с целью исключения измельчения частиц буровой мелочи, сколотых с забоя скважины, имеет первостепенное значение при бурении как шарошечными, так и комбинированными режуще-шарошечными долотами. В этом случае частица должна быть удалена воздушным потоком из зоны долота за время, не превышающее время его поворота на ширину продувочного окна между породоразрушающими органами. Это справедливо и для комбинированного режуще-шарошечного долота, содержащего режущие и шарошечные органы.
С учетом изложенного, на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ было спроектировано, изготовлено и испытано на разрезе "Моховский" режуще-шарошечное долото РШД-ЗА, которое представляет собой двухшарошечное долото с шарошками, снабженное подвижными лапами со съемными резцами. Лапы опираются на пружину, поджатием которой регулируется часть осевого усилия, воспринимаемого резцами. При бурении слабых пород долото работает как режущее. С увеличением крепости пород пружина сжимается, и в работу вступают шарошки.
Испытания долота производились при бурении по обводненным бурым и серым суглинкам, переслаивавшимся темно-серыми мелкозернистыми, среднезернистыми песчаниками на глинистом и известковом цементе и плотными алевролитами. Коэффициент крепости этих пород по М.М.Протодъяконову изменялся от 1 до 5. Породы чередовались с прослойками песчаника крепостью f =810 толщиной от 20 до 150 см.
Скважины бурили станком 2СБШ-200Н на глубину 24 м под углом 15ш к вертикали. Испытания бурового инструмента происходили без нарушения ритма работы станка и не вызывали его простоев. За период испытаний долотом РШД-ЗА было пробурено более 500 м скважин.
Испытания показали, что по сравнению с серийно выпускаемыми шарошечными долотами, комбинированное режуще-шарошечное долото значительно эффективнее. Применение комбинированных долот РШД-ЗА обеспечивает повышение производительности буровых станков на чередующихся по крепости породах в 1.5 раза.
При бурении на разрезах значительное количество пыли выбрасывается в атмосферу. Существующие системы "сухого" пылеулавливания громоздки и недостаточно надежны, а применение воздушно-водяных смесей приводит к резкому сокращению срока службы дорогостоящих шарошечных долот.
В результате многолетних исследований, проводившихся в Кузбасском государственном техническом университете, намечены два направления решения проблемы: 1 использование на станках шарошечного бурения породоразрушающего инструмента (режущих и комбинированных долот), осуществляющего разрушение породы на забое скважины по принципу "крупного скола"; использование при шарошечном бурении шнекопневматической очистки скважин.
При бурении режущим инструментом образуется значительно большее количество крупных частиц буровой мелочи, чем при бурении другими видами долот, а шнековый буровой став при шнекопневматической очистке можно рассматривать как батарею последовательно расположенных мультициклонов.
Однако эти системы не лишены недостатков, главнейшим из которых является быстрое засорение и в холодное время года обмерзание тканевых рукавов фильтров при бурении обводненных пород. Кроме того, установки подобного типа весьма громоздки, имеют большое гидравлическое сопротивление и относительно большую энергоемкость.
При бурении увлажненных пород пылеобразование практически исключается, и поэтому нет необходимости в рукавных фильтрах. Следовательно, необходимо предусматривать в системах пылеулавливания буровых станков возможность их отключения, а во второй ступени очистки (пневмоциклонах) при шнекопневматической очистке в большинстве случаев вообще нет необходимости.
Правомерность подобных выводов подтверждается опытом эксплуатации станков шарошечного бурения со шнекопневматической очисткой скважин на карьерах Гурьевского рудоуправления ПО "Сибруда" в Кузбассе. При бурении скважин со шнекопневматической очисткой первостепенное значение имеет конструкция применяемых при этом шнековых буровых штанг.
Проведенные исследования показали, что для бурения скважин со шнекопневматической очисткой необходимо использовать буровые штанги (шнеки) специальной конструкции.