Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

1.1. Горно-геологические условия. Объемы и способы бурения на карьерах

Базисом всего промышленного производства является горная отрасль, осуществляющая добычу полезных ископаемых и обеспечивающая сырьевые потребности не только в России, но и других стран. Основные объемы горной массы подготавливаются к выемке буровзрывным способом, одним из главных производственных процессов которого является бурение взрывных скважин.

Бурение скважин производят не только в горной отрасли. Большие буровые работы ведут нефтегазовые и строительные предприятия. В настоящее время существует множество конструктивных решений по созданию различных видов буровой техники [1–11 и др.]. Однако основное применение на открытых и подземных горных работах нашли станки вращательного бурения шарошечными долотами (СБШ)

В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных и строительных работах превысят 60–70 млн м3, освоение которых при существующих способах бурения потребует списочного состава буровых станков более 2 тыс. ед. и годового расходования 300–350 тыс. шт. бурового инструмента. Ежегодные эксплуатационные затраты на бурение скважин могут достигнуть более 30 млрд. руб., из которых примерно 35–50 % составят затраты на буровой инструмент.

Существенный вклад в разработку и решение вопросов, связанных с развитием техники и технологии буровых работ, внесли О.Д. Алимов, Г.В. Арцимович, Т.Г. Агошашвили, В.Д. Буткин, П.В. Борденов, Д.Н. Башкатов, Г.Д. Бревдо, К.Е. Винницкий, Л.Т. Дворников, А.А. Жуковский, К.И. Иванов, Б.Н. Кутузов, Б.А. Катанов, Л.И. Кантович, С.П. Решетняк, Ю.Е. Воронов, К.Н. Трубецкой, М.Г. Крапивин, Е.Д. Карпухин, Л.Е. Маметьев, Н.В. Мельников, И.Э. Наринский, П.П. Назаров, М.М. Протодъяконов, В.А. Перетолчин, Р.Ю. Подэрни, В.В. Ржевский, Н.Я. Репин, Л.Д. Саруев, Б.Н. Смоляницкий, А.Ф. Суханов, Б.А. Симкин, Н.Н. Страбыкин, И.А. Тангаев, Г.С. Филиппов, В.В. Царицын, Ф.А. Шамшев, К.А. Чефранов, Е.Ф. Эпштейн и др.

Большой вклад в создание специальных рабочее-исполнительных органов внесли Д.Н. Башкатов, В.Д. Буткин, А.В. Гилев, Б.В. Брюхов, А.Е. Беляев, В.М. Горячкин, И.К. Владимирцев, Я.Н. Долгун, В.И. Дусев, Б.А. Катанов, Ю.М. Коледин, М.Р. Мавлютов, Б.Р. Ракишев, В.С. Травкин, А.В. Телешов, Ю.П. Шеметов, О.В. Чернецкий, Е.В. Чудогашев, М.К. Якушин и др.

По теории разрушения горных пород, в области совершенствования бурового оборудования и бурения глубоких скважин известны наиболее значимые научные труды Л.И. Барона, М.Г. Бингхэма, Л.Б. Глатмана, В.С. Владиславлева, Б.И. Воздвиженского, М.М. Протодьяконова, С.Е. Чиркова, Г.Р. Кинга, Н. Маковея, Ю.Ф. Потапова, В.П. Рожкова, С.С. Сулакшина, В.В. Симонова, В.С. Федорова, Л.А. Шрейнера, Р.М. Эйгелеса, А.А. Борисова, И.В. Баклашова, А.И. Спивака, Г.П. Черепанова, М.В. Раца, С.Н. Чернышева, Г.М. Крюкова и других исследователей.

Несмотря на значимость и многочисленность исследований, связанных с развитием буровой техники, в них недостаточно внимания уделено вопросам оптимального и своевременного регулирования режимов шарошечного бурения, адаптивных систем устранения критических нагрузок при бурении сложноструктурных породных массивов применительно к проблеме повышения ресурса бурового инструмента и механической скорости бурения. Это потребовало проведения специальных исследований.

Самым ответственным, дорогостоящим, высоконагружаемым и изнашиваемым звеном бурового станка является буровой орган с вращательно-подающим механизмом. Система «буровой орган – вращательно-подающий механизм» за последние десятилетия практически не изменяется и не совершенствуется. В связи с этим рост производительности бурового оборудования практически прекратился и происходит непрерывное значительное увеличение затрат на буровые работы, приходящиеся на одну скважину.

Буровой орган, состоящий из буровых штанг и бурового инструмента, определяет способ бурения скважин в соответствии со свойствами горных пород, которые изменяются в широком диапазоне даже в пределах обуреваемого блока. Производительность станка и стойкость бурового инструмента в этом случае в огромной степени зависит от режима бурения.

Однако режим бурения, прежде всего, определяется типом и характеристикой вращательно-подающего механизма, обеспечивающего и своевременно регулирующего скорость вращения и усилие подачи.

Соотношение различных способов бурения зависит от многих факторов (горнотехнических, экономических), но главным образом от горногеологических условий и коэффициента крепости горных пород, значения.

В процессе работы буровой инструмент сталкивается с пластами горной породы, имеющими разные мощность и физико-механические свойства. Так, структура горных пород Черногорского угольного разреза состоит из пластов мощностью от 0,45 до 6 м, имеющих диапазон крепости от 2 до 10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова (рис. 1.1)

Рис. 1.1. Структура горных пород Черногорского угольного разреза: 1 – Слоистые алевролиты, песчаники. За счет многочисленных прослоев алевролита тон всего слоя темно-серый. f = 6–8; 2 – Песчаник массивный, среднезернистый f = 8–10; 3 – Аргиллит черный, слабоуглистый f = 2–3; 4 – Алевропесчаник невыдержанного состава, на отдельных участках переходящий в песчаник f = 6–8; 5 – Алевролит черный слоистый, с прослоями песчаника f = 4–6; 6 – Песчаник желто-серый, массивный, мелкозернистый f = 8–10; 7 – Аргиллит слабоожелезненный f = 4–6; 8 – Песчаник неоднородный, ожелезненныи f = 8–10; 9 – Пласт Двухаршинный f = 3; 10 – Слоистый алевропесчаник f = 6–8; 11 – Пласт-спутник Двухаршинный f = 3; 12 – Песчаник неоднородный по составу, переслаивющийся с алевропесчаником f = 6–8, отдельные слои ожелезнены f = 8–10; 13 – Аргиллит темно-серый, плотный f = 3–4; 14 – Песчаник мелкозернистый, массивный f = 6–10; 15 – Слоистый темно-серый алевролит f = 4–6

Похожим образом выглядит литологический разрез многих месторождений, разрабатываемых открытым способом (рис. 1.2–1.4). Различные буровые долота в процессе бурения испытывают различные нагрузки, а их кинематика характеризует принципиальные различия векторов сил, разрушающих горную породу. Однако, при прохождении трещин, нарушений однородности, слоев с различной крепостью долота испытывают существенные динамические нагрузки, возникающие в результате переходных процессов. Указанные нагрузки не являются необходимыми для эффективного разрушения горной породы, но существенно снижают ресурс буровых долот.

Рис. 1.2. Геологический разрез бокситовой залежи Южно-Тиманского района:1 – четвертичные образования (суглинки, супеси, пески); 2 – доломиты; 3 – алевритистые глины; 4 – глинистые алевролиты; 5 – углистые алевролиты; 6 – углистые глины;7 – песчаники; 8 – углистые аргилиты; 9 – бокситоносная пачка (а – бокситы, б – аллиты);10 – глинистые известняки

Рис. 1.3. Геологический разрез Висловского месторождения:1 – четвертичные отложения; 2 – мергели; 3 – мел; 4 – глины; 1–5 – глинистые пески; 6 – песчаная глина; 7 – известняки; 8 – бокситы осадочные; 9 – бокситы остаточные; 10 – аллиты; 11 – мартитовые и мартитгидрогематитовые железные руды; 12 – магнетитовые кварциты; 13 – сланцы филлитовидные и хлорит-серицитовые

Рис. 1.4. Геологический разрез кимберлитовой трубки Юбилейная: 1–4 – перекрывающие породы верхнего палеозоя: 1 – углистые алевролиты;
2 – песчанистые алевролиты; 3 – разнозернистые песчаники; 4 – туфоалевролиты; 5–10 – вмещающие породы: 5 – известняки лландоверийского яруса меикской свиты; 6 – мергелистые и глинистые известняки кылахской свиты; 7 – доломиты и песчанистые известняки сохсолоохской свиты; 8 – доломиты, глинистые доломиты и доломитистые известняки олдондинской свиты; 9 – терригенно-карбонатные породы моркокинской свиты; 10 – глинисто-карбонатные породы мархинской свиты; 11–12 – кимберлитовые породы: 11 – порфировые кимберлиты первой фазы внедрения; 12 – автолитовые брекчии второй фазы внедрения; 13–14 – стратифицированные осадочно-вулканогенные образования кратера: 13 – глинистого облика; 14 – «песчанистого» и «гравелитового» облика; 15 – ксенолиты осадочных пород в кимберлитах (ксенолитовый «пояс»); 16 – туфы основного состава; 17 – долериты; I8 – блоки кимберлитов и осадочных пород, отторгнутые и перемещенные интрузией траппов; 19 – граница пород кратерной фации

В табл. 1.1 приведены ориентировочные данные ИГД им. А.А. Скочинского о распределении обуриваемой горной массы по крепости горных пород на карьерах СССР в доперестроечный период.

Таблица 1.1

Распределение обуриваемой горной массы по крепости горных пород, %

До перестроечного периода в СССР объем бурения на карьерах составлял около 60 млн м скважин в год, из них на угольных разрезах – около 27–28 млн м в год, на карьерах по добыче нерудных полезных ископаемых (горно-химическое и горно-металлургическое сырье, строительные материалы и др.) – около 15–17 млн м [7]. В 1987 г. на угольных разрезах 18,5 млн м скважин было пробурено станками шарошечного бурения и 9,5 млн м – станками шнекового бурения [1].

В настоящее время определить объемы бурения на карьерах России можно лишь приближенно. После распада СССР и перехода к рыночной экономике масштабы добычи угля и других полезных ископаемых открытым способом существенно снизились, но в настоящее время достаточно быстро восстанавливаются. Значительные объемы добычи цветных металлов, железных руд и угля остались в Казахстане (ССГОК, Экибастузский бассейн и др.), Средней Азии и Украине (Криворожский и другие бассейны).

Вместе с тем основные районы угледобычи находятся на Востоке России и в них происходит наращивание объемов, особенно в Кузбассе, где в ближайшие 5–7 лет объемы бурения на разрезах превысят 12–13 млн м.

В Канско-Ачинском и Минусинском бассейнах, кроме разрезов «Бородинский», «Изыхский», на которые приходились основные объемы буровых работ, возникли 27 новых развивающихся малых разрезов. С учетом Кайерканского разреза (Норильский ГМК), Каа-Хемского (республика Тыва) и других в этом регионе Центральной Сибири объемы бурения приближаются к доперестроечному периоду. В этом же регионе значительное развитие получили карьеры по добыче золота из коренных месторождений (Олимпиадинское и др.), магнезитов, свинцово-цинковых, молибденовых и других руд, а также сырья для алюминиевых заводов.

Практически не уменьшились и в настоящее время увеличиваются объемы бурения на алмазодобывающих карьерах Якутии.

При этом в последнее время преобладает использование долот диаметром 244,5 мм, в меньшей степени – диаметрами 269,9; 320 и 190–215,9 мм (угольные разрезы). Шарошечные долота диаметром 140–161 мм не имеют больших перспектив из-за малой стойкости опор и неконкурентоспособности по сравнению с режуще-ударным инструментом (РУИ) в крепких породах и режущими долотами в некрепких породах.

Соотношение различных способов бурения будет изменяться, их выбор будет определяться горнотехническими факторами и экономическими показателями. Решающее значение при этом имеет не только крепость пород, но и требуемый диаметр скважин, зависящий от блочности (трешиноватости) взрываемых горных массивов и рациональности вида используемого взрывчатого вещества.