Обоснование параметров водоструйной бурильной машины с встроенным преобразователем давления

Использование высоконапорных водяных струй в качестве породоразрушающего инструмента, в том числе и при бурении, является на сегодняшний день одним из перспективных направлений развития техники и технологий разрушения угля и горных пород [1]. Способность струй осуществлять работу по резанию даже крепких пород, не вызывая при этом в последних термических напряжений, и высокая скорость резания при отсутствии на инструменте реакции забоя делают их привлекательными с точки зрения реализации в конструкциях породоразрушающих органов горных машин [2−4]. Кроме того, повышение безопасности работ в шахтах опасных по газу, а также снижение трудоемкости вспомогательных операций в очистном и проходческом забоях (бурение шпуров для дегазации угольных пластов, анкерования и т. д.) связывают с внедрением технологии водоструйного бурения угля и пород [5, 6]. Существующий опыт применения водоструйных бурильных машин вращательного действия (сверл) определил эффективность такой техники на породах мягких и средней крепости. Однако для расширения области её применения на более крепкие породы необходимо обеспечить повышение давления воды до 400 МПа [1, 5, 6].

В связи с этим, автором совместно с фирмой «НИТЕП» и Тульским государственным университетом был предложен вариант конструкции бурильной машины, в которой в качестве источника воды высокого давления используется преобразователь давления мультипликаторного типа, встроенный в привод буровой пгганги [7−9]. Однако неполнота исследований по изучению влияния гидравлических и режимных характеристик инструмента на показатели процесса бурения, а также отсутствие обоснованных методов расчета элементов высоконапорного оборудования сдерживают практическое использование такой техники и определяют актуальность работы. 5.

Работа выполнялась в рамках основного направления «Новые способы разрушения горных пород, технологии проведения горных выработок и бурения скважин» государственной научно-технической программы России «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России» (ГНТПР «Недра России») совместно с ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского и фирмой «НИТЕП» (шифр темы 143 060 000).

Цель работы. Установление закономерностей процесса водоструйного бурения угля и горных пород для выбора и обоснования рациональных параметров инструмента и характеристик преобразователя давления, встроенного в привод буровой штанги, обеспечивающих расширение области эффективного применения бурильных машин.

Идея работы. Эффективное бурение угля и горных пород достигается за счет встраивания в водоструйную бурильную машину преобразователя давления, в конструкции которого использованы бесконтактные уплотнения высокого давления, а гидравлические характеристики задаются с учетом выявленных закономерностей взаимодействия бурового инструмента с массивом при рациональных параметрах процесса.

Метод исследования — комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации и результатов исследовательских работ по водоструйному бурению угля и породэкспериментальные исследования процесса водоструйного бурения породтеоретические исследования эффективности работы бесконтактных уплотнений на базе построения эпюр падения давления и их экспериментальную проверкуанализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, методов подобия и размерностейсопоставление экспериментальных и расчетных данных. 6.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— установлены закономерности процесса водоструйного бурения шпуров с учетом гидравлических и режимных параметров инструмента, а также прочности угля и пород, обеспечивающие обоснование показателей работы водоструйных бурильных машин;

— установлена зависимость для определения рациональной скорости вращения бурового инструмента, что позволило обосновать скорость переключения мультипликаторов встроенного преобразователя давления, конструкцию уплотнения и гидравлические характеристики встроенного преобразователя давления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задачпредставительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследованийкорректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данныхустойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 — 0,99) — удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 19%).

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей процесса водоструйного бурения с учетом прочности угля и пород, гидравлических и режимных параметров инструмента, позволивших выявить их рациональные сочетания, а также обосновать параметры встроенного в привод буровой штанги преобразователя давления и показатели работы водоструйных бурильных машин, обеспечивающие эффективное разрушение угля и горных пород. 7.

Практическое значение работы: разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса водоструйного бурения угля и пород в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;

— предложена конструкция водоструйной бурильной машины с встроенным преобразователем давления, обеспечивающая высокопроизводительное бурение шпуров;

— разработана конструкция и методика расчета геометрических параметров бесконтактных уплотнений для мультипликаторов, обеспечивающих эффективную работу встроенных преобразователей давления на давлениях до 400 МПа;

— определены рациональные скорости вращения водоструйного бурового инструмента, обеспечивающие минимум удельных энергозатрат и максимальную производительность процесса бурения шпуров;

— разработана и реализована на персональном компьютере «Методика расчета основных характеристик водоструйных бурильных машин с встроенным преобразователем давления для бурения шпуров в углях и горных породах» .

Реализация результатов работы. «Методика расчета основных характеристик водоструйных бурильных машин с встроенным преобразователем давления для бурения шпуров в углях и горных породах», а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании оборудования для водоструйного бурения горных пород.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на ХХХП-ХХХУ научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 1996 — 1999 гг.), 8 международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка — 99» в МГТУ (г. Москва, 1999 г.), технических советах фирмы «НИТЕП» (г. Тула, 1996 — 1999 гг.) и Скуратовского экспериментального завода (г. Тула, 1996 — 1999 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 статей и получено 3 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 115 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунок, 15 таблиц, список использованной литературы из 94 наименования и 4 приложения.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Выявлено, что при увеличении частоты вращения буровой штанги от 100 до 400 мин диаметр пробуриваемого отверстия вначале возрастает, а затем уменьшается. Определено, что для всех значений давления воды и диаметра струеформирующей насадки, рациональной с точки зрения обеспечения максимального диаметра пробуриваемого отверстия, является частота вращения буровой штанги в интервале от 260 до 310 мин причем с увеличением прочности разрушаемых пород рациональная частота вращения уменьшается. Получена расчетная формула для определения рациональной частоты вращения буровой штанги в зависимости от прочности разрушаемых угля и пород.

2. Установлено, что диаметр пробуриваемого отверстия, давление высоконапорной воды и диаметр струеформирующей насадки существенно влияют на скорость бурения. Так, например, увеличение диаметра пробуриваемого отверстия с 10 до 16 мм при неизменных прочих параметрах процесса приводит к уменьшению скорости бурения в 1,6 раза. В то же время, увеличение давления высоконапорной воды, как и увеличение диаметра.

147 струеформирующей насадки ведет к возрастанию скорости бурения. Определено, что для процесса водоструйного бурения характерно наличие предельного значения отношения скорости бурения за один оборот к диаметру струеформирующей насадки равное 2. Получена расчетная формула для определения скорости бурения при рациональной частоте вращения буровой штанги применительно к различным условиям работы инструмента.

3. Установлено, что увеличение давления высоконапорной воды и диаметра струеформирующей насадки приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения. Так, увеличение диаметра струеформирующей насадки с 0,4 до 0,8 мм ведет к росту энергоемкости примерно в 1,2 — 2,0 раза, а повышение давления высоконапорной воды с 50 до 100 МПа вызывает рост энергоемкости примерно в 3 раза. Получена расчетная формула для определения энергоемкости процесса водоструйного бурения шпуров заданного диаметра в различных породах в зависимости от гидравлических параметров инструмента.

4. Разработан метод расчета эффективности процесса водоструйного бурения, учитывающий влияние диаметра струеформирующей насадки, давления воды, скорости истечения высоконапорной воды, угловой скорости вращения буровой штанги, диаметра пробуриваемою шпура, а также прочности угля и пород.

5. Предложена конструкция, исследована работа и подтверждена эффективность бесконтактного уплотнения высокого давления, в котором роль уплотняющего узла выполняет тонкостенная гидравлически разгруженная гильза, запрессованная в корпус мультипликатора. При этом конструкция уплотнения и его геометрические размеры обеспечивают работу встроенного преобразователя давления при рациональных параметрах процесса водоструйного бурения. Разработана методика расчета геометрических параметров уплотнения.

6. Показано, что применение встроенного в привод буровой штанги преобразователя давления позволяет увеличить давление высоконапорной воды.

148 до 400 МПа и таким образом расширить область применения водоструйных бурильных машин на породы с пределом прочности на одноосное сжатие до 100 МПа.

7. Разработана «Методика расчета основных характеристик водоструйных бурильных машин с встроенным преобразователем давления для бурения шпуров в углях и горных породах», которая принята фирмой «НИТЕП» и используется при создании бурильного оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертация является научным квалификационным трудом, в котором на базе выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований содержится новое решение задачи установления закономерностей процесса разрушения угля и горных пород водоструйным буровым инструментом, позволяющих обоснованно задавать характеристики встроенного в привод буровой штанги преобразователя давления, с бесконтактными уплотнениями в виде гидравлически разгруженной гильзы, обеспечивающими рациональные режимы работы бурильной машины, что имеет существенное значение для повышения эффективности водоструйного бурения и расширения области применения такой техники.