Совершенствование технологии бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии

Горно-геологические условия эксплуатации оборудования определяют направления разработки высокоэффективных технологий на всех этапах горного производства. Многолетняя мерзлота и сложноструктурное строение вскрышных породных массивов характерны для алмазорудных месторождений Якутии, где температура в зимние месяцы достигает — 50 °C, а средняя годовая — не превышает минус 10−15°С. Это предопределяет весьма неблагоприятные условия бурения, обслуживания станка и работы смежных механизмов горного производства.

Технология бурения — это реализация в конкретных условиях процесса разрушения породы на забое скважины и транспортирования продуктов разрушения при соответствующем сочетании свойств массива, конструктивных параметрах исполнительного органа и режимных параметрах работы. Требования к технологии бурения скважин вытекают из специфических особенностей месторождений.

Специфика бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров обусловлена: сложностью строения уступов и неоднородностью пород, низкими температурами, наличием многолетней мерзлоты, высокой обводненностью пород и наличием илисто-глинистых отложений. Сложное строение уступов затрудняет выбор параметров бурового инструмента, снижает эффективность разрушения породы на забое скважины и приводит к ухудшению показателей бурения.

Бурение скважин на алмазорудных карьерах Севера является одной из основных и трудоемких технологических операций. Расходы на бурение в себестоимости добычи достигают 30%. Буримые породы отличаются весьма специфическими особенностями, которые исключают возможность механического перенесения опыта бурения из других регионов и обусловливают сравнительно низкие технико-экономические показатели проходки скважин. Совершенствование технологии бурения в сложноструктурных многолетнемерзлых породах кимберлитовых месторождений Якутии является важной задачей повышения эффективности добычи алмазорудного сырья.

Разработка принципиально новых технических решений позволит усовершенствовать условия труда, интенсифицировать проходку взрывных скважин и улучшить технико-экономические показатели добычи алмазосодержащего сырья в целом. Решению этой актуальной научно-технической задачи и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы заключается в обосновании способов интенсивной проходки скважин в условиях мерзлых сложноструктурных пород кимберлитовых месторождений Якутии.

Идея работы основывается на принципе разрушения пород крупным сколом режущим и комбинированным буровым инструментом при поддержании температурного баланса в затрубном пространстве, обеспечивающего стабильную транспортировку продуктов разрушения из скважины сжатым взздухом.

Научные положения диссертации.

1. Технология бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии определяется необходимостью контроля температурного баланса на забое скважины и выбора, в зависимости от этого, рационального режима бурения и типа породоразрушающего инструмента.

2. Разрушение мерзлых пород в условиях кимберлитовых карьеров Севера наиболее эффективно режущим и режуще-шарошечным буровым инструментом. Определены конструктивные параметры и обоснован параметрический ряд рекомендуемых долот.

3. Технология бурения скважин в условиях многолетнемерзлых сложноструктурных пород обеспечивается применением долот со сменными резцами, работающими в режиме крупного скола, при охлаждении сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины, специальными техническими средствами.

Методы исследований. В работе использованы комплексные методы исследований, включающие анализ и обобщение ранее выполненных работ по разрушению мерзлых пород и транспортированию продуктов разрушения из скважиныизучение напряженного деформационного состояния массива на забое скважины и влияние на процесс бурения конструктивных параметров буровых долот. Все решения и рекомендации исследований подтверждены положительными результатами представительных производственных испытаний и широкого промышленного применения разработанных конструкций буровых долот.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены комплексным подходом к оценке исследований с погрешностью результатов работы не более 20%. Исследования и рекомендации работы подтверждены широкими промышленными экспериментами, выполненных непосредственно в условиях карьеров АК «АЛРОСА», и промышленным использованием разработанных конструкций режущих буровых долот.

Научная новизна результатов исследований: теоретически обоснованы основные принципы технологии разрушения мерзлых сложноструктурных пород крупным сколом режущими и режуще-шарошечными буровыми долотами;

— установлено, что производительность бурения взрывных скважин в условиях мерзлых кимберлитовых месторождений зависит от величины затрубного пространства, определяемого типоразмером бурового инструмента и поддержанием необходимого температурного баланса на забое скважины;

— разработаны способы регулирования и стабилизации процесса очистки забоя скважины оптимизацией температурного режима путем охлаждения сжатого воздуха, подаваемого для очистки скважины от продуктов разрушения;

— теоретически обоснованы конструктивные параметры рабочих органов режущих и комбинированных долот для бурения мерзлых пород сложного структурного строения.

Практическое значение результатов работы заключается в разработке:

— инженерной методики технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных карьерах Якутии;

— параметрического ряда режущих и комбинированных долот в диапазоне скважин, применяемых на карьерах АК «АЛРОСА»;

— технологии изготовления режущих буровых долот на основе применения стандартных сменных режущих элементов;

— технических устройств для охлаждения продувочного агента и стабилизации температурного режима очистки скважины от буровой мелочи.

Реализация результатов работы:

— апробирована и практически реализована принципиально новая технология бурения взрывных скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии;

— апробирован способ стабилизации бурения мерзлых пород применением охладительных установок на станках шарошечного бурения.

В настоящее время на карьерах АК «АЛРОСА» в промышленных масштабах используются разработанные конструкции буровых режущих долот типа РД-160ШП, РД-215,9 и РД-244,5, обеспечивающие значительный технико-экономический эффект.

Личный вклад автора. Основные результаты рассматриваемой работы и их реализация выполнены при непосредственном участии и руководстве соискателя. Автор диссертации, работая старшим мастером буровзрывного участка карьера «Удачный», занимался совершенствованием буровых работ. В должности начальника карьера «Юбилейный», а затем директора Айхальского и Мирнинского ГОКов, непосредственно участвовал в планировании, постановке и проведении исследований и промышленных экспериментов, направленных на разработку и реализацию различных типов режущих и режуще-шарошечных буровых долотпри его участии разработаны способы и средства охлаждения скважин, обоснованы основные положения технологии бурения скважин в условиях кимберлитовых месторождений Якутии, о чем свидетельствуют акты реализации основных положений работы. В последующем автор участвовал в ходе проведения исследований и практической реализации их результатов, что подтверждается широкой публикацией работ автора в периодической печати и актами внедрения результатов исследований.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и получили одобрение на: Международной научно-практической конференции «Мирный-2001» (г. Мирный, 2001 г.) — Международном совещании «Современные методы оценки технологических свойств труднообогатимого и нетрадиционного минерального сырья благородных металлов и алмазов и прогрессивные технологии их обработки» (Иркутск, 2004 г.) — Конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2005 г.) — Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитзоны» (г. Якутск, 2005 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 148 страниц текста, в том числе 9 таблиц и 17 иллюстраций, списка литературы из 83 наименований и 8 приложений на 20 страницах.

Выводы.

1. С достаточной точностью для инженерных расчетов можно принять, что вся энергия при бурении скважины расходуется на образование новых поверхностей и преодоление сил трения. При этом количество тепла, поглощаемое буровым инструментом, соответствует затратам мощности на преодоление сил трения, а тепло, поглощаемое буровой мелочью, — затратам мощности на образование новых поверхностей.

2. На температурный режим долота наибольшее влияние оказывают подводимая забойная мощность, площадь теплообмена долота и коэффициент теплообмена между долотом и продувочным воздухом С увеличением расхода сжатого воздуха, при неизменных параметрах долота и размера затрубного пространства, интенсивность теплообмена увеличивается.

3. На нормализацию температурного режима призабойной зоны решающее влияние оказывает температура продуктов разрушения. Расчеты показывают, что охладить долото до температуры, близкой к нулю, практически невозможно. Однако при отсутствии теплообмена между долотом и буровой мелочью и при использовании специальных охладителей можно обеспечить температуру продуктов разрушения, близкую к их агрегатному состоянию.

4. При механическом разрушении пород на забое скважины происходит оттайка продуктов разрушения. Численное значение конечной температуры продуктов разрушения при неизменных параметрах бурового инструмента зависит от подведенной забойной мощности, скорости бурения, физических и теплофизических свойств пород. Причем, тип долота оказывает существенное влияние на конечную температуру продуктов разрушения.

5. Повышение температуры продуктов разрушения в призабойной зоне происходит за счет энергии, затрачиваемой на образование новых поверхностей и теплообмена с продувочным воздухом. Причем, вероятность оттаивания частиц резко снижается с увеличением их крупности. Расчеты показывают, что для нормализации температурного режима буровой мелочи необходимо охлаждать воздух до температуры минус 3 °C.

6. Лабораторные исследования подтвердили правильность принятой модели теплообменных процессов в призабойной зоне. Установлено, что на нагрев инструмента затрачивается примерно 20% подводимой забойной мощности. Подтверждено, что при объемном разрушении породы на забое скважины не происходит нагрева породы впереди забоя.

7. Для стабилизации температурного режима в призабойной зоне разработаны батарейные и радиаторные охладители, параметры которых выбраны с учетом происходящих теплообменных процессов. Расчеты показывают, что применение таких теплообменников позволяет снизить температуру продувочного воздуха до минус 8−15 °С при температуре атмосферы минус 18−35 °С.

8. Бурение вязких глиносодержащих пород повышенной влажности рационально осуществлять режущими долотами с продувкой. Разработанные конструкции режущих долот типов РД-215,9, РД-269,9 обеспечивают снижение удельного количества выделяемого на забое тепла (кДж/м) в 2,2 — 2,8 раза и позволяют практически исключить случаи нарушения режима очистки скважины от продуктов разрушения.

4. Ресурсосберегающие технологии бурения взрывных скважин на алмазорудных месторождениях Якутии. Реализация результатов исследований.

4.1. Основные направления повышения эффективности технологии бурения взрывных скважин в многолетнемерзлых сложноструктурных породных массивах кимберлитовых месторождений Якутии.

Анализ свойств пород и опыта бурения скважин позволяют определить основные направления разработки ресурсосберегающих технологий буровых работ на алмазорудных карьерах: использование специальных исполнительных органов для бурения многолетнемерзлых сложноструктурных пород алмазорудных месторождений [3]- стабилизация температурного режима скважины и разработка устройств и способов, предотвращающих оттайку буровой мелочи [70, 71]- приведение типа и параметров бурового инструмента в соответствие со свойствами буримых пород алмазорудных карьеров [53]. Сюда же можно отнести приведение технических параметров буровых станков в соответствие с климатическими и специфическими технологическими условиями бурения. Климатические условия работы станков предопределяют повышенные требования к эксплуатационной надежности узлов и механизмов. Технологические особенности бурения скважин накладывают ограничения на выбор вращательно-подающего механизма станка и параметры системы очистки скважины [52].

Решение вопросов ресурсосбережения при бурении взрывных скважин совершенствованием исполнительных органов буровых станков на алмазорудных карьерах АК «AJIPOCA» состоит в реализации комплекса научно-технических мероприятий, заключающихся в разработке: методики расчета и выбора параметров системы пневмотранспортирования буровой мелочи из скважины [52]- способов повышения стойкости шарошечных долот [71, 73]- принципов выбора и расчета параметров буровых долот [68]- конструкций режущих долот с продувкой скважин сжатым воздухом [6, 37]- конструкций комбинированных режуще-шарошечных долот [74]- параметрического ряда режущих и комбинированных долот [53]- устройств для нормализации температурного режима бурения скважин [70, 71]- инженерной методики бурения скважин на алмазодобывающих карьерах республики Саха (Якутия) [1, 2, 3].

4.2.Производственные испытания технических устройств, нормализующих температурный режим бурения скважин.

Идея стабилизации температурного режима буровой мелочи заключается в охлаждении воздуха, подаваемого на продувку, до такой отрицательной температуры, при которой он может нейтрализовать тепло, выделяемое на забое, и предотвратить растепление наиболее мелких частиц буровой мелочи. Согласно теоретическим исследованиям, температура продувочного воздуха должна быть не менее минус 3°. Поскольку бурение, как правило, производится в зимнее время, то можно снизить температуру сжатого воздуха до отрицательных значений за счет теплообмена с атмосферным воздухом с помощью установок охлаждения сжатого воздуха батарейного и радиаторного типов [69].

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при использовании установки охлаждения воздуха удается понизить его температуру до отрицательных значений и обеспечить нормализацию температурного режима скважины в процессе бурения. Это подтверждается результатами испытаний на карьере «Новинка» АК «АЛРОСА» (табл. 4.1). Частицы продуктов разрушения удалялись из скважины интенсивно, без признаков оттайки. Наблюдался вынос из скважины мелких частиц льда и льда в виде снежной пыли без нарушения режима продувки. Применение установки для охлаждения продувочного воздуха позволило в 1,5 раза увеличить механическую скорость бурения за счет качественной очистки скважин (см. табл. 4.2). Сравнение расчетных значений температуры воздуха с охлаждением на выходе из долота с фактическими показывает близкую сходимость данных показателей, составляющую по отдельным сериям наблюдений 8−16,6%, что свидетельствует о правильности выбранных параметров установок охлаждения.

Заключение

.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой предлагается новое техническое решение октуальной задачи — обоснования параметров технологии процесса бурения скважин в условиях мерзлых сложноструктурных породных массивов кимберлитовых месторождений Якутии, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Выявлены закономерности технологии бурения взрывных скважин и выдачи продуктов разрушения из затрубного пространства в условиях карьеров кимберлитовых месторождений АК «АЛРОСА» .

2. Разработана конструкция режущего инструмента со сменными резцами серийного производства для бурения мерзлых пород в режиме крупного скола.

3. Разработана конструкция режуще-шарошечных долот для бурения взрывных скважин в условиях перемежающихся по крепости пород.

4. Разработан типоразмерный ряд режущего и режуще-шарошечного инструмента в соответствии с требованиями ведения буровзрывных работ на карьерах АК «АЛРОСА» .

5. Доказано, что поддержание необходимого размера затрубного пространства для равномерной выдачи продуктов разрушения должно обеспечиваться охлаждением воздуха, подаваемого для очистки скважины.

6. Разработаны и практически реализованы специальные устройства для охлаждения забоя скважины.

7. Разработана инженерная методика и доказана эффективность специальной технологии бурения скважин в условиях алмазорудных карьеров Якутии исполнительными органами принципиально нового типа.

8. Режущие буровые долота нашли промышленное применение на карьерах Мирнинского, Айхальского и Нюрбинского ГОКов АК «АЛРОСА» и работают с высокой эффективностью.