Обоснование и разработка способов и средств модернизации, ремонта шарошечных долот и утилизации ценных конструкционных материалов

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

Буровой комплекс на открытых горных работах представляет собой крупную ресурсоемкую систему, в которой в настоящее время преобладает экстенсивное развитие. За последние годы рост производительности бурового оборудования практически прекратился и происходит значительное непрерывное увеличение затрат на буровые работы.

В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят 60 млн. м скважин, освоение которых при существующих устаревших средствах бурения требует списочного состава буровых станков более 1500 ед. и расходования в год 160 — 200 тыс. буровых инструментов. Ежегодные эксплуатационные затраты могут достигнуть 6 млрд руб., из них примерно 60 — 65% составят затраты на буровой инструмент. Поэтому создание эффективных буровых инструментов и технологий их применения на карьерах является важной научно-технической проблемой.

Буровой инструмент является самым высоконагружаемым и ответственным элементом бурового става, определяющим способ бурения в соответствии со свойствами буримых пород. Скоростные качества долота, его износостойкость и стоимость формируют главный критерий эффективности буровых работ — удельные затраты на бурение 1 м скважины, высокий уровень которых не соответствует современным требованиям к использованию ресурсов предприятий.

Большие расходы на буровой инструмент объясняются преимущественно использованием на карьерах ресурсоемких (энергоемких) и сложных шарошечных долот (около 85% от всех объемов). Их стоимость непрерывно повышается особенно долот увеличенного диаметра (244,5 — 320 мм), масштабы потребления которых интенсивно возрастают по технологическим причинам.

Практика показывает, что выпускаемые шарошечные долота, конструктивные и ресурсные параметры которых изначально рассчитаны на жесткие требования проходки глубоких скважин, не могут соответствовать всем условиям бурения неглубоких взрывных скважин.

В горных породах с относительно небольшим коэффициентом крепости (f = 2- 10), составляющих на открытых горных работах значительную долю (от 25 — 35% добыче руд, алмазов и строительных материалов до 85 — 90% на угольных разрезах), в 1,5−3 раза большую производительность и экономичность по сравнению с шарошечными долотами могут обеспечить более дешевые и простые режущие долота, а в сложноструктурных породных массивах — долота с зубчато-дисковым вооружением и различные «комбинированные инструменты.

Пилотные образцы (модели) некоторых видов долот усилиями ряда НИИ и вузов (НИИОГР, ИГД им. А. А. Скочинского, Институт цветных металлов и золота СФУ, ИрГТУ, КузГТУ и др.) разработаны давно, но серийное их изготовление и должное использование не организовано (за исключением режущих долот диаметром 160 мм для шнековых станков) и четкие границы их применения не определены. Многие известные технические решения в области буровых инструментов еще требуют длительной опытно-промышленной проверки и экономических обоснований.

Работа бурового инструмента органически сопряжена с технологическими процессами бурения и характеристиками исполнительных механизмов бурового станка. Поэтому необходимо обеспечивать согласованность параметров создаваемых новых моделей буровых инструментов с режимными параметрами процессов разрушения пород и удаления продуктов разрушения из забоя скважин, а также с параметрами буровых станков (механизмов вращения, подачи бурового инструмента и очистки скважины).

Считается, что выпускаемые шарошечные долота (ШД) являются неремонтопригодными, не подлежат восстановлению и 80% из них преждевременно выходят из строя из-за износа опор и вооружения. Ресурс корпусной части долот при этом остается невыработанным. Кроме того, ШД имеют на вооружении дорогостоящий металлокерамический твердый сплав (групп ВК, ВК-В, ВК-ВК и др.) и до настоящего времени нет эффективной технологии его извлечения из отработанных шарошечных долот.

Отсутствует технология централизованной переработки и реставрации шарошечных долот, в связи, с чем остро стоит вопрос разработки методов вторичных конструктивных преобразований БИ и технологии его утилизации.

Таким образом, проведение исследований, направленных на создание реновационных технологий для ШД, включающих разработку способов модернизации, ремонта, утилизации долот, является актуальной научно-технической задачей.

Диссертация основана на материалах, результатах исследований и реализации реновационных технологий при эксплуатации бурового инструмента, полученных с участием автора на кафедре «Горные машины и комплексы» Института цветных металлов и золота ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при проведении НИР и НИОКР по научно-техническим программам Министерства образования и науки РФ, заказам предприятий горнодобывающей отрасли.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации шарошечных долот за счет применения реновационных технологий, включающих ремонт, модернизацию, восстановление бурового инструмента и утилизацию ценных конструкционных материалов.

Основная идея работы заключается в миниминизации неокупаемых потерь труда и сырья, затрачиваемых на изготовление долот.

Основные научные положения, представленные к защите:

1. Переход от одноразового применения серийных шарошечных долот к эксплуатации их по разработанной системе реновационных технологий обеспечивает повышение коэффициента эффективности использования ресурса инструмента в 1,3−1,5 раза и возможность повторного применения его ценных конструкционных материалов.

2. Особенности конструкции и взаимодействия зубчато-дисковых шарошек с забоем скважины (обусловливающие существенное снижение скорости вращения шарошек на цапфах и возможность применения опор скольжения) определяют технико-экономическую целесообразность создания на базе серийных ШД с изношенной подвижной частью модификаций долот режущего действия зубчато-дискового или резцового типов.

3. Установленные зависимости и условия, характеризующие влияние тепловых, динамических и механических воздействий на силы сцепления твердосплавных штырей с телом шарошки, позволяют определять режимные параметры установок и машин для извлечения твердого сплава из отработанных ШД.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием и согласованностью теоретических исследований и опытных испытаний разработанных реновационных технологий при эксплуатации бурового инструмента. Научно-технические разработки по ремонту, восстановлению, модернизации и конструктивным преобразованиям, а также утилизации бурового инструмента подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытаний на рудных и угольных месторождениях Красноярского края и Хакасии.

Научная новизна работы, состоит в: • обосновании концепции и структурной модели процесса эксплуатации долот с использованием реновационных технологий, обеспечивающих повышение использования ресурса ШД;

• выборе принципов построения новых модификаций буровых инструментов с зубчато-дисковым и резцовым породоразрушающим вооружением на базе использования корпусной части отработанных серийных ШД;

• установлении зависимостей и условий, характеризующих влияние тепловых, динамических и механических воздействий на силы сцепления твердосплавных штырей с телом шарошки, что позволяет определять режимные параметры установок для извлечения твердого сплава из изношенных ШД;

• установлении зависимости экономических потерь от уровня недоиспользования ресурсов конкретных элементов механизма ШД при изменении крепости пород;

• обосновании и разработке оригинальных технологий и устройств извлечения твердого сплава из изношенного шарошечного инструмента, а также систематизации существующих способов;

• определении особенностей взаимодействия зубчато-дисковых шарошек с забоем скважины и кинематических зависимостей, характеризующих их работу и определяющих область применения.

Практическая полезность работы состоит в разработке:

• ряда новых способов создания модификаций буровых долот с зубчато-дисковым и резцовым вооружением на базе корпусной части изношенных серийных ШД, что повышает использование их ресурса;

• способов и устройств извлечения твердосплавных зубков из тела шарошки, обеспечивающих компенсацию затрат на покупку бурового инструмента и снижение удельных затрат на бурение скважин;

• новых видов долот с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ) и резцовых долот (РД), в том числе для сложных гидрогеологических условий;

• методов конструктивных преобразований БИ, обеспечивающих снижение расходов на бурение;

• методики и экономико-математической модели эффективности процессов восстановления и модернизации бурового инструмента.

Реализация результатов работы.

В научно-технических программах, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и проектах:

• «Исследование и разработка перспективных способов и устройств бурения крепких пород», № гос. регистрации 1 900 059 971, 1995 г., заказчик: Госкомвуз РФ;

• «Разработка технологий, проектирование участка и изготовление шарошечного и режуще-вращательного бурового инструмента, № 390/98, 1998 г., заказчик: ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» (АГК);

• «Теоретические основы извлечения твёрдого сплава из бурового инструмента с целью его вторичного применения». Единый заказ наряд, 1996 -1998 г. г., заказчик: Минобразования РФ;

• «Разработка перспективных способов и устройств для бурения крепких пород» 1999 г., заказчик: Минобразования РФ;

Проектирование участка, разработка технологии изготовления и восстановления бурового инструмента, № 852/00, 2000 — 2002 г. г., заказчик: ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

• «Разработка и поставка буровых долот режущего действия», № М-04−01, 2004 г., заказчик ООО «Черногорская угольная компания»;

• «Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов», № гос. регистрации 1 200 309 829- НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003;2004 гг., заказчик Минобразования и науки РФ.

В промышленности:

• проект участка, техническая документация для изготовления специализированного бурового инструмента и технология восстановления долот приняты к использованию ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» (АГК);

• модернизированные долота ДЗДШ — 244,5 прошли опытные испытания на Мазульском известняковом руднике, в ОАО «Угольный разрез „Чал-пан“» и на разрезе «Черногорский» (Республика Хакасия);

• техническая документация на изготовление модернизированных долот, ДЗДШ — 244,5−3 принята к реализации в ОАО «АГК» и ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод».

В учебном процессе — материалы исследований используются при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных работ, НИР студентов.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные её результаты представлялись, докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-практической конференции и выставке с международным участием «Достижения науки и техники — развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 1999 г.) — международной практической конференции «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения» (Мирный, 2001 г.) — всероссийской научной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003 г.) — научной конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники по подпрограмме «Топливо и энергетика» (Москва, 2004 г.) — научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2005 г.) — межвузовской научно-практической конференции «Инновационные процессы в современном России как важнейшая предпосылка социально-экономического развития общества» (Красноярск, 2006 г.) — научно-практической конференции «Игошин-ские чтения» (Иркутск, 2006 г.).

Личный вклад соискателя в работу состоит в: постановке цели и задач диссертационной работынаучном обосновании новых методов и средств ремонта, модернизации, восстановления и утилизации ценных материалов бурового инструментаразработки ряда способов извлечения твёрдого сплава из шарошекучастии в изготовлении и проведении испытаний опытных образцов инструмента.

Все результаты диссертационной работы, перечисленные в её заключении, получены лично автором. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ. Отдельные результаты исследований освещены в 2-х монографиях, 13 статьях, 13 патентах на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАК России, опубликовано 3 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 140 страниц машинописного текста, включая 36 рисунков, 26 таблиц и библиографический список использованной литературы из 111 наименований.

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. В настоящее время на карьерах преобладает практика одноразового использования дорогостоящих серийных шарошечных долот, расходы на которые за срок службы бурового станка превышают его стоимость в несколько раз и имеют параболическую зависимость от коэффициента крепости. Доля затрат на ШД в себестоимости бурения составляет 30−60%, а в отдельных случаях достигает 65−70%.

2. Ресурсы конструктивных элементов шарошечного долота, как механизма, существенно различны, используются неравномерно и далеко не полностью, поэтому имеют место значительные неокупаемые потери труда и ценного сырья.

3. Разработана концепция и структурная модель формирования реновационных технологий для шарошечных долот, включающая способы и средства их модернизации, ремонта и утилизации.

4. Разработаны и апробированы технологии ремонта и восстановления шарошечных долот, основанные на принципах возможности разборки их на элементы, замены элементов на пригодные к эксплуатации или новые, и повторной сборки, обеспечивающие повышение коэффициента использования ресурса БИ в 1,3−1,5 раза.

5. Разработаны методы модернизации изношенных шарошечных долот, основанные на конструктивных преобразованиях в резцовые и зубчато-дисковые шарошечные долота, обеспечивающие их повторную эксплуатацию в породах с f= 2-ИО.

6. Разработан ряд новых способов и конструктивно-технологических схем установок (патенты №№ 2 294 425, 2 117 131) для извлечения из отработанных шарошечных долот твердого сплава с целью повторного его применения, что позволяет существенно снизить расходы на буровой инструмент и получить на одно ШД экономический эффект более 1 тыс. руб.

7. Разработана экономико-математическая модель эффективности процесса восстановления бурового инструмента.

8. Разработан ряд новых моделей разборных ШД, ДЗДШ и опорных устройств (патенты №№ 2 250 344, 2 182 213, 2 264 521, 2 178 057, 2 191 245, 2 228 423, 2 257 457), позволяющих существенно снизить удельные затраты на процесс бурения скважин.

9. Значительная технико-экономическая эффективность научных разработок и технических решений, приведенных в диссертации, подтверждена их опытно-промышленными испытаниями и внедрением, проведенными в условиях карьеров ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Угольный разрез «Чалпан».

Заключение

.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой научно обоснованы и разработаны способы и средства модернизации, ремонта шарошечных долот и утилизации ценных конструкционных материалов, обеспечивающих существенное повышение эффективности буровых работ на карьерах страны.