Исследование и создание бурового рабочего органа статико-динамического действия для проходки скважин большого диаметра

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I96I-I965 годы и на период до 1990 года», принятых ХХУ1 съездом КПСС отмечено, что «. важной народнохозяйственной задачей является ускоренное производство необходимой техники, соответствующей специфическим условиям эксплуатации в различных районах страны» / I /.

Ежегодно в нашей стране проходится около 2,0 млн. м скважин большого диаметра (1−3,5 м), используемых при геологоразведочных работах, водоснабжении, строительстве и в качестве вентиляционных и вспомогательных выработок при разработке месторождений полезных ископаемых / 2 /. Интенсивное освоение природных ресурсов районов, прилегающих к Байкало-Амурской магистрали, вызвало значительный рост объемов работ, связанных с разработкой и бурением указанных скважин в прочных мерзлых грунтах. К 1990 году объем буровых работ только в строительной отрасли в северной зоне страны достигнет 9 млн. погонных метров / 3 /. Применяемое в настоящее время для этого оборудование не в состоянии обеспечить выполнение намеченных объемов работ, т.к. оно на 70−80 $ укомплектовано станками ударно-канатного действия УКС-22, УКС-ЗОМ и БС-IM, которые не приспособлены к эксплуатации в зимних условиях, требуют больших затрат ручного труда и обладают крайне низкой производительностью бурения. Техническая скорость бурения этими станками в прочных мерзлых грунтах колеблется от 0,5 до 2,0 м/смену, а календарная не превышает 50 м/месяц / 4,5/.

Наибольшая производительность бурения при проходке скважин в тяжелых грунтовых условиях достигнута агрегатами реактивно-турбинного бурения РГБ. Принцип действия агрегатов РТБ основан на превращении энергии потока воды, нагнетаемой в турбины турбобуров, в механическую энергию вращения валов, оснащенных шарошечными долотами. Принцип работы агрегатов позволяет реализовы-вать большие мощности на забое. Техническая скорость бурения составляет 0,3−8 м/час, а календарная — 150−700 м/месяц. Однако применение агрегатов РТБ ограничивается громоздкостью оборудования, большим расходом воды для привода турбобуров и низким коэффициентом полезного действия / 6 /.

Из зарубежного оборудования в аналогичных условиях хорошо зарекомендовали себя буровые установки Н-520 фирмы Беккер Дрил (Канада) и ДМ6/ДНД американской фирмы «Ингерсолл Рэнд». Рабочим органом установки Н-520 является двойная колонна труб, забиваемая в грунт мощным дизель-молотом при одновременном нагнетании в кольцевое пространство между трубами сжатого воздуха или воды.

Разрушение забоя в установке ДМ6/ДНД осуществляется пневмо-ударником, который наносит удары по грибковидной коронке, армированной зубьями из твердого сплава /7, 8 /.

Вопросами создания высокопроизводительного, эффективного и мобильного бурового оборудования для проходки скважин в различных грунтовых условиях в настоящее время занимаются в Московском геологоразведочном институте им. С.Орджоникидзе, Минтрансстрое, Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники, БНИИстройдормаше, Карагандинском политехническом институте, НПО «Союзспецфундаменттяжстрой» и других организациях. Работы эти ведутся в основном по двум направлениям:

1) расширение области применения и модернизация существующего парка машин;

2) создание новых машин, основанных на использовании более эффективных способов разрушения забоя /2,4,5,9−19/.

Анализ бурового оборудования, выпускаемого отечественной и зарубежной промышленностью для проходки скважин в мерзлых грунтах, показывает, что наилучшими технико-экономическими показаниями обладают установки с рабочими органами ударного действия* Основным недостатком, снижающим достоинство этих установок, является недостаточная производительность бурения в прочных мерзлых грунтах. Это связано прежде всего с тем, что ударная нагрузка в них прикладывается перпендикулярно плоскости забоя, и разрушение грунтового массива производится в основном за счет напряжений сжатия и сдвига / 18 /. В то же время в результате исследований, проведенных А. Ф. Кичигиным, А. Г. Лазуткиным. И. А. Янценом, С. С. Музгиным, А.И.Фе-дуловым и др. /20−37/ доказана высокая эффективность послойного статико-динамического разрушения мерзлых грунтов посредством мощных ударных импульсов, направленных под углом атаки к разрушаемому массиву. Положительными результатами этих работ обуславливаются предпосылки к созданию исполнительных органов статико-ди-намического действия, предназначенных для проходки скважин большого диаметра и горных выработок в породах различной крепости. Известны попытки реализации этой идеи при разработке исполнительных органов породопроходческих машин, основу которых составляет вращающаяся коронка с наклонно расположенными на нем ударными устройствами /23, 38, 39 /.

Однако в буровых рабочих органах указанный способ разрушения до настоящего времени практического применения не нашел, это объясняется отсутствием научно-обоснованных рекомендаций по определению режимных параметров и конструктивного исполнения буровых рабочих органов статико-динамического действия.

Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых НПО «Союзспецфундаменттяжстрой» совместно с Карагандинским политехническим институтом и ИГД СО АН СССР по созданию активных исполнительных органов, и посвящена разработке и исследованию параметров бурового рабочего органа статико-динамического действия, предназначенного для проходки скважин в прочных мерзлых грунтах.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является установление основных закономерностей процесса статико-динамического бурения, выбор параметров и разработка конструкции бурового рабочего органа статико-динамического действия, обеспечивающего повышение эффективности проходки скважин большого диаметра в прочных мерзлых грунтах.

ЦЦЕй РАБОТЫ состоит в повышении эффективности проходки скважин большого диаметра в прочных мерзлых грунтах за счет использования способа разрушения забоя статико-динамическими нагрузками, направленными под оптимальным углом атаки.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ заключаются в следующем:

I. Разработана математическая модель процесса статико-дина-мического бурения мерзлых грунтов, учитывающая комбинированный характер приложения нагрузки на забой.

Z. Установлены зависимости основных режимных и конструктивных параметров бурового рабочего органа статико-динамического действия для различных условий взаимодействия с грунтовым массивом, обеспечивающие наиболее эффективную проходку скважины.

3. Предложено новое техническое решение ударного устройства (а.с. № 590 439), позволяющее реализовать способ послойного стати-ко-динамического разрушения для проходки скважин большого диаметра.

4. Разработана конструктивная схема исполнения бурового рабочего органа статико-динамического действия, включающая в себя корпус с блоком ударных устройств, накопитель грунта, породораз-рушающую коронку с окнами для забора грунта, лемехами, центратором и подвижно установленными на нем ударными инструментами.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций определяется: использованием апробированных методов аналитических исследований и удовлетворительной сходимостью результатов оценки адекватности модели реальному объектурезультатами промышленных испытаний экспериментального образца бурового рабочего органа статико-динамического действия.

ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Установлены основные закономерности процесса статико-динамического бурения мерзлых грунтов, определены рациональные значения конструктивных и режимных параметров бурового рабочего органа, обеспечивающих наиболее эффективное бурение.

Разработана инженерная методика расчета, позволяющая на стадии проектирования обоснованно назначать рациональные значения параметров бурового рабочего органа статико-динамического действия, осуществлять обоснованный выбор базовой машины и силового оборудования.

Разработан экспериментальный образец бурового рабочего органа статико-динамического действия БСД-I, испытания которого показали достаточную работоспособность конструкции и эффективность проходки скважин большого диаметра в прочных мерзлых грунтах с использованием статико-динамического разрушения забоя.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ РАБОТЫ. Основные результаты исследований и рекомендации вошли в разработанное и утвержденное в установленном порядке техническое задание на создание опытной партии бурового оборудования для проходки скважин большого диаметра в прочных мерзлых грунтах.

Результаты исследований используются научно-производственным объединением фундаментостроения «Союзспецфундаменттяжстрой» при разработке технической документации на буровое оборудование для проходки скважин большого диаметра в сложных грунтовых условиях.

Методика расчета использована при создании экспериментального образца бурового рабочего органа БСД-I, за разработку которой автор в составе творческого коллектива удостоен звания Лауреата премии Ленинского комсомола Казахстана в области науки и техники.

АПРОБАЦИЙ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Карагандинского политехнического института (г.Караганда, 1977.1980 гг), на Республиканской научно-технической конференции «Совершенствование технологии и средств механизации и автоматизации добычи полезных ископаемых» (г.Караганда, 1976 г.), на Всесоюзном совещании «Фунда-ментостроение в сложных грунтовых условиях» (г.Алма-Ата, 1977 г.), на научно-практическом совещании «Совершенствование свайных фундаментов в сложных условиях» (г.Красноярск, 1981 г.), на областной научно-технической конференции «Внедрение передовой технологии, механизация и автоматизация основных и вспомогательных процессов горного производства на шахтах Карагандинского бассейна (Караганда, 1982 г.), на региональной конференции «Молодые ученые-развитию науки и технического прогресса» (г.Караганда, 1983 г.).

Экспериментальный образец бурового рабочего органа БСД-1 экспонировался на республиканской выставке НТТМ-80 (г.Алма-Ата, 1980 г.), где был отмечен дипломом П степени.

В полном объеме работа докладывалась на заседании секции «Механизация» научно-технического Совета НПО «Союзспецфундамент-тяжстрой» (г.Караганда, 1983 г.) и на секции и кафедре «Горные машины и комплексы (Караганда, 1984 г.).

ПУБЛИКАЦИЙ. По результатам выполненной работы опубликовано восемь статей и получено одно авторское свидетельство на изобретение .

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 173 страницы, в том числе 39 рисунков, 6 таблиц, список литературы.

Выводы.

1. Разработана методика расчета параметров буровых рабочих органов статико-динамического действия. Методика расчета была использована при определении параметров экспериментального образца БСД-I и разработке технического задания на создание и промышленное освоение бурового рабочего органа статико-динамического действия.

2. Разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструкции бурового рабочего органа статико-динамического действия.

3. Обоснованы технические требования, согласно которым для осевой подачи и вращения бурового рабочего органа следует использовать гидравлический привод с питанием его от базовой машины.

В качестве ударных устройств необходимо использовать гидравлические и гидропневматические молоты. Включение ударных устройств в работу должно производиться только при наличии на инструменте определенного усилия поджатия. Для гашения излишней энергии удара на случай «холостого» удара инструмент должен быть снабжен тормозом.

4. Разработана конструкция бурового оборудования для проходки скважин в прочных мерзлых грунтах, которое навешивается на серийно выпускаемые буровые установки типа БМ-2001, оснащенные дополнительной гидравлической аппаратурой для разделения потока жидкости и подвода к механизму вращения и ударным устройствам, а также бурового рабочего органа статико-динамического действия. Изготовление опытного образца бурового оборудования намечено в.

1985 году на Кемеровском опытном ремонтно-механическом заводе.

5. Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения бурового рабочего органа статико-динамического действия при проходке скважин диаметром 1,2 м в прочных мерзлых грунтах составляет около 60 тыс. рублей в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной научно-технической задачи, состоящей в разработке конструкции, установлении рациональных режимных и энергетических параметров бурового рабочего органа статико-динамического действия, что позволяет осуществить техническую реализацию способа послойного статико-динамического разрушения забоя для проходки скважин большого диаметра в прочных мерзлых грунтах.

1. В результате анализа бурового оборудования, выпускаемого отечественной и зарубежной промышленностью и работ выполненных известными советскими учеными по созданию активных исполнительных органов породопроходческих, добычных и землеройных машин, установлено, что одним из перспективных направлений в развитии средств механизации буровых работ является создание бурового рабочего органа, осуществляющего послойное статико-динамическое разрушение забоя.

2. Разработана конструктивная схема исполнения бурового рабочего органа статико-динамического действия, включающая в себя корпус с блоком ударных устройств, накопитель грунта, породо-разрушающую коронку с окнами для забора грунта, лемехами, центратором и подвижно установленными на нем ударными инструментами.

3. Разработана математическая модель процесс статико-динамического бурения мерзлых грунтов, учитывающая комбинированный характер приложения нагрузки на забой.

4. Установлены зависимости основных конструктивных и режимных параметров бурового рабочего органа статико-динамического действия для различных условий взаимодействия с грунтовым массивом, обеспечивающие наиболее эффективную проходку скважины.

5. Предложено новое техническое решение ударного устройства (а.с. № 590 439), позволяющее реализовать способ послойного статико-динамического разрушения для проходки скважин большого диаметра.

6. Выполнены экспериментальные исследования процесса стати-ко-динамического разрушения мерзлых грунтов на лабораторном стенде, подтвердившие правомерность полученных аналитических зависимостей и принятых допущений. Погрешность в определении основных показателей не превышает 22%. Установлены оптимальные значения энергии удара и угла атаки: энергия удара для инструментов шириной 0,08- 0,1 и 0,12 м составляет соответственно 1,5- 1,8 и.

2,1 кДжугол атаки инструмента составляет — 0,7−0,87 рад.

7. Разработан экспериментальный образец бурового рабочего органа статико-динамического действия БСД-I, испытания которого показали достаточную работоспособность конструкции и эффективность проходки скважин большого диаметра в прочных мерзлых грунтах с использованием статико-динамического разрушения забоя.

8. Разработана методика расчета параметров бурового рабочего органа статико-динамического действия, предназначенного для проходки скважин большого диаметра в мерзлых грунтах У-УШ категории. Параметры устанавливаются из условия обеспечения минимальных удельных затрат при заданных производительности и диаметре бурения. Методика расчета была использована при определении параметров экспериментального образца БСД-I и разработке технического задания на создание и промышленное освоение бурового рабочего органа статико-динамического действия, утвержденного ВСМО «Союзспецтяжстрой» .

9. Результаты исследований использованы НПО «Союзспецфун-даменттяжстрой» при разработке технической документации на буровое оборудование, которая передана на изготовление Кемеровскому опытному ремонтно-механическому заводу и Карагандинскому заводу металлоформ и бортоснастки.

Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения предлагаемого бурового рабочего органа составляет около 60,0 тыс. рублей в год.