Обоснование и выбор рациональной частоты вращения штанги машин для сверления шпуров в породах повышенной крепости и абразивности

В мире около 40% подготовительных и вскрывающих выработок при подземном способе добычи полезных ископаемых приходится на долю буровзрывного способа (ВВС). Кроме этого, бурение шпуров осуществляется под анкерную крепь при комбайновой проходке, а при строительстве тоннелей и других подземных коммуникаций — для укрепления сводов и прилегающих к нему пластов горных пород.

Экономическое благополучие России определяется состоянием топливно-энергетического комплекса страны. Для обеспечения надежного энергоснабжения доля угля в производстве топливно-энергетических ресурсов должна возрасти с 12,2 до 17% (к 2020 году), а объем добычи составить 430 435 млн. т. в год. 1]. Подземный способ добычи угля занимает около 36% от общей добычи угля в стране. [2]. В угольной промышленности России более 50% объема подготовительных и вскрывающих выработок, проводимых с помощью ВВС, приходится на Восточный Донбасс, на шахтах которого менее 10% выработок проводятся комбайновым способом.

Одной из основных задач деятельности любого горного предприятия, в том числе и угольной шахты, является воспроизводство фронта очистных работ, а именно проведение горных подготовительных и вскрывающих выработок, открывающих доступ к полезному ископаемому. Существующий уровень отечественной техники для горнопроходческих работ намного ниже аналогичного зарубежного. Выпускаемое оборудование морально устарело [2]. В соответствии с этим производительность труда в горнорудной промышленности России ниже, чем в США в 5 — 7 раз, а в угольной до 20 раз [3].

Для оценки эффективности работы горнодобывающей промышленности был введен показатель удельного объема проведения подготовительных выработок (Су), и в официальной статистике он приводится в погонных метрах на 1000 тонн добычи полезного ископаемого [4].

Несмотря на возрастающие объемы добычи угля, показатель удельного объема проведения выработок в последние годы имеет тенденцию к снижению. Тем не менее, буропогрузочные работы являются основными при проведении подготовительных выработок и занимают от 60 до 75% времени проходческого цикла. На один метр длины выработки среднего сечения приходится до 40 метров шпуров, на бурение которых тратится до 2-х часов времени.

Крепость пород в подготовительных забоях шахт Восточного Донбасса такова, что в более чем половине из них применяется вращательный способ бурения (сверления) шпуров, областью применения которого являются породы с коэффициентом крепости от 4 до 10 единиц по шкале профессора М. М. Протодьяконова и абразивностью до 25 мг. Однако применение сверления шпуров по породам повышенной крепости (8 .10 единиц) и абразивности (15.25мг.) сталкивается с проблемой сохранения скоростных качеств резца и значительным уменьшением его стойкости. Большинство современных конструкций бурильных машин для сверления шпуров имеют ступенчатое регулирования частоты вращения буровой штанги, что не позволяет в полной мере решить задачу выбора рациональных режимных параметров, особенно по породам повышенной крепости и абразивности.

Программа механизации производственных процессов в угольной промышленности предусматривает применение более производительных горных машин и оборудования [5].

Поэтому совершенствование техники сверления шпуров по-прежнему остается актуальной задачей, решение которой возможно на строгой научной основе. Выбор рациональных режимных параметров (частота вращения штанги ц^, осевое усилие Ру, количество промывочной жидкости Q) применительно к конкретным условиям и поддержание их в процессе бурения позволит повысить эффективность эксплуатации инструмента и бурильных машин. В настоящее время достижения в области управляемого привода и микропроцессорной техники позволяют на качественно новом уровне подойти к решению данной задачи и создавать горное оборудование нового технологического уровня, которое повысит производительность труда в горнодобывающей промышленности страны.

Исходя из этого целью работы является повышение эффективности процесса бурения шпуров бурильными машинами вращательного действия в породах повышенной крепости и абразивности на основе обоснования и выбора рациональной частоты вращения штанги.

Основная идея работы заключается в увеличении скорости бурения и стойкости резцов, которое будет достигаться выбором и периодическим изменением в процессе бурения частоты вращения буровой штанги в зависимости от крепости буримых пород и степени затупления инструмента.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

— при вращательном бурении (сверлении шпуров) удельное количество сколов породы зависит не только от глубины срезаемой стружки, но и от разницы между внешним и внутренним радиусами резца, что приводит к повышению затрат энергии на разрушениеразвитие трещин под торцовой площадкой резца, приводящих к ослаблению породного массива, зависит от времени её воздействия на подрезцовую зону, обратно пропорционального частоте вращения буровой штанги. Эти факторы заметно увеличивают влияние частоты вращения резца на величину усилия подачи и крутящего момента;

— с увеличением частоты вращения штанги возрастают величины усилия подачи и крутящего момента на резце, независимо от конструктивных параметров режущей части инструмента и крепости породы;

— достижение максимальных значений механической скорости бурения и стойкости резца возможно за счет настройки начального значения частоты его вращения на максимум по крепости породы и последующей корректировки её величины в зависимости от затупления инструмента и возможных изменений крепости породы.

Новизна научных положений состоит в следующем:

— уточнен механизм сколообразования породы перед передней гранью бурового резца в зависимости от толщины стружки и радиусов кривизны траекторий движения внешних и внутренних точек режущих кромок инструмента, позволяющий объяснить причины влияния частоты вращения на рост затрат энергии на разрушениеудельное количество сколов при бурении шпуров 042.43мм увеличивается в 3,0.3,3 раза по отношению к резанию при линейной траектории движения резца с адекватными значениями ширины и толщины стружки;

— впервые установлено, что пропорционально увеличению частоты вращения резца, уменьшается величина слоя породы нарушенного трещинами под торцовой площадкой резца, что приводит к росту удельных затрат энергии на разрушение;

— установлены взаимосвязи силовых параметров с частотой вращения резца, характеризующиеся линейным увеличением значений осевого усилия и крутящего момента на резце с ростом частоты вращения. Данное явление имеет место при разных типах и крепости пород, а также разных конструкциях режущей части бурового инструмента;

— уточнены зависимости для расчета средних значений усилия подачи и крутящего момента при вращательном бурении шпуров, отличающиеся от известных учётом влияния частоты вращения резца, что позволяет повысить точность расчетов в среднем на 30.35% и применять их с учетом установленных закономерностей сколообразования породы для математического моделирования функционирования бурильных машин;

— разработан способ и алгоритм управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении, а также реализующие их технические решения, обеспечивающие повышение скорости бурения и стойкости инструмента, отличающиеся тем, что частота вращения в процессе бурения периодически настраивается на рациональное значение.

Значение работы.

Научное значение работы состоит в совершенствовании теории функционирования бурильных машин вращательного действия и установлении конкретных закономерностей процесса вращательного бурения.

Практическое значение работы заключается в разработке способа управления частотой вращения штанги бурильных машин вращательного действия и технических решений, реализующих данный способ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ проведенных исследований, экспериментальные методы исследований. Для исследования процесса трещинообразования применен метод люминесцентной дефектоскопии, для исследования процесса сколообразования и влияния частоты вращения резца на скорость и силовые параметры вращательного бурения шпуров применен метод тензометрирования. Полученные результаты были обобщены и применены в математическом моделировании на современных ПЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием теоретически обоснованных и проверенных методов исследования, периодической поверкой приборов и аппаратуры соответствующими службами, соблюдением необходимого порядка проведения экспериментов и применением статистических методов их обработки, сходимостью расчетных данных с результатами опытов, применением современных ПЭВМ для выполнения расчетов и обработки полученных результатов, оценкой адекватности разработанной математической модели, а также достаточной представительностью объема экспериментов, позволяющим с вероятностью 0,95 утверждать, что ошибки результатов не превышают 15−20%.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях: (1985;89, 1998;2004г.г.) ЮРГТУ (НПИ) — на научном семинаре «Новое в теории, технологии и технике бурения» 21−23 ноября 1991 г. ННЦ-ИГД им. А. А. Скочинского (г. Люберцы Моековской Обл.) — на международном симпозиуме «Неделя горняка -2004», Московский государственный горный университет, (г. Москва) — на 7-й международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» 15−17 декабря 2004 г. ЮРГТУ (НПИ), (г. Новочеркасск).

Основные положения диссертации отражены в 10-ти печатных работах, ссылки на которые даны по тексту работы.

Структурно работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименований и 5 приложенийизложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 14 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Н. И. Сысоеву и возглавляемому им коллективу кафедры «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований и оформления работы.

Выводы по главе 5.

1. Разработан способ управления частотой вращения штанги бурильных машин вращательного действия, позволяющий более точно и надежно определять в процессе работы бурильной машины частоту вращения, соответствующую максимальной скорости бурения.

В соответствии со способом разработан алгоритм работы системы управления бурильной машины для бурения шпуров, как в однородных, так и перемежающихся породах.

2. Разработаны два варианта структурной схемы бурильной машины: первый с объемным гидроприводом в системе вращателя, второй с частотно регулируемым электроприводом.

Управление частотой вращения, в обеих вариантах осуществляется сервоприводом, управляемым микропроцессором на основании сигналов поступающих с датчиков скорости подачи и частоты вращения.

3. Выполненная оценка эффективности управления частотой вращения буровой штанги показала, что расчетные удельные затраты на бурение одного метра шпура в 2,7.2,9 раза ниже, чем у бурильных машин работающих при постоянной частоте вращения.

Заключение

.

1. Разрушение горных пород в процессе вращательного бурения характеризуется: большой степенью дробимости и измельчения породы, повышенной частотой воздействия торцовой площадки на забой в конкретных продольных сечениях, высокой динамичностью системы «забой — резец — бурильная машина», заметным влиянием изменения частоты вращения на силовые параметры и износ инструмента.

2. Сколообразование породы перед передней гранью бурового резца в значительной степени зависит от радиуса кривизны траектории движения режущих кромок инструмента и толщины срезаемой стружки. При толщине стружки более 1 мм скалывание породы перед передней гранью происходит в основном по трем концентрическим окружностям, не одинаковыми по объему элементами, в следующей последовательности: внешняя часть забоя перед передней гранью резца — внутренняя часть — центральная частьудельное количество сколов увеличивается в 3,0.3,3 раза по сравнению с линейным резанием.

3. Увеличение частоты вращения бурового резца, с 22 до 1018 мин" 1 уменьшает толщину слоя породы нарушенного трещинами, под торцовой площадкой резца на 20.25% практически по линейной закономерности.

4. С увеличением частоты вращения резца в диапазоне от 90 до 450 мин" 1, при постоянном осевом усилии величина удельной подачи уменьшится в 3,0.3,5 раза, при постоянной толщине срезаемой стружки величина усилия подачи увеличится в 1,8.2,5 раза, а крутящего момента в 1,4.1,5 раза, причем данные закономерности проявляются независимо от крепости породы, конструктивных параметров и затупления режущей части инструмента.

5. Расчет средних значений усилия подачи и крутящего момента на резце следует вести по эмпирическим зависимостям учитывающим свойства разрушаемой породы, конструктивные параметры инструмента, толщину срезаемой стружки и частоту его вращения. Учет частоты вращения резца повышает точность расчетов на 30.35% для среднезатупленного инструмента, по сравнению с известными зависимостями.

6. Разработанная с учетом установленных закономерностей математическая имитационная модель бурения шпуров с корректировкой частоты вращения штанги позволяет решать задачи по повышению эффективности процесса бурения в конкретных условиях. Скорость бурения может быть увеличена в 1,20.1,25раза, энергоёмкость бурения шпуров снижена в 1,5. 1,7 раза, а расход бурового инструмента уменьшен от 1,3 до 3,5 раз в зависимости от абразивности и крепости пород, в сравнении с бурением при постоянной частоте вращения.

7. Состояние оптимума для вращательного бурения шпуров — процесс весьма кратковременный, особенно на неоднородных по длине шпура породах, что предопределяет необходимость в периодическом определении текущего состояния системы «резец — забой» и корректировки режимных параметров бурильной машины без ее остановки.

8. Управление частотой вращения штанги, бурильных машин с регулируемым гидроили электроприводом вращательно-подающего механизма, следует осуществлять сервоприводом, управляемым микропроцессором на основании сигналов поступающих с датчиков скорости подачи и частоты вращения. Оптимальное значение частоты вращения, соответствующее данному состоянию резца и прочности породы периодически определяется и поддерживается некоторое время. Бурение в установленном режиме более продолжительно по времени, чем период определения оптимальной частоты вращения (соотношение не менее 5:1).

9. Применение бурильных машин с изменяемой частотой вращения буровой штанги, по разработанному алгоритму, позволяет снизить расчетные удельные затраты на бурение в 2,7.2,9 раза, в сравнении с машинами работающими при постоянной частоте вращения.