Выбор и обоснование конструктивных параметров малогабаритных погружных пневмоударников

Актуальность. При подземной и открытой разработке рудных месторождений преимущественное распространение получил буровзрывной способ добычи. Для бурения скважин используются телескопные перфораторы, колонковые установки, а также погружные пневмоударники. Уменьшение диаметра скважин способствует резкому росту скорости бурения. Однако степень использования выносных устройств даже повышенной мощности при передаче энергии рабочему инструменту через штангу с увеличением глубины бурения снижается. Погружные ударники в меньшей степени обладают этим негативным свойством, поэтому они получили преимущественное распространение при бурении глубоких скважин. Минимальным для скважин в настоящее время является диаметр равный 100 мм, который ограничен габаритом корпуса погружного ударного устройства. Пневмоударник М-29Т на диаметр бурения 85 мм, разработанный ИГД СО АН СССР более полувека назад, в настоящее время не применяется из-за низкой его энерговооруженности. Верхний предел колонкового бурения, обеспеченный техническими средствами отечественного производства, составляет 65 мм. В мировой практике, тем не менее, имеются образцы малогабаритных погружных пневмо-ударников. Так известна конструкция ударника ДД-2 В японской фирмы Ко-кен с диаметром бурения 60 мм и рабочим давлением сжатого воздуха 1,05 МПа.

Разработка конструкции малогабаритного пневмоударника повышенной мощности представляет практический интерес для горнорудной промышленности России, так как при этом значительно расширяется область применения этого вида перспективной техники.

Цель работы заключается в выборе и обосновании конструктивных параметров малогабаритных погружных пневмоударников.

Основная идея. Пневмоударник является элементом буровой системы, в которую входит энергоноситель, система его канализации, долото и горная порода. Комплексный учет основных факторов всей системы позволяет решить задачу оптимизации ее параметров.

Методы исследования базируются на использовании технико-экономического моделирования многофакторных систем горного производства в фазе буровых работ с применением матриц Плакетта-Бермана, сим-плекс-суммирующего плана, факторных моделей, общей теории моделирования, законов механики твердого тела и теории его прочности.

Защищаемые научные положения:

1. Увеличение поверхности активного контакта инструмента с породой при росте энергии единичных ударов способствует сохранению глубины внедрения инструмента, что позволяет использовать менее прочные конструкционные материалы.

2. Ограничение роста площади ударника для заданного диаметра скважины позволяет прогнозировать разработку ударников повышенной ударной мощности за счет роста хода ударника, увеличения рабочего давления и ударной массы.

3. Определение скорости бурения как функции глубины скважины и степени энергетического совершенства системы позволяет вести поиск оптимальных параметров буровых штанг как функции диаметра долот.

Научная новизна.

1. Существенным способом повышения стойкости штыревых коронок является изменение формы и размеров породоразрушающих элементов при сохранении диаметра бурения. Для каждого типа пород при заданной энерговооруженности станка предлагается набор таких породоразрушающих элементов, которые обеспечивают максимальный уровень производительности оборудования.

2. Разработка конструкции малогабаритных пневмоударников может выполняться на базе известных прогрессивных образцов с применением теории моделирования и оптимизации ударных масс, определяемых предельной объемной энергией упругих деформаций конструкционных материалов.

3. Интенсификация и оптимизация процесса бурения для заданных условий зависит от рационального сочетания как геометрических и технических параметров ударника, долота и размеров буровых штанг, так и ресурсных характеристик системы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций гарантированы анализом условий эксплуатации горной техники, вложенных в технико-экономические модели, с использованием двух-уровнего планирования факторов и принятых в науке матриц и методов планирования экспериментов, а также совпадением результатов моделирования конструктивных и технологических параметров для известных образцов техники.

Научное значение.

1. Степень энергетического совершенства станков, использующих сжатый воздух с давлением более 1,0 МПа, возрастает из-за уменьшения относительных затрат на производство сжатого воздуха компрессорами высокого давления. Переход от двухступенчатых компрессоров к трехступенчатым или дожимным конструкциям обеспечивает существенный экономический эффект.

2. Так как зазор между стенками скважин и корпусом ударника является параметрическим размером, то он и определяет геометрический выбор числа штыревых элементов и их параметры в совокупности с прочностными характеристиками пород и разрушающих элементов.

3. Факторный анализ показал, что в определенных условиях эксплуатации целесообразными могут быть различные конструкции коронок с оптимальным по величине уровнем давления воздуха и различным буровым оборудованием.

Практическое значение. Большая площадь активной поверхности долот, контактирующая с породой, способствует уменьшению износа разрушающих кромок. Удлиненные штыревые элементы или полутороидальные активные поверхности в определенных условиях в состоянии обеспечить производительную и продолжительную работу стальных коронок. Разработаны конструкции стальных буровых коронок, защищенные патентами РФ № 2 202 029, 2 201 490, 2 204 682, повышающие эффективность бурения слабых по прочности пород.

Для погружных ударников ограничение роста площади ударника позволяет прогнозировать при заданном диаметре скважины разработку ударников повышенной ударной мощности за счет увеличения давления воздуха и ударной массы, повышения предела прочности материала ударника и изменения его хода (патент РФ № 2 209 914).

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на Международном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» в г. Орле 2000 г, на Международной конференции «Развитие горных территорий» в 2001 г в г. Владикавказе, Международной конференции «Чтения памяти Кубачека» в г. Екатеринбурге 2002 г, «Неделе горняка» в г. Москве, МГГУ, 2001 и 2002 г.г., на I и II Всероссийских научно-практических конференциях «Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы, развитие», во Владикавказе 2002, 2003 г.г., СКГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из которых четыре патента РФ на изобретения.

4.6. ВЫВОДЫ.

1. Методика расчета потерь давления в буровом ставе позволяет оптимизировать режим канализации водо-воздушных потоков. Для штанг к станкам типа НКР-100 целесообразно увеличить внутренний диаметр штанг с 40 до 50 мм, а наружний с 61 до 68 мм. При этом обеспечивается рост механической скорости бурения на 23% без изменения затрат на изготовление бурового става.

2. Степень энергетического совершенства станков с погружными ударниками возрастает при использовании сжатого воздуха повышенного давления. Наиболее эффективный переход от использования компрессоров с рабочим давлением 0,8 МПа к давлению в 1,7- 2,46 или 3,5 МПа.

3. Изменение геометрических параметров буровых штанг по выводу 1 обеспечивает условие пневмотранспортирования буровой мелочи при бурении нисходящих скважин и гарантирует безопасную работу оборудования без зашламовывания затрубного пространства и включения режимов интенсивной продувки.

4. Переход к использованию участковых компрессорных станций или до-жимных участковых компрессоров с использованием оборудования на 1,7 — 2,5 МПа позволяет почти в четыре раза снизить удельные затраты энергии на бурение погонного метра скважин с повышением полезного использования с 10 до 40%.

5. Учет влияния потерь давления в трубном ставе для малогабаритного пневмоударника диаметром 65 мм позволяет определить целесообразный уровень давления воздуха в зависимости от глубины скважин. При глубине скважин до 10 м давление воздуха может быть равно 0,5 МПа, при глубине бурения 20 м давление должно быть менее 1,5 МПа, а при давлении 3 МПа глубина скважин может превышать 50 м.

6. Использование методов численного моделирования процессов БВР позволяет оптимизировать режимы и параметры оборудования.

7. Применение малогабаритных пневмоударников ПП-65 по сравнению с колонковым бурением перфораторами ПК-75, выгоднее при номинальных давлениях сжатого воздуха не менее чем в 1,0 МПа. При этом рост рабочего давления для малогабаритных пневмоударников типа ПП-65-IV позволяет снизить стоимость погонного метра 65 миллиметровой скважины пропорционально степени его увеличения по сравнению со стандартным давлением в 0.5 МПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой изложены и научно обоснованы технические решения по оптимизации конструктивных параметров малогабаритных погружных пневмоударников повышенной мощности, представляющие существенное значение для горно-рудной промышленности России.

Основные научные результаты работы:

1. Увеличение поверхности активного контакта инструмента с породой при росте энергии единичных ударов для достижения критических напряжений в породе способствует сохранению глубины внедрения инструмента, что позволяет использовать для него менее прочные конструкционные материалы.

Для каждого типа пород при заданной энерговооруженности бурового станка есть оптимальный набор штыревых элементов, который обеспечивает максимальный уровень производительности оборудования.

2. Выполненный факторный анализ позволяет проектировать конструктивные схемы пневмоударников и коронки для них по минимальным значениям масс. Рост давления сжатого воздуха позволяет рационально увеличить как массу ударника, так и его ударную мощность, а применение штыревого бурового оборудования с высокой удельной нагрузкой на активные элементы позволяет эффективно реализовывать рост ударной мощности. Использование предельной объемной энергии упругих деформаций материалов позволяет рассчитывать необходимый минимум ударных масс в функции предела прочности их конструкционных материалов.

3. Критерии моделирования параметров пневмоударников позволяют прогнозировать конструктивные схемы малогабаритных ударников на базе наиболее совершенных схем и образцов этого вида техники, а системный подход поиска наилучших решений позволяет для заданных условий эксплуатации оборудования проектировать пневмоударники, долота, штанги и систему воздухоснабжения, которые обеспечивают принятый критерий оптимизации.

Основные практические результаты для пневмоударника с диаметром бурения скважин 65 мм:

1. Предложены конструктивные решения для армированных и стальных штыревых коронок. Коронка из стали НОГ 13 с центральным опережающим штырем диаметром 16 мм и пятью породоразрушающими элементами диаметром 20 мм гарантирует удаление максимальных продуктов разрушения, универсальность применения по крепости буримых пород при энергии ударов до 250 Дж. Армированная коронка из условий равномерности дробления, минимума энергозатрат и универсальности применения по крепости горных пород имеет 13 штырей типа Г2616 равномерно распределенных по торцу конструкции.

2. Максимальная ударная мощность обеспечивается за счет увеличения рабочего давления воздуха до уровня, определяемого глубиной буримых скважин, увеличения массы и хода ударника до уровня, определяемого пределом усталости материала ударника. Увеличение производительности в 2,41 раза по сравнению с пневмоударником ПП-105−2,2 обеспечивается за счет роста рабочего давления до 1,7 МПа, увеличения ударной массы и хода ударника в два раза.

3. Выполнены расчеты потерь давления воздуха в буровых штангах и в затрубном пространстве, которые определили размеры штанг для существующего и проектируемого оборудования. Методика расчета потерь давления в буровом ставе позволяет оптимизировать режим канализации водо-воздушных потоков. Для штанг к станкам типа НКР-100 целесообразно увеличить внутренний диаметр штанг с 40 до 50 мм, а наружний с 61 до 68 мм. При этом обеспечивается рост механической скорости бурения без изменения затрат на изготовление бурового става.

4. Учет влияния потерь давления в трубном ставе для малогабаритного пневмоударника позволяет оценить суммарные потери давления и определить целесообразный уровень давления воздуха в зависимости от глубины скважин. При глубине скважин до 10 м давление воздуха может быть равно 0,5 МПа, при глубине бурения 20 м давление должно быть менее 1,5 МПа, а при давлении 3 МПа глубина скважин может превышать 50 м.

5. Армирование ударника массой в 6,4 кг по патенту РФ № 2 209 914 требуется выполнять в конструкциях на рабочее давление 2,5−3,5 МПа.

6. Рост рабочего давления сжатого воздуха в 3−5 раз по сравнению со стандартной величиной в 0,5 МПа обеспечивает пропорциональное снижение затрат на бурение погонного метра скважины.