В связи с многообразием механических и абразивных свойств горных пород и руд на карьерах применяется широкий набор типов шарошечных долот. Правильный выбор типа шарошечного долота обеспечивает увеличение его стойкости и скорости бурения.
Для бурения мягких, мягких с прослойками средней крепости, мягких абразивных с включениями пропластков средней крепости (f £ 6) пород применяют трехшарошечные долота типов М, МС, МЗ и МСЗ, допускающие удельные осевые усилия 0.2 £ pос ³ 0.6 в меганьютонах на один метр диаметра долота. Для бурения пород средней крепости (f £ 8) используют долота типов С, СТ и СТЗ с 0.3 £ pос ³ 0.8, МН/м, твёрдых (f = 8...12) - долота типов Т, ТК, ТЗ и ТКЗ с 0.7 £ pос £ 1.5, МН/м, для крепких абразивных и самых крепких абразивных (f = 12...18) - долота типов К и ОК с 0.9 £ pос £ 2.0, МН/м.
Для бурения взрывных скважин на карьерах в основном используют шарошечные долота типов ОК, ТК и Т.
Зубья шарошек (вооружение) долот МЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К и ОК выполняются в виде запрессованных в тело шарошек твердосплавных штырей с клиновидными (МЗ, СЗ и ТЗ) или сферическими (К и ОК) рабочими поверхностями. Долота типа ТКЗ имеют чередующиеся клиновые и сферические штыри, а типа ТК - комбинированное вооружение, состоящее из чередующихся твердосплавных зубьев с полусферическими головками, запрессованных в тело шарошки, и выфрезерованных в ней зубьев, наплавленных твёрдым сплавом. Шарошки долот Т, СТ, М, МС имеют только выфрезерованные зубья, наплавленные зерновым твёрдым сплавом.
|
|
Рациональная область применения долот приведена в табл. 2.1.
Потребное осевое усилие (усилие подачи), Н, с достаточной для инженерных расчётов точностью может быть определено по эмпирической зависимости
Рос @(6…7)104 fD, (44)
где D - диаметр долота, м.
Осевое усилие может быть определено из выражения
Рос = pос × D, (45)
где рос - допускаемое удельное усилие на 1м диаметра шарошечного долота, Н/м, устанавливаемое для каждого типа долота (см. выше).
Частота вращения шарошечного долота обычно принимается равной 80...150 мин-1, иногда 300 мин-1. Меньшие значения принимаются для крепких пород и больших диаметров долот, а большие значения частот вращения - для средней крепости пород и меньших значений диаметра (табл. 2.2).
С увеличением частоты вращения бурового става скорость бурения повышается, но вместе с этим возрастает износ долота.
Скорость бурения VБ, м/мин, определяется по одной из нижеприведённых эмпирических формул:
(46)
или
|
Механическая скорость бурения шарошечным долотом диаметром D, м, с осевым усилием Рос, Н, и частотой вращения п, мин-1, может быть подсчитана по эмпирической зависимости
|
|
|
Крутящий момент М, Нм, для преодоления сил сопротивления при скалывании породы штырями шарошечного долота с учетом сил трения в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины определится из выражения
|
Таблица 2.1
Рациональные области применения долот второго поколения
(по данным ВНИИБТ)
Долото | Горные породы | Коэффици-ент крепости | Диаметр долота |
С и СТ | Неабразивные горные породы ниже средней и средней твердости: плотные глины, гипс, алевролиты, соли, мергели, углистые и глинистые сланцы, рыхлые известняки и т.п. | 190, 214 | |
Т | Неабразивные и малоабразивные твердые горные породы: амфиболовые сланцы, аргиллиты, песчанистые сланцы, твердые известняки, слабые доломиты, фосфатные руды, опоки и т.п. | 6-8 | 145, 190, 214, 243 |
ТК | Малоабразивные твердые горные породы с пропластками крепких пород и руд: твердые известняки с пропластками угля, малокристаллические известняки с пропластками доломитами и т.п. | 8-10 | 190, 214, 243 |
ТЗ | Вязкие абразивные твердые горные породы: апатит-нефелиновые руды, доломитизированные известняки и плотные доломиты, разрушенные граниты, габбро и диориты, магнезиты | 8-14 | 190, 214, 243 |
ТКЗ | Перемежающиеся абразивные твердые, вязкие, крепкие и хрупкие горные породы и руды: окварцованные доломитизированные известняки с прослоями рыхлого кварцита, кварцевые сланцы и т.п. | 8-14 | 190, 214 |
ОК | Абразивные хрупкие крепкие и очень крепкие горные породы и руды: гранит, скарны, кварциты, диориты, джеспелли-ты, крепкие песчаники и т.п. | 76, 97, 112, 145, 190, 214, 269, 320 |
где sск - предел прочности породы на скалывание, Па (табл. 1.4 книги [2] или прил.3);
Vб - механическая скорость бурения, определяемая по одному из эмпирических выражений;
Ктр @ 1.15 - коэффициент, учитывающий трение в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважин;
Таблица 2.2
Параметры режима бурения долотами второго поколения
Диаметр долота, мм | Наружный диаметр бурильных труб, мм | Осевая нагрузка на долото, кН | Частота вращения, с-1 | Расход продувочного агента | ||||
с продувкой воздухом, м3/с | с промывкой водой, дм3/с | |||||||
С, СТ, Т, ТК | ТЗ, ТКЗ, К, ОК | С, СТ, Т, ТК | ТЗ, ТКЗ, К, ОК | С, СТ, Т, ТК | ТЗ, ТКЗ, К, ОК | |||
63.5 | 25-30 | 35-40 | 3.00-4.17 | 2.00-2.50 | 0.15 | 0.07-0.08 | 1.0 | |
73.0 | 35-40 | 50-60 | 3.00-4.17 | 2.00-2.50 | 0.15 | 0.10 | 1.0 | |
89.0 | 50-60 | 70-90 | 3.00-4.17 | 2.00-2.50 | 0.15 | 0.15 | 2.0 | |
89.0-114.0 | 60-80 | 100-120 | 3.00-4.17 | 2.00-250 | 0.20 | 0.17 | 3.3 | |
152.0 | 140-160 | 180-220 | 2.50-3.30 | 1.33-2.50 | 0.25-0.30 | 0.25 | - | |
180.0 | 180-200 | 220-250 | 2.50-3.30 | 1.33-2.50 | 0.33-0.37 | 0.25-0.30 | - | |
203.0 | 220-250 | 250-280 | 2.50-3.30 | 1.33-2.50 | 0.44-0.53 | 0.40-0.44 | - | |
219.0 | 250-300 | 300-350 | 2.50-3.30 | 1.33-2.50 | 0.58-0.67 | 0.50-0.580 | - | |
273.0 | - | до 500 | - | 1.33-2.50 | - | до 1.00 | - |
Примечание: 1. Верхние пределы осевых нагрузок соответствуют нижним пределам частот вращения.
2. В крепчайших горных породах частоту вращения следует снижать до 1 с-1.
Кск @ 0.5 - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями.
Мощность N, Вт, двигателя вращателя:
|
где w - угловая скорость вращения долота, рад/с;
h = 0.65 - КПД передачи трансмиссии вращателя.
Расход воздуха Wв, м3/мин, на продувку скважины от буровой мелочи зависит от объема выбуриваемой породы Vn, м3/мин., и удельного расхода e воздуха, потребного на 1 м3 буровой мелочи:
|
где VБ mах - максимальная механическая скорость бурения, м/мин;
D - диаметр скважины, м;
e - удельный расход воздуха, равный 80...150 м3/м3.
Подача компрессоров бурового станка выбирается в 2-3 раза больше, чем расход воздуха Wв, рассчитанный по формуле, в связи с возможными большими утечками воздуха по трещинам при бурении трещиноватых пород.
Стойкости шарошечных долот Lд,м, определяются по корреляционным зависимостям влияния коэффициента крепости f буримых пород и руд на них (табл. приведена ниже).
|
|
Диаметр скважин, мм | Стойкость шарошечного долота, м |
713.1 - 82.5 f + 2.4 f | |
756.7 - 90.9 f + 2.9 f | |
597.8 - 61.5 f + 1.8 f | |
847.8 - 69.8 f + 1.5 f |
Большинство зубчатых долот в породах с показателями f = 8…12 выходят из строя из-за низкой стойкости вооружения, средняя стойкость долот не превышает 120...170 м. Штыревые долота при бурении пород с f = 13...14 выходят из строя из-за заклинивания подшипниковых опор, средняя стойкость долота - 80...120 м. В более крепких породах стойкость долот - 45...70м.