Лекція. Бурові машини для відкритих гірничих робіт

Вступ. Одним з основних технологічних процесів на кар’єрах є буровибухові роботи. Ефективність їх виконання залежить в першу чергу від продуктивності бурового обладнання. Бурові верстати повинні забезпечувати високу продуктивність, низьку собівартість, екологічні вимоги, необхідні діаметр та глибину буріння, мати незалежний індивідуальний привід, високу мобільність і швидкість пересування.

Аналіз стану проблеми. На кар’єрах України працює різноманітна бурова техніка для проведення шпурів та свердловин діаметром від 40 до 320 мм в гірських породах від середньої міцності до надміцних. Від ефективності і продуктивності бурових робіт залежать основні техніко-економічні показники підприємства, стан охорони праці та промислової безпеки (табл.1).

Надзвичайно великі витрати і низька ефективність бурових робіт пояснюються переважним застосуванням на кар'єрах України ресурсоємних бурових станків та низькоефективного породоруйнівного інструменту. За останні роки продуктивність бурових верстатів стабілізувалася, а умови гірського виробництва різко ускладнилися. Відбувається безперервне збільшення витрат на буріння, які в міцних породах досягають 30-35% від загальних витрат по видобутку корисних копалин [1]. Важливим є також питання боротьби з виділенням при бурінні великої кількості мілкодисперсного пилу, який впливає на здоров’я обслуговуючого персоналу та забруднення навколишнього середовища.

Тому, вибір та впровадження високоефективної бурової техніки, з обґрунтуванням основних параметрів буріння свердловин, для забезпечення високих техніко-економічних показників підприємства, захисту довкілля, стану охорони праці та промислової безпеки представляє важливу науково-практичну задачу гірничовидобувної промисловості.

Виклад основного матеріалу. В табл. 1 наведені основні порівняльні характеристики експлуатації бурових верстатів СБШ -250, СБУ-125, ROC-L8 на кар’єрах України.

Таблиця 1. Технічні характеристики та параметри бурових установок

 

 

Показники	Бурове обладнання
СБШ -250	СБУ-125	ROC L8 ’’Atlas Copco’’
Продуктивність, м/год	15-20	10-15	30-60
Діапазон міцності порід, f	12-18	10-14	16-20
Встановлена потужність, кВт
Діапазон буріння (гор./верт.), град	0-30º	0-30°	0-90º
Швидкість переміщення, км/год	0.78-1.2	1.0	3.4
Глибина буріння, м
Діаметр бурових свердловин, мм	250-270	125-160	85 - 203
Маса, т	75.0	8.0	16.8
Робочий орган, тип	Шарошечне долото	Пневмоударник П-125	Пневмоударник заглибний Copco-44/54/64
Зусилля подачі, кН

 

Застосування верстатів з ударно-обертальним способом буріння з заглибними пневмоударниками є одним з перспективних та ефективних напрямків. При цьому способі руйнування породи проводиться за рахунок впливу ударних навантажень при невисоких осьових тисках і частотах обертання, у зв'язку з чим такі верстати мають значно вищу продуктивності та мінімальну енергоємності процесу буріння.

Останнім часом на кар'єрах України почали застосовувати бурові верстати шведського машинобудівного концерну "Atlas Copco", оснащені заглибними пневмоударниками для ударно-обертального буріння [4].

Ці станки дозволяють бурити свердловини діаметром d_cвід85 до 305 мм з глибиною буріння до 54 м в гірських породах середньої міцності і надміцних. Вони комплектуються змінними буровими штангами довжиною 5 - 7 м, з автоматичним їх нарощуванням. Конструкція базової машини і бурового станка дозволяє бурити свердловини з кутами нахилу 0-90 градусів (Рис.1).

а б

Рис.1 Буровий станок “Atlas Copco”

для буріння на карєрі свердловин:

a – вертикальних, б – горизонтальних.

 

 

Станки “Atlas Copco” мають високу продуктивність і швидкість буріння, мобільність і швидкість переміщення, ефективну систему пилоподавлення, незначний вплив на навколишнє середовище, безпечні в роботі. Оснащеність верстата дизельним приводом і невеликі габарити забезпечують достатню для обмежених умов мобільність та маневреність.

Висока продуктивність бурових верстатів з пневматичними заглибними перфораторами забезпечується як за рахунок швидкості буріння так і за рахунок зведення до мінімуму допоміжних і підготовчих операцій. Станки мають систему автоматичного нарощування штанг, дякуючи чому співвідношення чистого часу буріння до часу на підготовчі операції становить 70/30.

Ефективність буріння станками “Atlas Copco’ забезпечується заглибними пневмоударниками або гідроударниками, конструкції і типорозміри яких дозволяють бурити свердловини діаметром d_cвід85 до 305 мм в гірських породах від середньої міцності до надміцних (табл. 2). Один і той же буровий станок може застосовувати декілька типорозмірів пневмоударників COP (Рис.2).

Таблиця 2. Технічна характеристика пневмоударників “Atlas Copco”

Показник	COP 34	COP 44	COP 54	COP 64	COP 84
Довжина без коронки, мм
Діаметр, мм			125,5
Вага, кг
Робочий тиск, бар	6-25	6-25	6-25	6-25	6-25
Витрата повітря л/с, при: 10 бар 18 бар 24 бар
Діаметр буріння, мм	85-105	105-140	127-152	165-203	195-305

 

Породоруйнівні коронки пневмоударника (рис.3) застосовуються для буріння міцних і абразивних порід. Вони армовані високоякісними твердосплавними вставками, що представляють собою сплав карбіду вольфраму і кобальту, оснащені як сферичними або балістичними штирями, що забезпечує високу швидкість буріння, мінімальне відхилення свердловин від осі буріння і високу зносостійкість

 

Рис.2. Загальний вигляд (а) та конструкція заглибного пневмоударника “Atlas Copco”(б):

1 - вузол з’єднання з буровою штангою; 2-корпус; 3 - золотниково- розподільчий механізм; 4 - ударний поршень; 5 - породоруйнівна коронка

 

 

 

Рис.3. Породоруйнівна коронка заглибного пневмоударника: 1 – корпус; 2 – канали для продувки; 3 - твердосплавні вставки.

а б

Продуктивність роботи заглибних пневмоударників залежить в першу чергу від робочого тиску в камері пневмоударника, створюваного бортовим компресором бурового станка (рис.4).

Рис.4. Залежність швидкості буріння від робочого тиску пневмоударника

COP 64: 1 – швидкість буріння; 2 –

витрати повітря.

 

Щоб уникнути надмірного переподрібнення зруйнованої гірської породи у вибої і ризику заклинювання, буровий шлам видаляється зі свердловини через

регулярні проміжки часу (3-5с) шляхом продувки повітрям (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема продувки та видалення бурового шламу: а - продувка шляхом підйому пневмоударника з дна свердловини; б – з запусканням ударного механізму; в – з роботою перепускного клапану

 

а б в

Ефективність застосування бурового обладнання на кар’єрах України наглядно підтверджується графіком рис.6, в якому наведена залежність швидкості буріння V_б від міцності f гірських порід, в діапазоні f від 10 до 20.

Рис. 6. Залежність механічної швидкості буріння від міцності гірської породи:

1 - СБУ-125; 2 – СБШ-250; 3 - “Atlas Copco” ROC-L8.

 

 

Дослідження проведені для кар’єрів України на яких розробляються та видобуваються гірські породи та інші види корисних копалин з застосуванням буро-вибухових робіт: граніти, кварцити, мармур, габро, лабрадорити, вапняки.

Так, при міцності порід f=10, швидкість буріння станком ROC-L8 в 6 разів вища ніж СБУ-125, і в 2 рази вища ніж СБШ-250. При міцності порід f=14, продуктивність станка ROC-L8 в 3 рази вища ніж СБШ-250, і в 4 рази вища СБУ-125. При міцності f = 20, станок ROC-L8 має перевагу в швидкості буріння перед СБУ-125 в 6 разів, і перед СБШ-250 в 2 рази.

Cередньомісячна продуктивність верстатів ROC-L8 на кар’єрах України в 2010 році становила 5600 п.м., що на 20% вище в порівнянні з верстатами СБУ-125 (4650п.м.). Продуктивність верстата СБШ-250МН склала 4800 п.м. на місяць. Собівартість буріння верстатом ROC-L8 склала 40.8 грн/ п.м., що менше на 10,2% собівартості буріння верстатом СБУ-125 (47.2 грн / п.м.), та на 14,5% (49.6 грн/п.м) буріння верстатом СБШ-250М (Рис.7).

Рис. 7 Структура витрат на буріння 1 п.м свердловини: а – станками СБШ; б – станками з заглибними пневмоударниками

 

Аналіз структури витрат показує, що бурові верстати “Atlas Copco” мають перевагу перед СБШ насамперед по річній продуктивності. Це пояснюється продуктивним руйнуванням міцних порід заглибними пневмоударниками, автономним дизельним приводом, повною автоматизацією допоміжних операцій буріння (зміна та нарощування бурових штанг, заміна долота, горизонтальне буріння), що знижує час на буріння і переїзд від свердловини до свердловини. Приводи всіх механізмів “Atlas Copco” гідрофіковані, що дає хороше регулювання та оптимізацію параметрів буріння.

Висновки. Аналіз встановив, що низька ефективність бурових станків СБШ-250 і СБУ-125, обмежується їх технічними можливостями і енергоефективністю. Виходячи з того, що швидкість буріння є інтегральним і комплексним показником ефективності бурових робіт на кар’єрах, і особливо при руйнуванні міцних та надміцних порід – застосування бурових станків “Atlas Copco” з заглибними пневмоударниками є надзвичайно перспективним напрямком.

Застосування високопродуктивних станків “Atlas Copco”, разом з розробкою та впровадженням сучасних високоефективних вибухових речовин, дають можливість зменшення діаметра буріння свердловин і об’ємів вибухових робіт, що значно підвищить ефективність як вибухових робіт так і техніко-економічних показників гірничого підприємства в цілому.

1. Катанов Б.А. Современное состояние и перспективы развития бурового оборудования/ Б.А.Катанов// Горное оборудование и электромеханика.-2006.- № 12. - С 25–27.

2. Подэрни Р. Ю. Механическое оборудование карьеров.Учебник для вузов/ Р.Ю. Подэрни / - М.: МГГУ, 2007,- 680 с.

 

3. http://www.stroy-life.ru/index.htm /Липин А.А.,А.С. Танайно., В. В. Тимонин Современные погружные ударные машины для бурения скважин © 2007 Строительный портал Stroy-Life. Все права защищены. Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск)

 

4. http://www.atlas.copco. Бурові станки “Atlas Copco” для відкритих гірничих робіт. Сайт компанії “Atlas Copco”. 2010 рік