книги из ГПНТБ / Ударно-канатное бурение И. П. Зорин, А. М. Стороженко. 1960- 12 Мб

Глава III

РЕЖИМЫ БУРЕНИЯ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Под режимом бурения скважин ударно-канатными станками понимают сочетание только таких параметров, кото­ рые подбираются машинистом станка. К этим параметрам от­ носятся: высота падения и число ударов бурового снаряда, высота навески долота, расход воды, длительность операций добления и чистки, наивыгоднейшее сочетание операций добления и чистки, а также продолжительность цикла бурения.

Другие факторы и параметры, также влияющие на скорость бурения, но которые машинист станка изменить не может (вес бурового инструмента, форма и угол приострения долота, диа­ метр буримой скважины и др.) в понятие «режим *бурения не включаются.

Под технологией бурения скважин понимается рациональ­ ный режим работы ударно-канатных станков в сочетании с при­ менением совершенного бурового и вспомогательного инстру­ мента при должной организации труда и соблюдении правил техники безопасности.

Под рациональным режимом бурения скважин удар­ но-канатными станками понимается оптимальное сочетание параметров, подбираемых машинистом станка для получения наибольшей скорости бурения.

Четкость определения понятия «режим бурения» позволяет научно обобщить опыт работы передовых машинистов станков ударно-канатного бурения, а установление изменения оптималь­ ных значений параметров рационального режима работы, в зависимости от крепости и структуры пород, дает возможность распространить передовой опыт среди всех машинистов.

§ 2. ВЫСОТА ПАДЕНИЯ И ЧИСЛО УДАРОВ БУРОВОГО СНАРЯДА

Высота падения и число ударов бурового снаряда рассмат­ риваются как один параметр, так как они взаимосвязаны и строго обусловлены конструкцией ударно-канатного станка.

90

Взаимосвязь этих величин обеспечивает равенство времени ускоренного падения бурового снаряда в скважине и времени движения оттяжного блока балансирной рамы снизу вверх. При нарушении равенства между указанными величинами нель­ зя достигнуть нормальной работы ударно-канатного станка.

Так, при меньшей частоте ударов буровой снаряд в конце падения будет несколько затормаживаться замедляющим свое движение оттяжным блоком, и бурение, возможное в этом слу­ чае только за счет растяжения каната и сжатия амортизатора* окажется малопроизводительным. При большей частоте ударов

буровой снаряд еще не успеет опуститься до забоя скважины, как канат начнет тянуть его вверх. В таких случаях вся сила

Рациональное число ударов бурового снаряда определяется по ранее приведенной формуле (43)

/1 = 0,118^(180° - 1)1/ — • I/

Составляющие этой формулы можно найти следующим образом.

Высоту падения бурового снаряда определяют по расчетным данным табл. 6, в которую сведены значения высоты падения,

можно воспользоваться формулой, предложенной К. И. Ивано­

//ш —диаметр бурового снаряда, дм-, Нш — высота шламового столба, дм-,

91

Таблица 20

Ускорения падения бурового снаряда в скважине, найденные по формуле (54) и путем экспериментов

точно хорошо согласуются с данными, полученными в резуль­ тате опытов; 3) мгновенные значения ускорений изменяются в больших пределах—от 2,8 до 7,92 л/сек2.

Данные, вычисленные по формуле (43) и приведенные ранее в табл. 6, были проверены экспериментальным путем на ряде рудников Урала (Магнитогорском, Бакальском и др.). В 1956г. опыты проводились на руднике им. ОГПУ Бакальского рудо­ управления при бурении трещиноватых кварцитов горизонта 725 м. Крепость кварцитов составляла 16—18 (по шкале проф. М. М. Протодьяконова). На станке № 3 асинхронный дви­ гатель с короткозамкнутым ротором, имеющий постоянное чис­ ло оборотов, был заменен асинхронным двигателем с фазовым ротором который позволил регулировать число ударов буро­ вого снаряда от 46 до 58 в минуту. Высота падения и подъема бурового снаряда замерялась с помощью кимографа2 или ме­ таллического метра.

Результаты замеров (рис. 38) позволили сделать выводы о том, что высота падения не равна высоте подъема и что раз­ ница между ними изменяется от 0 до 7%.

При одном и том же радиусе кривошипа, т. е. практически при одной и той же высоте падения бурового снаряда, после­ днему сообщалось различное число ударов (при высоте 1,15 м —

1 В ротор двигателя было введено добавочное сопротивление, расчет которого выполнен работником Бакальского рудоуправления П. М. Пикел-

лером.

2 Описание прибора приведено в статье О. И. Алексеева и М. К. Пса­ рева «Опытные работы по рационализации бурения на Коунрадском рудни­ ке». «Горный журнал», 1955, № 7.

93

46; 48; 50 и 52; при высоте 0,95 м — 50; 53 и 56 и при высоте

0,80 м — 56 и 58 ударов в минуту).

Взаимосвязь между высотой падения и рациональным чис­ лом ударов бурового снаряда, установленная в результате опы­ тов, приведена в табл. 21.

Таблица 21

Рациональное число ударов в зависимости от высоты падения бурового снаряда

Радиус кривошипа, мм

Показатели

Замечено, что с увеличением числа ударов нарушается нор­ мальная работа бурового, станка: появляются рывки, приводя­ щие к; сотрясению его конструкции и неполноценным ударам

Рис. 38. Изменение высоты падения и подъема бурового снаряда при бурении трещиноватых кварцитов;

бурового снаряда по^ забою скважины и др. С уменьшением же числа ударов буровой снаряд не имеет свободного падения и плавно перемещается в скважине.

Опыты позволили установить, что резкое несоответствие вы­ соты падения и числа ударов бурового снаряда, наблюдаемое в начале долбления, несколько сглаживается в конце операции. Следовательно, с углублением скважины (с увеличением сопро­ тивления шламового столба) рациональное число ударов должно

94

быть несколько снижено, чтобы привести в соответствие ско­ рости падающего снаряда и поднимающейся ударной балки. В момент забуривания скважины и при исправлении искрив­ ленной части скважины следует также снижать число ударов бурового снаряда.

Исследования П. П. Назарова показали, что с переходом от высоты падения бурового снаряда 0,65 м и числа ударов 65 в.

меньшее количество потенциальной энергии буровой снаряд запасает при высоте падения 0,8 м и 58 ударах в минуту, а наи­ большее— при высоте 1,15 м и 48 ударах в минуту; 2) с уве­ личением высоты падения от 0,95 до '1,15 м и уменьшением числа ударов от 53 до 48 в минуту потенциальная энергия, запасаемая буровым снарядом, возрастает на 8%, т. е. соот­ ветственно увеличивается кинетическая энергия удара1, что, безусловно, повышает скорость бурения. Аналогичный резуль­ тат можно получить при увеличении веса бурового снаряда от

1000 до 1300 кг.

Таблица 22

Изменение энергии (кгм), запасаемой буровым снарядом в единицу

времени, в зависимости от высоты падения и числа ударов

Практика многих карьеров (Бакальского и др.) показывает, что вес бурового снаряда на ударно-канатных станках состав­ ляет 1000—1100 кг, а это значительно меньше веса снаряда,

95-

рекомендуемого заводами-йзготовителями. Используя опыт Магнитогорского железного рудника, где вес снаряда доведен до 1300 кг, и Норильского горнометаллургического комбината, где вес снаряда составляет 1500 кг, можно добиться повышения скорости бурения скважин станками ударно-канатного действия.

При переходе буровых станков на работу с буровым снаря­ дом весом 1300—1500 кг необходимо усилить основание резь­ бового конуса долота, как это сделали на Магнитогорском, Вы­ сокогорском и других карьерах и рекомендовано новым стан­ дартом на буровой инструмент, разработанным институтом Уралгипроруда.

Проведенные на Магнитогорском руднике наблюдения за работой двух станков с различными высотой падения и числом ударов в минуту бурового снаряда показали, что скорость бу­ рения увеличивается при работе станка с большей высотой па­

Опыты, проведенные на руднике им. ОГПУ Бакальского ру­

числа ударов с 53 до 48 в минуту.

Укоренившееся на большинстве карьеров страны мнение о рациональности работы станков с высотой падения бурового снаряда 0,95 м (при проходке скважин в породах различной крепости) нельзя считать правильным. Ошибочность взгляда здесь, по всей вероятности, вызвана отсутствием на ударно-ка­ натных станках двигателей с фазовым ротором, которые позво­ лили бы регулировать число ударов бурового снаряда и другие

96

параметры в зависимости от крепости и характера буримых пород. Рациональность установки таких двигателей со всей очевидностью доказана в исследованиях канд. техн, наук П. П. Назарова [30].

Практикой также доказано, что с увеличением крепости по­ род производительность станков уменьшается. Иными словами,. у бурового снаряда недостает потенциальной энергии для того, чтобы крепкие породы разрушать так же эффективно, как и мягкие. Работа станков с постоянной высотой падения снаряда 0,95 м не позволяет использовать резервов, заложенных в кон­ струкции станка. Таким образом, исходя из количества энер­ гии, запасаемой буровым снарядом в единицу времени, необ­ ходимо с увеличением крепости пород увеличивать высоту паде­ ния бурового снаряда.

Общеизвестно, что работа ударно-канатных станков осно­ вана на принципе свободного падения бурового снаряда. Одна­ ко до сих пор еще не рассмотрены параметры, влияющие на высоту этого падения.

■При прочих равных условиях высота свободного падения снаряда будет зависеть в основном от высоты навески долота

му высота свободного падения бурового снаряда при одном и том же радиусе кривошипа будет соответственно уменьшаться. Таким образом, заведомо недостаточное для разрушения креп­ ких пород количество энергии, запасаемое буровым снарядом в единицу времени, становится еще меньшим из-за увеличения высоты навески долота, т. е. меньшей высоты свободного его падения. Так, при бурении крепких пород с оптимальной высо­ той навески долота 7 см высота свободного падения при одном и том же радиусе кривошипа уменьшается на 7 см, или на

7,5%.

Анализируя рассмотренные факторы, т. е. количество энер­ гии, запасаемое буровым снарядом в единицу времени, и изме­ нение высоты свободного падения его, приходим к выводу, что высота падения бурового снаряда с увеличением крепости по­ род должна увеличиваться, несмотря на некоторое уменьшение числа ударов.

Этот вывод подтверждают результаты работы станков с раз­ личной высотой падения снаряда на Магнитогорском руднике, которые приведены в табл. 24.

* По крепким кварцитам Бакальских рудников.

Как видно из таблицы, средняя производительность станка в смену увеличивается с увеличением высоты падения бурового снаряда. Однако повышение производительности не одинаково

Коэффициент/ крепости пород по шкс^пе М.М. Про­ тодьяконова

Рис. 40. Рекомендуемые значения высоты падения и числа ударов бурового снаряда для пород различной крепости

на породах различной крепости: на мягких она у станка б вы­ ше, чем у станка а тдлько на 2%, а на крепких — на 14—19%.

Основываясь на вышеизложенном, считаем возможным ре­ комендовать вести выбор рациональных значений высоты па­ дения и числа ударов бурового инструмента в зависимости от крепости пород по графику, представленному на рис. 40. Эта рекомендация относится к станкам, имеющим двигатели с ре­ гулируемым числом оборотов.

98