Введение
Бурение скважин погружными пневмоударниками занимает особое место среди ударно-вращательных способов разрушения горных пород: оно применяется там, где классическое шнековое или шарошечное бурение оказывается малоэффективным — в крепких и абразивных породах, на карьерах черной и цветной металлургии, при проходке взрывных скважин на угольных разрезах, при геологоразведочном бурении в условиях Сибири и Дальнего Востока. Закон РФ «О недрах» от 21.02.1992 № 2395-1 закрепляет требования к рациональному использованию и охране недр при проведении буровых работ [1], а Федеральный закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ устанавливает требования промышленной безопасности к опасным производственным объектам, к которым относится большинство буровых установок карьерного и подземного исполнения [2]. Эти правовые рамки формируют границы, в которых развивается техника пневмоударного бурения, и без их учета любое конструктивное решение остается чисто инженерным упражнением, лишенным практической применимости.
Актуальность темы определяется несколькими обстоятельствами. Во-первых, доля крепких пород IX–XVI категорий по буримости на отечественных карьерах растет по мере истощения верхних горизонтов месторождений, а шарошечное бурение на таких породах демонстрирует снижение механической скорости проходки и резкий рост расхода долот. Во-вторых, пневмоударное бурение позволяет совмещать вращательное движение инструмента с высокочастотным удароциклическим воздействием, что принципиально меняет характер разрушения забоя — об этом подробно пишут Д.А. Юнгмейстер с соавторами, рассматривая модернизацию станков шарошечного бурения с погружным пневмоударником [8]. В-третьих, энергетическая эффективность самого пневмоударника как узла бурового станка остается предметом дискуссии: П.Н. Тамбовцев и Е.П. Русин указывают на значительные резервы снижения расхода сжатого воздуха за счет изменения схемы воздухораспределения [7], а это напрямую сказывается на эксплуатационных затратах буровых организаций.
Цель данной работы — рассмотреть конструктивные, технологические и эксплуатационные особенности станков для бурения скважин погружными пневмоударниками, определить принципы их работы и выявить направления совершенствования данного оборудования на отечественных горных предприятиях.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
- раскрыть физические принципы реализации ударно-вращательного способа бурения;
- охарактеризовать конструктивное устройство современных буровых станков с погружными пневмоударниками;
- систематизировать оборудование по типам привода и условиям эксплуатации;
- проанализировать технические характеристики и параметры отечественных буровых установок;
- рассмотреть технологию очистки забоя скважины и организацию системы подачи сжатого воздуха;
- выявить методы повышения производительности бурения и ресурса бурового инструмента.
Объектом рассмотрения выступают буровые станки с погружными пневмоударниками, применяемые на открытых горных работах и в геологоразведочном бурении. Предметом — конструктивные решения, технологические схемы и параметры эксплуатации данного оборудования.
Методологическая база работы строится на анализе учебной и научной литературы по буровой технике — трудов В.Д. Буткина и И.И. Демченко [3], В.И. Зварыгина [4], А.Г. Калинина с соавторами [5], а также актуальных публикаций последних лет, посвященных экспериментальным исследованиям пневмоударников [11], обоснованию их конструктивных параметров [9, 10] и анализу вариантов модернизации серийных станков [8]. Отдельное внимание уделено материалам о механике сколообразования при ударно-поворотном воздействии долота на горную породу, представленным в работе А.А. Гринько с соавторами [6]. Сведения о серийно выпускаемом оборудовании приведены со ссылкой на производителя — АО «ИЗ-КАРТЭКС» [12].
Структура работы определена логикой перехода от теоретических основ разрушения породы к конструктивным и эксплуатационным аспектам оборудования: шесть параграфов основной части последовательно раскрывают физику процесса, устройство станков, их классификацию, технические параметры, вопросы очистки забоя и, наконец, направления повышения эффективности бурения. Такая последовательность позволяет не просто описать технику, а показать, почему она устроена именно так, а не иначе.
- Принципы реализации ударно-вращательного способа бурения
Разрушение горной породы при пневмоударном бурении происходит за счет совмещения двух механических воздействий: периодического удара по торцу долота и его медленного вращения в промежутках между ударами. Сам термин «ударно-вращательное бурение» фиксирует именно это сочетание, а не простую сумму двух видов нагрузки — механизм разрушения здесь принципиально иной, чем при чисто вращательном или чисто ударном способе [4, с. 118]. При каждом ударе энергия бойка передается через хвостовик долота на его рабочую поверхность, формируя в контактной зоне зону смятия и последующего скола; поворот долота на небольшой угол после удара обеспечивает перекрытие зон разрушения по всей площади забоя.
Остается разобраться, почему именно комбинация удара и поворота дает заметный прирост эффективности по сравнению с непрерывным вращательным резанием. Ответ лежит в особенностях напряженно-деформированного состояния породы при динамическом нагружении: крепкие породы плохо сопротивляются ударным нагрузкам, поскольку скорость распространения трещин при импульсном воздействии превышает скорость релаксации напряжений в материале. А.А. Гринько, Н.И. Сысоев и Д.А. Гринько в своем исследовании процесса сколообразования при ударно-поворотном воздействии долота показывают, что энергия единичного удара расходуется не только на образование лунки скола непосредственно под штырем или лезвием долота, но и на формирование магистральных трещин, которые соединяются между соседними точками контакта и приводят к отслоению более крупных объемов породы [6, с. 104]. Именно эта способность единичного удара «работать» за пределами точки контакта
…
