Проект Буровой инструмент для бурения скважин квадратного сечения – «Буровой инструмент Богомолова»

Проект Буровой инструмент для бурения скважин квадратного сечения – «Буровой инструмент Богомолова»

Об эффективности применения скважин с некруглым поперечным сечением при вскрышных работах на карьерах

В горной промышленности при подготовке горных пород к выемке широкое применение получили буровзрывные работы. Для того чтобы взорвать горный массив нужно забурить скважины под заряды. В настоящее время практически все взрывные скважины на карьерах бурят с цилиндрической формой. Однако если скважина имеет, например, квадратное или треугольное поперечное сечение площадь ее боковой поверхности, отнесенной к объему взрывчатого вещества, по сравнению с круглым, соответственно на 12% и 27% больше. Кроме того, углы, образованные сопряжением стенок скважины, являются концентраторами растягивающих напряжений, а значит можно получать прогнозируемые количество и направление распространения первоначальных магистральных трещин, в которые устремляются газы при взрыве, оказывая поршневое воздействие.

Результаты испытаний подтверждают то, что изменение формы скважины приводит к изменению качественного состава взорванной массы. При взрывании песчано-цементных блоков установлено, что при переходе с круглой формы скважины на прямоугольную и плоскую уменьшается выход как мелких, так и негабаритных фракций.

Для изучения процесса забуривания на кафедре «Горные машины и комплексы» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» изготовлен опытный образец двухшарошечного долота с одноконусными шарошками (рис. 1). Произведено забуривание (рис. 2) песчано-цементных блоков с соотношением объема песка к цементу 4:1.

Предлагаемый буровой инструмент для получения взрывных скважин с некруглым поперечным сечением по сравнению с аналогами имеет существенные отличия и позволяет:

1. производить бурение скважин с некруглым поперечным сечением с вращением инструмента без внесения изменений в широко применяемую на карьерах технологию бурения;

2. использовать серийные буровые станки шарошечного бурения;

3. производить бурение в широком спектре пород по крепости.

image

Рисунок 1. Опытный образец шарошечного долота для бурения скважины с квадратным поперечным сечением.

image

Рисунок 2. Вид первоначально забуренной скважины.

Использование предлагаемого бурового инструмента позволит использовать эффект взрывания скважин с некруглым поперечным сечением, который, как показали предварительные испытания, приведет к значительному снижению удельного расхода взрывчатых веществ и уменьшению объемов бурения.

Предпосылки по созданию и использованию инструмента для получения взрывных скважин на открытых горных работах

Буровзрывные работы являются неотъемлемым и одним из основных процессов при добыче полезных ископаемых открытым способом. На сегодняшний день разработано множество способов по повышению эффективности дробления горных пород взрывом и ведутся исследования по их совершенствованию. Основная цель исследований направлена на уменьшение удельного расхода взрывчатых веществ, достижение которой, кроме снижения затрат на взрывчатые вещества, приводит к уменьшению затрат на бурение, экологического загрязнения, сейсмического воздействия на окружающий массив.

Большая часть энергии расходуется на переизмельчение породы вблизи взрывной скважины, так как на стенку скважины в короткий промежуток времени передается огромного ее количество. Для увеличения эффективности использования взрывчатого вещества можно не только увеличивать время его действия, но и увеличивать площадь соприкосновения взрывных газов с горной породой в начальный момент взрыва. Однако увеличение диаметра скважины приведет к увеличению площади поперечного сечения скважины и, соответственно к неоправданному увеличению затрат на бурение. Но если скважина имеет, например, квадратное или треугольное (в виде равностороннего треугольника) поперечное сечение, площадь боковой поверхности скважины, отнесенной к объему взрывчатого вещества, по сравнению с круглым, соответственно на 12% и 27% больше. Кроме этого, углы, образованные сопряжением стенок скважины, являются концентраторами растягивающих напряжений, а значит можно получать прогнозируемые количество и направление распространения первоначальных магистральных трещин, в которые устремляются газы при взрыве, оказывая поршневое воздействие.

На сегодняшний день существует широкий спектр конструкций и типоразмеров долот для механического бурения взрывных скважин и освоена практика использования скважин с круглым поперечным сечением. Это обусловлено требованием простоты и надежности конструкции и необходимостью вращения бурового инструмента для передачи механической энергии породоразрушающим элементам. Одним из исключений является способ бесповоротного ударного бурения, с помощью которого возможно получать скважины, имеющие поперечное сечение, соответствующее форме инструмента. Но отсутствие вращения инструмента затрудняет очистку призабойного пространства от буровой мелочи, так как породоразрушающие элементы должны располагаться по всему сечению скважины.

Для получения наилучших показателей при бурении необходимо использовать долота с параметрами, соответствующими горно-геологическим условиям работы и физико-механическим свойствам буримых пород. Поэтому для практической реализации использования скважин с улучшенной некруглой формой поперечного сечения требуется, чтобы новое долото не уступало по техническим показателям известным в мировой практике долотам.

Известно, что для бурения средне- и мелкозернистых песчаников, конгломератов, крепких известняков, крепость которых по шкале Протодъяконова М. М. составляет от 6 до 18, рациональным является преобладание дробящего действия на забой скважины. Обоснованными для данных условий являются режуще-шарошечные долота (для пород средней крепости с прослойками пород крепостью до 9) и шарошечные долота (для пород крепостью от 6 до 18), наиболее распространенными на практике – шарошечные долота, которыми бурят до 80% скважин на карьерах. Чем выше крепость породы, тем больше должно преобладать дробящее действие и меньше режущее действие. В породах перемежающихся по крепости эффективными, согласно научным исследованиям и промышленным испытаниям, являются комбинированные режуще-шарошечные долота.

Предлагаемым в данной работе вариантом является использование долото вращательного действия с конусными шарошками, которые формируют скважину с некруглым поперечным сечением. Из-за разной длины образующих конуса шарошек (рис. 1), происходит образование разного диаметра скважины с выраженными углами.

image

Рисунок 1. Шарошечное долото для бурения скважины с квадратным поперечным сечением.

В предложенной конструкции трехшарошечного долота для бурения скважин с некруглым поперечным сечением могут быть использованы особенности шарошечных долот типа К, ТК и частично Т. Квадратная форма сечения скважины обуславливается лишь измененной геометрической формой калибрующей части шарошек, которые могут иметь все известные типы вооружения (зубчатое, штыревое и зубчато-штыревое), а значит охватывают по применимости почти весь спектр пород по крепости для данных типов долот – с коэффициентом крепости от 6 до 18 по шкале Протодъяконова М. М..

Известно, что в процессе работы шарошечного долота на забое образуется рейка, формируемая наружным венцом шарошки с наибольшим шагом зубьев. Зубчатая рейка на забое играет положительную роль для обеспечения формирования скважины с некруглым поперечным сечением, так как шарошки должны перекатываться без скольжения и синхронно. Для этого шарошки должны иметь совершенный конус (когда вершины поверхности конуса шарошек лежат в центре скважины). Для уменьшения отрицательного воздействия зубчатой рейки на процесс разрушения возможно использование конструктивных решений для частичного разрушения выступов рейки.

Буровые шарошки с совершенным конусом в настоящее время не применяются, так как требуется применить подшипниковую опору как можно большего размера для увеличения ее долговечности. Известно, что контактные напряжения в опорах качения составляют до 4000-5000 МПа, а в опорах скольжения 30-40 МПа. Поэтому вопрос достижения приемлемой долговечности опор в данной конструкции связан с применением современных технологий и разработкой подшипников с увеличенной площадью скольжения для компенсации недостаточности теплоотвода от трущихся деталей подшипников.

Разгрузить опоры шарошек можно, если для них отвести только роль формирования некруглого контура поперечного сечения скважины, например в конструкции режуще-шарошечного долота. В режуще-шарошечных долотах может быть принята раздельная схема обработки забоя. Периферийная часть обрабатывается шарошками, а центральная – режущим органом. Обосновывается это тем, что зубья шарошек, расположенные на венцах, приближенных к вершине, наименее эффективно разрушают породу вследствие низких окружных скоростей и, соответственно, минимальной энергии удара зубьев по породе. В то же время резцы, находящиеся на максимальном радиусе, имеют наибольший путь трения, что приводит к увеличению интенсивности их износа. В такой конструкции опережающая часть скважины бурится режущим органом, а шарошки расширяют ее до нужного диаметра.

При бурении скважины комбинированным долотом значительную долю работы по разрушению забоя выполняет режущий орган, заменяемый новым по мере его износа. Часть скважины проходится при совместной обработке забоя режущим и шарошечным органами с распределением участия в разрушении забоя между рабочими органами долота в зависимости от условий бурения, что повышает работоспособность породоразрушающих органов. Кроме того, за счет совместного воздействия резцов и шарошек бурение осуществляется при усилиях подачи значительно меньших, чем те, которые требуется создавать на шарошечном долоте. Все это позволяет разгрузить шарошки комбинированного долота и повысить его работоспособность.

В предложенной конструкции режуще-шарошечного долота для бурения скважин с квадратным поперечным сечением могут быть использованы названные выше преимущества таких долот. Периферийную часть забоя разрушают шарошки, задача которых сводится к формированию некруглого профиля, а центральную часть забоя разрушают резцы, имея меньший износ. По мере износа резцы могут заменяться как наиболее дешевая часть инструмента. Таким образом, такой буровой инструмент не уступает по техническим показателям ранее разработанным и исследованным режуще-шарошечным долотам. Такие долота являются альтернативой для шарошечных долот типа СТ и С и могут бурить породы со средней крепостью около 6 по шкале Протодъяконова М. М. с пропластками твердых пород.

На карьерах при ведении буровзрывных работ не использован резерв повышения эффективности действия взрыва при помощи изменения формы сечения скважины. Следует констатировать, что в основном это связано с отсутствием созданного на сегодняшний бурового инструмента, который может конкурировать с долотами для бурения скважин с некруглым поперечным сечением. Требуются исследования и промышленные испытания по бурению скважин с некруглым поперечным сечением с использованием шарошек и взрыванию таких скважин. Предложенные в работе конструкции имеют следующие преимущества:

— могут основываться на современных и прогрессивных технологиях долотостроения;

— охватывают большую часть спектра буримых пород по крепости на карьерах;

— используют вращательный способ бурения, а значит ими могут быть оснащены наиболее распространенные отечественные и зарубежные шарошечные станки для бурения с продувкой;

— позволят улучшить технико-экономических показателей работы буровых станков не только за счет совершенствования их конструкции и конструкции долот, но и за счет уменьшения объемов бурения.

Буровой инструмент для бурения скважин с концентраторами напряжений

Доминирующий способ разрушения горных пород на открытых горных работах – взрывное разрушение, имеет КПД взрыва, не превышающий нескольких процентов. Являясь практически единственным средством разрушения больших объемов горных пород, взрывные работы в себестоимости добычи полезных ископаемых занимают до 30 %. Если учесть, что КПД взрыва на дробление не превышает несколько процентов, то становится очевидной необходимость дальнейшего совершенствования применяемых технологий взрывных работ с учётом развития науки и техники взрывного дела

Известно, что форма заряда имеет принципиальное значение с точки зрения воздействия заряда на среду и конечных его результатов. На открытых горных работах известны практические исследования действия сосредоточенных (со сферической симметрией) и плоских (с некруглым поперечным сечением) зарядов. При взрывании песчано-цементных блоков установлено, что при переходе с круглой формы скважины на прямоугольную и плоскую уменьшается выход как мелких, так и негабаритных фракций. Известны промышленные испытания щелевидных (плоских) скважин, которые выполняются путем расширения цилиндрических скважин горелками-расширителями без вращения термобура, бурением параллельно-сопряженных или параллельно-сближенных скважин. При этом изменения формы заряда позволили увеличить выход горной массы на 25 % при снижении на 25 % удельного расхода ВВ. Уменьшение среднего размера куска продуктов разрушения при взрывании скважин квадратной и треугольной формы наблюдается на блоках из парафина, красного и огнеупорного кирпича.

Результаты испытаний подтверждают то, что изменение формы скважины приводит к изменению качественного состава взорванной массы. Можно утверждать, что в скважинах с многоугольной формой поперечного сечения это связано с зарождением трещин преимущественно в сопряжении углов стенок скважины.

Поэтому задачей исследований является разработка и обоснование применения бурового инструмента, при котором достигается уменьшение удельного расхода ВВ с целью энергосбережения и уменьшения экологического загрязнения окружающей среды.

Для практической реализации использования скважин с улучшенной некруглой формой поперечного сечения требуется, чтобы новое долото не уступало по техническим показателям известным в мировой практике долотам. Анализ патентной информации показал, что для бурения скважин с концентратором напряжений необходимо создание нового класса буровых машин, а способы бурения не могут эффективно применятся в условиях открытых горных работ.

Для бурения средне- и мелкозернистых песчаников, конгломератов, крепких известняков, крепость которых по шкале Протодъяконова М. М. составляет от 6 до 18, рациональным является преобладание дробящего действия на забой скважины. Наиболее обоснованными для данных условий являются режуще-шарошечные долота (для пород средней крепости с прослойками пород крепостью до 9) и шарошечные долота (для пород крепостью от 6 до 18). Поэтому рациональным путем является использование существующих конструкций буровых станков шарошечного бурения и совмещение процесса бурения и формирования концентратора напряжений. Это можно реализовать путем бурения скважины прямоугольной, треугольной формы. Геометрический и кинематический анализ показал, что можно использовать шарошки для бурения скважин прямоугольной и треугольной формы.

Произведено забуривание блоков с соотношением объема песка к цементу 4:1, которое показало что шарошки могут вращаться синхронно (рис. 1).

image

Рисунок 1. Вид скважины.

Зубчатая рейка на забое играет положительную роль для обеспечения формирования скважины, так как шарошки должны перекатываться без скольжения и синхронно. Для этого шарошки имеют совершенный конус (вершины поверхности конуса шарошек лежат в центре скважины). Шарошки с профилем, близким к совершенному конусу, используют на более крепких породах, т. к. происходит минимальное проскальзывание их вооружения по забою с преобладанием дробящего действия.

Поэтому в конструкции трехшарошечного долота для бурения скважин с некруглым поперечным сечением могут быть использованы особенности долот типа К, ТК и частично Т. Некруглая форма сечения скважины обуславливается лишь измененной геометрической формой калибрующей части шарошек, которые могут иметь все типы вооружения (зубчатое, штыревое и зубчато-штыревое), а значит охватывают по применимости почти весь спектр пород по крепости для данных типов долот. Благодаря синхронности движения шарошек уменьшается проскальзывание и износ вооружения, особенно при бурении крепких и абразивных пород. В таких долотах на заводе-изготовителе могут быть применены все известные достижения в области производства шарошечных долот (маслонаполненные опоры, подшипники скольжения, современные материалы).

Эффективность режуще-шарошечного долота объясняется следующим. В режуще-шарошечных долотах может быть принята раздельная схема обработки забоя. Периферийная часть обрабатывается шарошками, а центральная – режущим органом. Обосновывается это тем, что зубья шарошек, расположенные на венцах, приближенных к вершине, наименее эффективно разрушают породу вследствие низких окружных скоростей и, соответственно, минимальной энергии удара зубьев по породе. В то же время резцы, находящиеся на максимальном радиусе, имеют наибольший путь трения, что приводит к увеличению интенсивности их износа. В такой конструкции опережающая часть скважины бурится режущим органом, а шарошки расширяют ее до нужного диаметра. В конструкции режуще-шарошечного долота для бурения скважин с некруглым поперечным сечением использованы выше преимущества таких долот. Периферийную часть забоя разрушают шарошки, задача которых сводится к формированию некруглого профиля, а центральную часть забоя разрушают резцы, имея меньший износ. По мере износа резцы могут заменяться как наиболее дешевая часть инструмента. Таким образом, такой буровой инструмент не уступает по техническим показателям ранее разработанным и исследованным режуще-шарошечным долотам. Такие долота являются альтернативой для шарошечных долот типа СТ и С.

Внедрение такого бурового инструмента позволит использовать эффект взрывания скважин с некруглым поперечным сечением, который, как было выше указано, в ряде случаев может проявляться в 25 % снижении удельного расхода ВВ. При этом также снижаются объемы бурения. На разрезе Березовский норма в смену составляет 400 метров участка или 134 скважины глубиной в среднем 12 м. Например, если достигается снижение удельного расхода ВВ на 12,5 % при использовании скважин с квадратным поперечным сечением, в равных условиях таких скважин понадобится на 12,5 % меньше и составит 117 шт. Замена инструмента производится при прохождении 3000 м бурения.

В этом случае, согласно экономическим расчетам, даже с учетом удорожания бурового инструмента на 20 % и снижении производительности бурового станка на 10 %, экономия на ВВ может составлять 17,4 млн.руб. в год.

Таким образом, затраты на ведение буровзрывных работ при использовании скважин с квадратным поперечным сечением меньше, чем при использовании скважин с круглым поперечным сечением. Применение предлагаемой конструкции инструмента может улучшить условия подготовки буровзрывных работ и привести к экономии отчисляемых для этого средств.

О применении и разработке инструмента для получения скважин с некруглым поперечным сечением

По действующим разрезам Кузбасса средний коэффициент вскрыши 5,8 м3/т, это значит, что для добычи 1 т угля необходимо удалить в отвал почти 6 м3 вскрышной породы, большую часть из которой необходимо подвергать дроблению перед погрузкой экскаваторами. Доминирующий способ разрушения вскрышных пород – буровзрывные работы. Удельное пылеобразование при взрывах изменяется от 0,04 до 0,154 кг пыли на 1 кг взорванного взрывчатого вещества, выделяются также значительные объемы ядовитых газов – в основном окись углерода и окислы азота. Поэтому актуальным является снижение удельного расхода взрывчатых веществ не только в целях его экономии. При снижении удельного расхода взрывчатых веществ также происходит уменьшение количества взрывных скважин, а значит происходит уменьшение объемов бурения и увеличение производительности бурового станка по обуренной массе, а требования по увеличению скорости бурения становятся не столь критичными.

Для уменьшения удельного расхода взрывчатых веществ и повышения качества дробления горной породы в той или иной степени успешно применяется множество способов, задача которых заключается в передаче энергии взрыва как можно большему объему породы. Но большая часть энергии расходуется на переизмельчение породы вблизи взрывной скважины, так как на стенку скважины в короткий промежуток времени передается огромного ее количество. Поэтому является целесообразным увеличение площади соприкосновения газов, образующихся при взрыве, с породой в начальный момент взрыва.

В настоящее время практически все взрывные скважины на карьерах бурят с цилиндрической формой. Однако если скважина имеет, например квадратное или треугольное (в виде равностороннего треугольника) поперечное сечение площадь боковой поверхности скважины, отнесенной к объему взрывчатого вещества, по сравнению с круглым, соответственно на 12% и 27% больше. Кроме этого, углы, образованные сопряжением стенок скважины, являются концентраторами растягивающих напряжений, а значит можно получать прогнозируемые количество и направление распространения первоначальных магистральных трещин, в которые устремляются газы при взрыве, оказывая поршневое воздействие.

При взрывании песчано-цементных блоков установлено, что при переходе с круглой формы скважины на прямоугольную и плоскую уменьшается выход как мелких, так и негабаритных фракций. Известны промышленные испытания щелевидных (плоских) скважин, которые выполняются путем расширения цилиндрических скважин горелками-расширителями без вращения термобура. При этом изменения формы заряда позволили увеличить выход горной массы на 25 % при снижении на 25 % удельного расхода взрывчатых веществ. Уменьшение среднего размера куска продуктов разрушения при взрывании скважин квадратной и треугольной формы наблюдается на блоках из парафина, красного и огнеупорного кирпича.

Результаты испытаний подтверждают то, что изменение формы скважины приводит к изменению качественного состава взорванной массы. Поэтому актуальной задачей является разработка бурового инструмента, при использовании которого достигается уменьшение удельного расхода взрывчатых веществ с целью ресурсосбережения и уменьшения экологического загрязнения окружающей среды.

Анализ патентной информации показал, что для бурения скважин с измененной формой поперечного сечения необходимо создание нового класса буровых машин и инструмента. Но рациональным путем является использование существующих конструкций буровых станков шарошечного бурения и совмещение процесса бурения и формообразования скважины. Это можно реализовать путем бурения скважины прямоугольной, треугольной формы, сопряжение стенок которых образует концентратор напряжений. Геометрический и кинематический анализ показал, что для достижения указанной цели можно использовать шарошечное долото, как наиболее распространенный инструмент для бурения взрывных скважин на открытых горных работах.

Для изучения процесса забуривания изготовлен опытный образец двухшарошечного долота с одноконусными шарошками (рис. 2). Произведено забуривание (рис. 1) блоков с соотношением объема песка к цементу 4:1.

Формирование заданного поперечного сечения скважины происходит благодаря синхронному вращению шарошек и постоянному передаточному отношению долота, это достигнуто в конструкции шарошек с совершенным конусом. Шарошки с профилем, близким к совершенному конусу, используют на более крепких породах, т. к. происходит минимальное проскальзывание их вооружения по забою с преобладанием дробящего действия. Однако шарошки с совершенным конусом не применяются на практике из-за низкой долговечности их опор. Поэтому предлагается использование таких шарошек в режуще-шарошечном инструменте и использование подшипников скольжения в опорах шарошек.

Предлагаемый буровой инструмент для получения взрывных скважин с некруглым поперечным сечением по сравнению с аналогами имеет существенные отличия и позволяет:

1. Производить бурение скважин с некруглым поперечным сечением с вращением инструмента без внесения изменений в широко применяемую на карьерах технологию бурения;

2. Использовать серийные буровые станки шарошечного бурения (порядка 80% скважин на карьерах бурят с помощью станков шарошечного бурения);

3. Производить бурение в широком спектре пород по крепости, что позволит заменить до 50% типажей шарошечных долот для бурения взрывных скважин на карьерах с круглым поперечным сечением.

image

Рисунок 1. Опытный образец шарошечного долота для бурения скважины с квадратным поперечным сечением

image

Рисунок 2 Вид первоначально забуренной скважины

Использование предлагаемого бурового инструмента для бурения скважин с некруглым поперечным сечением позволит использовать эффект взрывания скважин с некруглым поперечным сечением, который, как было выше указано, в ряде случаев может проявляться в 25 % снижении удельного расхода взрывчатых веществ. При этом также могут быть снижены объемы бурения.

Применение ресурсосберегающего бурового инструмента для получения скважин с некруглым поперечным сечением

На открытых горных работах основной способ подготовки горных пород к выемке – буровзрывные работы. Актуальным является снижение удельного расхода ВВ и увеличение производительности буровых станков по обуренной массе. В настоящее время практически все взрывные скважины на карьерах бурят с цилиндрической формой. Мы предлагаем изменить форму скважины – бурить с квадратным поперечным сечением.

Почему для этих целей предложено использование квадратных скважин?

Скважины с некруглым поперечным сечением должны уменьшить удельный расход ВВ. Это может выразиться в повышении производительности бурового станка по обуренной горной массе и снижении удельного расхода ВВ. Существуют и используются множество способов по совершенствованию буровзрывных работ, путем внесения изменений в технологические операции БВР. На практике еще не использован путь, при котором используются концентраторы напряжений на стенке скважины. Мы предлагаем использовать этот путь. Для того чтобы уменьшить выход негабаритных кусков породы. Результаты испытаний подтверждают то, что изменение формы скважины приводит к изменению качественного состава взорванной массы. Из графика распределения фракций видно, что большее количество кусков среднего размера при квадратной форме по сравнению с треугольными и круглыми скважинами. Поэтому разработан специальный инструмент для бурения скважин с квадратным поперечным сечением с использованием шарошек.

В конструкцию инструмента заложены следующие принципы:

1. Совмещение бурения и концентратороообразования – это позволяет не изменять технологию бурения;

2. Использование серийных шарошечных буровых станков.

На ряду с научными экспериментальными данными был изготовлен опытный образец двухшарошечного долота с одноконусными шарошками. Геометрические параметры долота соответствуют скважине с прямоугольным поперечным сечением со скругленными углами и диагональю 160 мм при передаточном отношении долота, равным двум. С помощью данного инструмента забурены следующие скважины, одна из них представлена на рис 1.

image

Рисунок 1. Вид первоначально забуренной скважины.

Из рисунка видно, что забуренная скважина имеет форму квадрата со скруглёнными углами. Наряду с опытным образцом проработаны чертежи режуще-шарошечного долота для бурения скважин с некруглым поперечным сечением.

image

Рисунок 2. Режуще-шарошечное долото.

Две шарошки 1 установлены на лапах, приваренных к корпусу долота. Шарошки имеют форму калибрующей кромки, как показано на рисунке и формируют квадратное поперечное сечение скважины. Режущий орган с резцами 2, опирающийся на пружину 3, может перемещаться в осевом направлении. Сжатие пружины регулируется гайкой 4. Режущие кромки по высоте расположены так, что повторяют профиль шарошек и производят разрушение забоя по окружности, вписанной в квадратное сечение скважины, образуемое шарошками.

Исследованы напряжения сжатия, возникающие при статическом нагружении стенок цилиндрических скважин и скважин с некруглым поперечным сечением с помощью программы «Тефлекс- анализ». В первом случае рассматривались круглые скважины диаметром 200 мм сеткой 5х6 м. Во втором случае рассматривались квадратные скважины размером 190 мм и сеткой 5,5х6 м. Можно сделать вывод, что при большей сетке и меньшем размере скважины зона большего разрушения при использовании скважин с квадратным поперечным сечением

Произведен ориентировочный экономический расчет по эффективности использования таких скважин и бурового инструмента (Рис. 3). Количественно снижение удельного расхода ВВ может быть достигнуто за счет увеличения сетки скважин, это приведет также к уменьшению объемов бурения. Тогда, исходя из условий показателей БВР разреза Березовский, снижение удельного расхода ВВ может быть снижено на 12,5% со снижением объемов бурения также на 12,5 %. По этим данным произведён расчёт экономической эффективности БВР. Из графика видно что затраты на ведение буровзрывных работ при использовании скважин с квадратным поперечным сечением меньше, чем при использовании скважин с круглым поперечным сечением.

image

Рисунок 3. Сводные затраты на различные варианты БВР.

Выводы

1. Предложен буровой инструмент для бурения скважин с квадратным поперечным сечением, который можно использовать в породах с крепостью 7-11. использование скважин с некруглым поперечным сечением влияет на эффективность БВР на открытых горных работах. Это может выразиться в повышении производительности бурового станка по обуренной горной массе и снижении удельного расхода ВВ.

2. Требуется изготовление опытных экземпляров долота для проведения испытаний по бурению и взрыванию.

3. Требуется более детальное исследование процесса взрывания квадратных скважин для оптимизации параметров БВР и более точного определения ожидаемого экономического эффекта.

4. Требуется вложение инвестиций в данный проект.

Инвестиционное предложение

 Бизнес-план по созданию бурового инструмента для получения взрывных скважин квадратного поперечного сечения Богомолова

Предметная область проекта:

  • Отрасль – машиностроение;
  • Специализация — производство буровых долот для карьерных станков вращательного бурения.
  • Конечный потребитель готового продукта – горнодобывающие предприятия угольной промышленности, ведущие добычу полезных ископаемых открытым способом.

Проблема:

Проект способен разрешить следующие проблемы в двух отраслях промышленности:

I. Горнодобывающая промышленность:

  • Высокие издержки при проведении буровзрывных работ при добыче угля открытым способом, в частности расходы на взрывчатое вещество.

II. Машиностроительная отрасль:

  • Нет возможности предложить инновационный инструмент, который позволяет сократить затраты на буровзрывные работы.

Техническое решение и продукт:

«Буровой инструмент Богомолова» — это разновидность бурового инструмента, предназначенного для карьерных станков вращательного бурения для получения взрывных скважин квадратного поперечного сечения.

Номенклатура продукции:

  • Режуще-шарошечные долота для крепости пород 6-9 по шкале Протодъяконова М. М.
  • Трехшарошечные долота для крепости пород 9-16 по шкале Протодъяконова М. М.
  • Двухшарошечные расширители для крепости пород 9-16 по шкале Протодъяконова М. М.

Техническая эффективность «Бурового инструмента Богомолова»:

  • Увеличение объема взорванной горной массы на 10%;
  • Увеличение выхода горной массы с одного метра скважины на 10%;
  • Увеличение размера сетки скважин на 10%;
  • Уменьшение расхода взрывчатых веществ при буровзрывных работах на 10%;
  • Уменьшение объемов бурения на 10%.

Экономическая эффективность «Бурового инструмента Богомолова»:

  • Уменьшение ежемесячных затрат на взрывчатое вещество на 10%;
  • Уменьшение затрат на буровзрывные работы на 7%;
  • Годовой экономический эффект при эксплуатации одного бурового станка составляет 9,2 млн.руб.

Защита интеллектуальной собственности:

Зарегистрировано 8 объектов интеллектуальной собственности. При дальнейшей реализации проекта на все технические разработки будут оформлены патенты на полезные модели и изобретения.

Маркетинг проекта:

Проведены исследования на основании которых были выявлены следующие закономерности рынка добычи полезных ископаемых открытым способом:

  • 55% угля в мире добывается открытым способом;
  • 7864,7 млн.т. угля было добыто в мире в 2012 году;
  • 4325,6 млн.т. угля было добыто в мире открытым способом в 2012 году;
  • 251,8 млн.т. угля было добыто открытым способом на территории РФ в 2014 году;
  • 60 тысяч долот изготавливается на территории РФ в основном для внутреннего рынка;
  • 32 тыс.руб. средняя стоимость серийного долота (типоразмер 215,9 мм);
  • 64 тыс.руб. средняя стоимость «Бурового инструмента Богомолова»;
  • 1,92 млрд.руб. ориентировочный объем рынка серийного бурового инструмента на территории РФ;
  • 33 млрд.руб. ориентировочный объем мирового рынка серийного бурового инструмента.

Изменений в объемах добычи угля по прогнозам не предвидится. Следовательно, уровень сбыта бурового инструмента останется на текущем уровне.

План реализации:

Реализация проекта разбита на следующие этапы:

Этап №1 – завершен:

  1. Теоретическое и лабораторное обоснование эффективности;
  2. Разработка конструкторской документации инструмента.

Этап №2 – длительность 12 месяцев:

  1. Изготовление опытной партии «Бурового инструмента Богомолова»;
  2. Проведение серии промышленных испытаний;
  3. Доработка конструкции.

Этап №3 – длительность 12 месяцев:

  1. Освоение малосерийного производства бурового инструмента;
  2. Разработка расширенной линейки продукции;
  3. Лицензирование заводов-изготовителей разработанными объектами интеллектуальной собственности.

Этап №4 – длительность 12 месяцев:

  1. Освоение серийного производства «Бурового инструмента Богомолова»;
  2. Лицензирование заводов-изготовителей разработанными объектами интеллектуальной собственности.

Бизнес-модель:

Реализация проекта возможна при создании «Технико-внедренческого инженерного цента».

Среднесписочная численность персонала организации составит 7 сотрудников.

Команда для реализации проекта полностью сформирована.

Монетизация проекта:

1. Инжиниринговые услуги.

  • Силовые расчеты деталей машин и механизмов;
  • Проектирование и разработка горношахтного оборудования;
  • Консалтинг и подбор горношахтного оборудования.

2. Лицензирование заводов-изготовителей разработанными объектами интеллектуальной собственности.

  • Лицензирование по инженерным решениям для «Бурового инструмента Богомолова»;
  • Лицензирование по инженерным решениям для серийного бурового инструмента.

Экономические показатели:

Для реализации проекта необходимы инвестиционные средства в размере 78 384,00 тыс.руб. Распределение инвестиций по этапам реализации проекта приведены в таблице 1.

Таблица 1. Инвестиционный план (тыс.руб.)

image

Доходная часть проекта формируется за счет лицензирования заводов-изготовителей бурового инструмента и инжиниринговых услуг. Планируемый объем поступления денежных средств по годам представлен в таблице 2.

Таблица 2. План продаж.

image

В таблице 3 сведены основные технико-экономические показатели проекта.

Таблица 3. Основные технико-экономические показатели проекта.

image

При формировании финансовой модели ставки по налоговым отчислениям приняты согласно Налогового кодекса Российской Федерации.

Результаты проекта:

С внедрением в промышленное производство «Бурового инструмента Богомолова» будут получены следующие результаты:

  1. Горные предприятия получат инновационный инструмент, который позволит снизить издержки на добычу полезных ископаемых.
  2. Заводы-изготовители получат готовый продукт, который будет пользоваться стабильным спросом.

Буровой инструмент для проведения взрывных работ на карьерах

На открытых горных разработках более 80% объемов горных пород разрабатывается с применением буровзрывных работ (далее — БВР), предопределяющих эффективность всех последующих технологических процессов добычи и переработки полезного ископаемого. На крупных карьерах затраты на БВР достигают 25% — 30% от общих затрат на добычу полезных ископаемых. По мере углубления карьера, требования к буровзрывным работам возрастают. Буровой инструмент для бурения скважин Богомолова способствует снижению этих затрат.

На текущий момент времени стоят актуальные задачи при проведении БВР:

  1. Уменьшение удельного расхода взрывчатого вещества (далее — ВВ).
  2. Обеспечение установленного качества дробления горных пород.
  3. Увеличение производительности бурового оборудования.

Уменьшение расхода ВВ можно достичь несколькими способами, а именно:

  1. Увеличением сетки скважин взрывного поля;
  2. Использованием другого взрывчатого вещества с повышенным значением бризантности.

Оба данных способа ведут к ухудшению качества дробления горных пород, а второй способ ведет к увеличению затрат на ВВ. Поэтому разрабатываются и существуют множество способов в той или иной степени компромиссного решения указанных задач. Группа ученых из Кузбасса нашла одно из таких компромиссных решений, которое заключается в применении взрывных скважин квадратного поперечного сечения [1].

Преимущества применения взрывных скважин квадратного сечения

Были произведены лабораторные испытания по взрыванию трех видов скважин: с треугольным, квадратным и круглым поперечным сечением. В результате оптимальный грансостав взорванного блока наблюдался при использовании скважин с квадратным поперечным сечением. Небольшой выход более крупных фракций, свидетельствует о лучшем дроблении материалов [2].

В дополнении к лабораторным испытаниям было произведено моделирование процесса взрыва в горном массиве путем статического нагружения стенок скважин с квадратным и круглым поперечным сечением. Расчеты были выполнены в программном комплексе «T-flex анализ». В первом случае рассматривалось нагружение круглых скважин диаметром 200 мм со взрывной сеткой 5х6 метров. Во втором случае рассматривался аналогичный процесс с квадратными скважинами размером 190 мм и взрывной сеткой 5,5х6 метров [3].

На основании указанных выше проведенных исследований применение взрывных скважин квадратного сечения может на 10%:

  • Увеличить объем взорванной горной массы;
  • Увеличить выход горной массы с одного метра скважины;
  • Увеличить размеры сетки скважин;
  • Уменьшить расхода взрывчатых веществ при буровзрывных работах;
  • Уменьшить объемы бурения.

Поскольку за счет скважин квадратного поперечного сечения достигаются подобного рода результаты, необходимо было произвести разработку данного инструмента [4]. За прототип было взято серийное шарошечное буровое долото. На основании математического моделирования была разработана уникальная форма шарошки с помощью которой происходит процесс формообразования скважины с квадратным поперечным сечением.

Опытные образцы бурового инструмента Богомолова

Был изготовлен лабораторный опытный образец двухшарошечного долота с одноконусными шарошками (рис. 1).

clip_image002

Рис. 1. Опытный образец шарошечного долота для бурения скважины с квадратным поперечным сечением.

Произведены испытания (рис. 2), доказавшие возможность формирования квадратного поперечного сечения скважины с помощью шарошек с разной длиной образующей конуса.

image

Рис. 2. Забой скважины с квадратным поперечным сечением.

Шарошки, формирующие некруглое поперечное сечение, имеют меньшие размеры в диаметре и работают в более сложных условиях. Для улучшения центрирования долота в процессе бурения и снижения нагрузки на шарошки, которые выполняют формообразование скважины, целесообразно использовать буровой инструмент в виде режуще-шарошечного долота и расширителя (рис. 3) в сочетании с опережающим шарошечным долотом. Разборная конструкция расширителя, благодаря возможности обслуживания и ремонтопригодности, также позволит увеличить ресурс инструмента.

image

Рис. 3. Вариант разборного шарошечного расширителя для образования скважин квадратного поперечного сечения.

Результатом работ стало получение нового вида инструмента, с помощью которого можно получать скважины квадратного поперечного сечения. Данный инструмент назван — «Буровым инструментом Богомолова».

Номенклатура модификаций разработанного инструмента:

  1. Режуще-шарошечные долота для крепости пород 6-9 по шкале Протодъяконова М. М.
  2. Трехшарошечные долота для крепости пород 9-16 по шкале Протодъяконова М. М.
  3. Двухшарошечные расширители для крепости пород 9-16 по шкале Протодъяконова М. М.

Преимуществом конструкции горного инструмента для получения скважин квадратного поперечного сечения является:

  1. Отсутствие в мире аналогов по механическому бурению скважин с некруглым поперечным сечением для условий карьеров;
  2. Область применения охватывает большую часть спектра буримых пород по крепости на карьерах;
  3. Инструментом могут быть оснащены наиболее распространенные отечественные и зарубежные шарошечные станки для бурения с продувкой, так как используется вращательный способ бурения.

Проведенные технико-экономические расчеты с учетом использования данного бурового инструмента свидетельствую о возможности уменьшения ежемесячных затрат на взрывчатое вещество на 10% и достижения годового экономического эффекта при эксплуатации одного бурового станка порядка $138 340,00.

Для промышленного освоения данного вида инструмента необходимы дополнительные инвестиции в размере $1,2 миллиона долларов [5]. Направленные на внедрение в промышленное производство «Бурового инструмента Богомолова» и получения следующих результатов:

  1. Горные предприятия получат инновационный инструмент, который позволит снизить издержки на добычу полезных ископаемых.
  2. Заводы-изготовители получат продукт, который будет пользоваться стабильным спросом.

Литература

1. Богомолов, И. Д. Результаты исследования разрушения массива бурением скважин круг-лой, треугольной и прямоугольной форм / И. Д. Богомолов, А. М. Цехин, М. К. Хуснутдинов // Без-опасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Материалы 4 Междунар. науч.-практ. конф., 21-23 ноября 2000 г. – Кемерово, 2000. – С. 89-90.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработки технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org