Установление скорости шарошечного бурения взрывных скважин и показателя буримости трещиноватых массивов горных пород

Анализ отечественной литературы показал, что скорость шарошечного бурения зависит от многочисленных факторов, которые можно объединить в четыре группы: физико-технические свойства разрушаемой породы, геометрические параметры шарошечного долота, условия взаимодействия долота с породой и режимы бурения [1-16].

Многочисленные теоретические исследования, проводимые для определения скорости бурения, привели к получению сложных формул с многочисленными коэффициентами, многие из которых необходимо определять опытным путем, например [4]. Кроме того, в формулах отсутствуют параметры, характеризующие трещиноватость горного массива, хотя промышленные исследования указывают на это влияние [3,17]. При этом, анализ литературы показал, что приведенные там математические зависимости при шарошечном бурении скважин использовать для определения энергоемкости бурения или показателя буримости массивов горных пород весьма затруднительно. Как показывает опыт работы многих карьеров затраты энергии при бурении, скорость бурения или показатель буримости можно использовать для определения степени взрываемости массивов горных пород. Зная степень взрываемости можно определить эффективные параметры буровзрывных работ для получения качественного дробления массива горных пород.

Целью настоящей статьи является установление скорости шарошечного бурения и показателя буримости трещиноватых массивов горных пород, а также доказательства их достоверности.

Для достижения цели предлагается математическая модель, основанная на законе сохранения энергии.

Механизм разрушения массива при шарошечном бурении. При шарошечном бурении разрушение породы происходит в результате динамического воздействия (микроударов) зубков шарошки с определенной скоростью при наличии дополнительного осевого усилия и крутящего момента.

Согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия (Eк) внедряющихся зубков шарошки с учетом осевого усилия и крутящего момента (М) расходуется на упруго-пластические деформации и разрушение горного массива (Еуп)

Ек +М = Еуп.

(1)

Используя основные закономерности механического взаимодействия зубков шарошечного долота с трещиноватой горной породой, получена зависимость скорости бурения по формуле

(2)

где \(_{P_{oc}}\) – осевое усилие; n – частота вращения бурового става; dд – диаметр долота; Nз – число зубков шарошечного долота одновременно внедряющихся в забой; dз– диаметр зубка; σр – предел прочности горной породы на разрыв; \(\nu \) – коэффициент Пуассона; Е – модуль упругости породы;
Ф – показатель трещиноватости горного массива; de – размер естественной
отдельности; \(^{\pi = 3,14}\).

Физико-механические свойства горных пород обладают высокой вариацией и их довольно сложно определить в производственных условиях. Поэтому в [18] были проведены исследования и установлена связь физико- механических свойств с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову. Численный анализ измененной с учетом коэффициента крепости формулы (2) и сравнение с данными практики по скорости шарошечного бурения позволили установить ее в виде

(3)

Анализ формулы (2) и (3) показывает, что с увеличением частоты вращения бурового става (n), осевого усилия (Рос), числа одновременно внедряющихся зубков (Nз) диаметра зубка (dз) и крутящего момента (М) скорость бурения увеличивается. С увеличением прочности (σр) или коэффициента крепости (ƒ) породы, параметров трещиноватости массива и диаметра долота (dд) скорость бурения (\(_{\upsilon _{\delta }}\)) уменьшается. В работах [1-16] подтверждается изменение скорости бурения в соответствии с приведенными формулах (2), (3) параметрами, что говорит о правомерности полученных формул.

Необходимо отметить, что в отличие от исследований [1-16] новизной формулы (3) является учет параметров трещиноватости горного массива (Ф определяется размером отдельности, величиной раскрытия трещин, количеством систем трещин [17]).

Важной задачей в процессах горного производства является определение степени взрываемости горного массива для получения заданного качества дробления. Взрываемость определяется прочностью (коэффициентом крепости) горной породы и параметрами трещиноватости массива. С другой стороны, согласно (3) скорость бурения существенно зависит от крепости и параметров трещиноватости горных массивов, что также на практике подтверждается в [1-3]. Тогда из (3) можно определить показатель трудности бурения в виде

(4)

Оценка достоверности теоретической зависимости по определению скорости бурения. Для эффективного использования показателя буримости (4) в последующем цикле ведения взрывных работ необходимо доказать достоверность формулы (3). Обоснование достоверности (3) проведено в 2 этапа.

На первом этапе использованы данные справочника [19] при бурении скважин в массивах горных пород с различной категорией буримости при увеличении предела прочности на сжатие \(^{\sigma }\)сж от 30 до 300 МПа и f от 2 до 20.

Данные по категории буримости, \(^{\sigma }\)сж’\(^{f}\) и скорости бурения: нормативной (по справочнику) и расчетной, приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Таблица 1 – Скорость бурения скважин в зависимости от прочности и коэффициента крепости горных пород (буровой станок СБШ – 250 МН, dд = 244,5 мм):

Расчеты по формуле для определения \(\upsilon\)б проводились при средних параметрах: Рос = 150 103Н; М = 2.1 103 Н м; dз = 0.009 м; dд= 0.25 м; dе= 0.5 м; Ф = 73; n = 1c-1.

Данные таблицы 1 приведены на рисунке 1. Анализ рисунка 1 и таблицы 1 указывают на совпадение нормативной и расчетной зависимости скорости бурения от коэффициента крепости пород и достоверность полученной зависимости \(\upsilon\)б. Расхождение наблюдается при f = 3, но в этих породах буровые и взрывные работы, как правило, не ведутся.

Второй этап доказательства достоверности полученной формулы (3) расчета скорости бурения \(_{\upsilon _{\delta }}\) от показателя буримости Пб, проводился в производственных условиях путем сравнения скорости бурения \(\upsilon\)б от Пб при замерах режимов бурения и параметров шарошечных долот.

Рисунок 1– Зависимость скорости бурения υб от коэффициента крепости f Синяя (ряд 1) – нормативная, красная (ряд 2) – расчетная

Для этого на карьере «Вернинский» работниками ОАО «ВИОГЕМ» карьерное поле районировали по коэффициенту крепости и трещиноватости. В процессе бурения скважин станками СБШ -250 МН, DM LP, DM HP и DML фиксировались скорость бурения (\(\upsilon\)б), осевое усилие (Рос), частота вращения (n) и крутящий момент (М). Диаметр долота у станка СБШ – 250 МН – 233 мм, а у станков DM LP, DM HP и DML – 215,9 мм. Кроме того, использовались результаты замеров, проведенные работниками карьера «Вернинский» с августа 2018г по март 2019 г. Оценка зависимости технологических параметров бурения от естественных характеристик породного массива осуществлялась по данным бурения 5217 взрывных скважин пробуренным на 31 взрывных блоках. Данные крепости и трещиноватости пород по каждой скважине брались из блочной модели Вернинского золоторудного месторождения, используемой для проектирования массовых взрывов в карьере [9]. Буровые параметры (давление на забой, частота вращения, крутящий момент, давление воздуха и скорость бурения) получены из отчетов буровых журналов системы автоматизированного учета Wenco. Результаты промышленных экспериментальных исследований обрабатывались с помощью программы «MS Excel».

Основные результаты замеров приведены в табл. 2, на основе которой построены экспериментальные зависимости \(\upsilon _{\delta }=f\left ( \Pi _{\delta } \right )\) по каждой скважине с фиксированием средних показателей режимов бурения.

Таблица 2 – Средняя фактическая скорость бурения в зависимости от крепости и блочности трещиноватого массива для буровых станков DM LP и СБШ – 250 МН:

На рисунках 2 и 3 представлены фактические и расчётные скорости бурения скважин на карьере Вернинский станками СБШ – 250 МН, DM LP и DML HP в зависимости от показателя буримости, определяемого из блочной модели Вернинского золоторудного месторождения.

Рисунок 2 – Зависимость скоростей бурения от показателя буримости (Пб) для станка СБШ – 250 МН

Рисунок 3 – Зависимость скоростей бурения от показателя буримости (Пб) для станков DM LP и DML HP

Анализ таблицы 2 и рисунков 2; 3 указывают на достаточную сходимость фактических данных при сравнении их с расчётными по формуле \(\upsilon _{\delta }=f\left ( \Pi _{\delta } \right )\). Корреляционное отношение составило 0,63 и 0,93 для станков СБШ- 250 МН и DM LP/DML HP соответственно.

Таким образом, установлено, что, подставляя в формулу \(_{\Pi {\delta }}\) режимы бурения можно достоверно определить показатель буримости на карьере «Вернинский» в любых по крепости и трещиноватости массивах горных пород. Далее показатель Пб, можно использовать для районирования карьерного поля и корректировки параметров БВР с целью снижения расходов ВВ и получения заданной степени дробления трещиноватого горного массива взрывом.

Выводы:

• На основе закона сохранения энергии получены формулы для определения скорости шарошечного бурения в трещиноватом массиве горных пород и показателя буримости массива.
• Формулы для определения скорости шарошечного бурения и показателя буримости Пб учитывают параметры долота, режимы бурения, а также коэффициент крепости (прочность) горных пород и параметры его трещиноватости.
• Доказана достоверность полученной зависимости скорости бурения путем сравнения с нормативными данными Справочника по открытым работам, а также сравнением расчетной и фактической скорости бурения скважин на карьере «Вернинский» станками СБШ – 250 МН, DM LP и DML HP в зависимости от показателя буримости массивов.

Литература

1. Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород. – М: Недра, 1973. 311с.
2. Мосинец В.Н., Пашков А.Д., Латышев В.А. Разрушение горных пород. – М.: Недра, 1975. 216с.
3. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. – М.: Недра, 1986. 231с.
4. Крюков Г.М. Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании. – М.: Издательство «Горная книга», 2006. –Т.1.330с.
5. Буровзрывные работы на угольных разрезах // Н.Я. Репин, В.П. Богатырев, В.Д. Буткин, А.В. Бирюков и др. Под ред. Н.Я. Репина. М: Недра, 1987. 254с.
6. Miyora T., Jónsson M. Þ., Þórhallsson S. Modelling of Geothermal Drilling Parameters – A Case Study of Well MW-17 in Menengai Kenya // Geothermal: Always On : Geothermal Resources Council Annual Meeting (GRC 2015). – New York : Curran Associates, 2015. Vol. 39. P. 197–208.
7. Nascimento A., Kutas D. T., Elmgerbi A., Thonhauser G., Mathias M. H. Mathematical Modeling Applied to Drilling Engineering: An Application of Bourgoyne and Young ROP Model to a Presalt Case Study // Mathematical Problems in Engineering. 2015. Vol. 2015. ID: 631290.
8. Eremenko V. A., Neguritsa D. L. Efficient and active monitoring of stresses and strains in rock masses // Eurasian Mining. 2016. No. 1. P. 21–24. DOI: 10.17580/em.2016.01.02.
9. Синев С. В. Модели бурения in situ // Территория Нефтегаз. 2016. № 11. С. 41–49.
10. Шигин А. О., Шигина А. А., Бовин К. А. Повышение производительности станков шарошечного бурения при своевременном регулировании режимных параметров // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 8. С. 65–72.
11. Capik M., Yilmaz A. O., Yasar S. Relationships between the drilling rate index and physicomechanical rock properties // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2017. Vol. 76. Iss. 1. P. 253–261.
12. Hoseinie S. H., Ataei M., Aghababaie A. A laboratory study of rock properties affecting the penetration rate of pneumatic top hammer drills // Journal of Mining and Environment. 2014.Vol. 5. No. 1. Р. 25–34.
13. Bai P. Experimental Research on Rock Drillability in the Center of Junggar Basin // The Electronic Journal of Geotechnical Engineering. 2013. Vol. 18. P. 5065–5074.
14. Beshenkov P. S., Polushin N. I., Gkhorbani S., Sorokin E. N. Stress distribution analysis of PDC drill bits by computer modeling // Eurasian Mining. 2017. No. 2. P. 25–28. DOI: 10.17580/em.2017.02.06
15. Каледин О. С. Инновационные технологии строительства сверхглубоких шахтных стволов // Горный журнал. 2014. № 4. С. 77–81.
16. Синев С. В. Механизмы, методы и способы разрушения горных пород в шарошечном бурении // ГИАБ. 2016. № 1. С. 149–159
17. Тюпин В.Н. Взрывные и геомеханические процессы в трещиноватых напряженных горных массивах. – Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2017. 192с.
18. Кутузов Б.Н., Тюпин В.Н. Упрощенный расчет параметров массового взрыва на карьерах // Известия ВУЗов. Горный журнал. – 1985, №7. С.66–67.
19. Справочник. Открытые горные работы / К.Н. Трубецкой, М.Г. Потапов, К.Е. Виницкий, Н.Н. Мельников и др. – М.: Горное бюро, 1994. 590 с.