Основные направления повышения эффективности буровзрывных работ

В одном забое обычно размещаются 2-3 бурильные машины для бурения шпуров, а площадь забоя в расчете на один перфоратор колеблется в пределах 1,25^1,25 м², составляя в среднем 1,75-3,25 м² [17]. При скоростном проведении горных выработок, например, на Миргалимсайском руднике (скорость 1 237,6 м/мес.) на один перфоратор приходилось около 1 м² площади забоя.

В горно-разведочных выработках ограниченной площади поперечного сечения основные производственные процессы проходческого цикла целесообразно выполнять последовательно. В этих условиях трудно добиться уменьшения площади забоя на одну бурильную машину до 1 м², поскольку это связано с увеличением числа проходчиков в забое, что не всегда выгодно и целесообразно. Именно поэтому считается, что при проведении горноразведочных выработок малых сечений площадь забоя на одну бурильную машину должна составлять 1,8-2,8 м² [17].

Основными резервами повышения производительности бурения шпуров являются следующие направления:

• - применение совершенного бурового оборудования и инструмента;
• - уменьшение диаметра и увеличение глубины шпуров;
• - обеспечение оптимального давления сжатого воздуха;
• - правильная организация процесса разметки и бурения шпуров, использование систем автоматизированного управления разметки и бурения шпуров;
• - рациональная организация процесса изготовления и заточки бурового инструмента.

Бурение шпуров может осуществляться ручными пневматическими перфораторами типа ПР-ЗОЛУ устанавливаемых на пневмоподдержках и буровых установках.

Ручные перфораторы на пневмоподдержках целесообразно применять при площади забоя до 5 м², в этом случае в забое может размещаться 1-2, в крайнем случае, 3 перфоратора.

Использование буровых установок позволяет в среднем увеличить производительность труда в 2-4 раза по сравнению с ручными перфораторами. Установки целесообразно применять при площади поперечного сечения выработки свыше 5 м² [17]. При использовании буровых установок полностью механизируется процесс бурения, повышается безопасность труда, а использование воды при бурении улучшает санитарно- гигиенические условия работ. При применении буровой установки обеспечивается более высокая точность бурения шпуров, особенно оконтуривающих, что способствует получению более ровного контура выработки, снижает вероятность её зауживания или неоправданного расширения.

К буровым установкам, которые могут применяться при проходке горноразведочных выработок, можно отнести установку БУЭ-1 или самоходную установку СКБНС-2.

Установка СКБНС снабжена двумя пневматическими бурильными машинами КС-50.

Сравнительный анализ показывает, что использование буровой установки СКБНС позволяет на 15 % увеличить производительность проведения выработки и уменьшить трудоемкость бурения шпуров в 3,4 раза. При этом суммарные затраты стоимости бурения шпуров, отнесенные к 1 м выработки, при использовании буровых установок оказались ниже на 51 %, чем при использовании ручных перфораторов. В то же время оказалось, что применение буровых установок будет экономически обосновано только при значительных объемах работ - не менее 2 300 м горных выработок сечением не менее 5 м² [17].

Существенные возможности повышения производительности бурения шпуров заключаются в правильном выборе буровой стали и инструмента. Основными факторами, определяющими стойкость штанг, являются:

• - химический состав и технология изготовления буровой стали;
• - качество изготовления буровых штанг;
• - режим ковки, термической обработки и упрочнения поверхности штанг;
• - буримость горных пород, способы и приемы производства буровых работ.

Первые два фактора зависят от завода-изготовителя инструмента, остальные - от геологической организации, ведущей горно-проходческие работы. Нужно обратить внимание на то, что правильно подобранный режим термообработки увеличивает прочность и вязкость стали. Как показывают наблюдения, буровые штанги часто выходят из строя из-за преждевременных поломок конусной части и хвостовиков. Причиной этого является некачественная термообработка штанг.

Для армирования бурового инструмента используют в основном спеченные вольфрамокобальтовые твердые сплавы типа ВК, которые имеют большую твердость, сочетающуюся с высокой износостойкостью при нагреве до 1 000 С. Сплавы ВК почти не подвергаются заметной деформации, имеют большую прочность на сжатие, но в то же время обладают невысокой прочностью на изгиб и растяжение, небольшой ударной вязкостью.

Спеченные твердые сплавы состоят из карбида вольфрама WC и кобальта Со в различных процентных отношениях. Карбид вольфрама придает сплаву высокую твердость и износостойкость, он не магнитен, имеет высокую теплопроводность и весьма хрупок.

Кобальт - ковкий и вязкий металл, в расплавленном состоянии он хорошо смачивает зерна карбида вольфрама и при затвердении прочно связывает их, обеспечивая прочность и упругость сплава, его сопротивляемость скалыванию.

Спеченный сплав типа ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25 изготавливают из порошковой смеси карбида вольфрама и кобальта путем прессовки в специальных графитовых пресс-формах и спекания при температуре ниже температуры плавления карбидов. Цифры в марке сплава соответствуют процентному содержанию кобальта, в зависимости от которого сплавы отличаются, прежде всего, прочностью на изгиб, плотностью и твердостью.

Прочность на изгиб у сплава ВКЗ составляет 1 100 МПа (минимальная), у сплава ВК25 - 2 000 МПа (максимальная). Более твердым является сплав ВК6 - 90 МПа. Твердость сплава ВК25 составляет 82 МПа.

Твердость сплава возрастает с увеличением содержания карбида вольфрама и уменьшением размеров его зерен. По структуре сплавы разделяются на мелко-, средне- и крупнозернистые. Мелкозернистые сплавы с размером зерен 1 мкм имеют индекс «М», крупнозернистые с размером зерен до 3-5 мкм - индекс «В», среднезернистые с размером зерна 1-2 мкм не имеют индекса.

При увеличении содержания кобальта и зернистости увеличивается ударная вязкость сплава. Предел прочности резцов из твердых сплавов может быть существенно повышен упрочнением, например, охлаждением в азоте или алмазным шлифованием. Алмазное шлифование удаляет с поверхности резцов дефектный слой, что существенно повышает предел прочности сплава на изгиб и ударную вязкость на 20-50 %, ударную долговечность - в 10 раз.

С учетом основных физико-механических свойств среднезернистые и крупнозернистые сплавы с малым содержанием кобальта применяют для армирования инструмента, работающего в условиях безударных нагрузок, т. е. бурового инструмента для вращательного бурения. Сплавы со средним и высоким содержанием кобальта используют для армирования инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок, т. е. инструмента для ударновращательного бурения и шарошечных долот, предназначенных для бурения пород высокой твердости. Эти сплавы обладают наибольшей прочностью, но они менее износостойки.

Для бурения шпуров применяют коронки с долотчатым, трехперым, крестовым, звездчатым, Т-образным расположением лезвий и др. Наиболее распространены долотчатые, трехперые и крестовые коронки. Скорость бурения этими коронками изменяется в соотношении 1:0,75:0,84. При выборе коронок не всегда учитывается, что долотчатые коронки с прямым лезвием удобнее затачивать, но они быстрее затупляются, чем коронки с закругленным лезвием, которые еще и более износостойки.

При заточке коронок, особенно долотчатых, важно грамотно выполнять заточку. Рациональной считается заточка с соблюдением геометрии лезвия, его симметрии. Именно поэтому при заточке необходимо использовать специальные заточные станки (например, B3-130M). Механизмы заточки обеспечивают заданные углы приострения и радиусы кривизны лезвий коронки, снижают затраты времени на процесс заточки.

При заточке коронок важным является выполнение некоторого

Рис. 5.1. Схема разрушения породы острым (а) и притупленным индентором (6)

предварительного затупления лезвий с площадкой притупления шириной ОДНО мм, поскольку выявлено, что наличие острой грани клиновидного резца не способствует возрастанию скорости бурения шпуров в твердых породах, а только повышает вероятность разрушения пластинок твердого сплава. Действительно, при проведении опытов по внедрению в породу клиновидных (угол приострения 90°) инденторов и аналогичных по форме клиновидных инденторов с площадками притупления шириной 4 мм получены интересные результаты, которые дополняют сведения о механизме разрушения горных пород при ударном воздействии (рис. 5.1).

Определено, что при использовании инденторов с площадками притупления возрастает объем разрушения породы в сравнении с лунками разрушения, полученными острыми клиновидными инденторами.

Глубина внедрения острого индентора h₀ мало отличается от глубины лунок разрушения /г_л (рис. 5.1, а).

Рис. 5.2. Зависимости глубины внедрения инденторов в гранит (линии 1,2) и глубины лунки разрушения (линии 1 , 2 )от энергии удара:

• 1,2- притупленный индентор;
• 1,2- острый индентор

При разрушении породы индентором с площадкой притупления глубина внедрения индентора Я_п в 10-15 раз меньше глубины лунки разрушения h_n, и эта разница возрастает с увеличением энергии удара А_уд (рис. 5.1, б; рис. 5.2) [15].

В процессе ударного нагружения острые инденторы достаточно быстро затуплялись и теряли острые грани.

Энергоемкость ударного разрушения также существенно зависит от формы и размеров внедряемых в породу инденторов.

Результаты экспериментальных исследований по изучению влияния формы и размеров инденторов на процесс разрушения, представленные в работе [17], показали следующие результаты:

- увеличение удельной энергии удара приводит к резкому снижению энергоемкости разрушения различных пород (рис. 5.3) до определенного

Рис. 5.3. Зависимости удельной энергоемкости разрушения различных пород q инденторами с площадкой притупления (кривые 1, 2, 3) и острыми инденторами (кривые 4, 5, 6) от удельной энергии удара: 1,4- мрамор;2, 5 - гранит;

• 3, 6 - кварцит предела, после которого этот показатель снижается незначительно (в пределах условий эксперимента);
• - оптимальные значения удельной энергии удара для острого и притупленного клиновидных инденторов отличаются примерно в 1,5 раза, при этом меньшее значение этого показателя у острого индентора, который неспособен, вероятно, воспринимать значительные ударные нагрузки по условию прочности;

Рис. 5.4. Инструмент компании Sandvik с долотами, вооруженными вставками, изготовленными по технологии DP

• - при повышении удельной энергии удара очевидное преимущество имеет индентор с площадкой притупления, который способен воспринимать более высокие значения ударного импульса, при этом различие величин энергоемкости разрушения для различных пород сокращается, и при высоком уровне энергии удара становится совершенно незначительным;
• - при малых значениях удара эффективность разрушения породы выше острым индентором.

При ударном бурении изнашивание породоразрушающих элементов сопровождается их скалыванием вследствие приложения динамических ударных нагрузок. В данном случае возникает противоречие, которое состоит в том, что очень твердый сплав, отличаясь высокой износостойкостью,

Рис. 5.5. Породоразрушающая вставка DP компании Sandvik и ее характеристика твердости приобретает хрупкость, а значит, низкую ударную вязкость.

Компания Sandvik (Швеция) разработала твердосплавный материал с двойными свойствами (Dual Property - DP) для изготовления твердосплавных вставок долот для ударно-вращательного бурения (рис. 5.4). За счет варьирования содержанием кобальта достигается изменение твердости и прочности материала. При изготовлении породоразрушающих вставок производится изменение характеристик материала послойно по сечению вставки, что позволяет получить на поверхности и в центре вставки максимальную, а в среднем слое пониженную твердость, что в целом приводит к более высокой агрегатной прочности породоразрушающего элемента.

Варьируя состав и размеры слоев, специалисты компании Sandvik добиваются максимальной сопротивляемости резцов изнашиванию в поверхностном слое и растрескиванию и последующему скалыванию резцов при возникновении динамических ударных нагрузок (бурение трещиноватых пород, бурение с приложением ударных импульсов и др.) (рис. 5.5).

Особенно актуальным становится применение высокопрочных сплавов типа DP в связи с повышением энергии сжатого воздуха и соответственно энергии удара ударника о наковальню забойной машины и долота о забой скважины или шпура. Установлено, что рост энергии удара значительно повышает эффективность разрушения горных пород (рис. 5.6). Из графиков следует, что повышение энергии удара в 4,5 раза привело к росту объема разрушения в 2,4 раза, при этом энергоемкость снизилась примерно в 4 раза!

Именно поэтому ведущие компании, такие как Atlas Copco, активно внедряют технологии ударно-вращательного бурения с использованием

высокого давления сжатого воздуха. Рекомендации же отечественных

Рис.5.6. Зависимости объема разрушения породы (V) и удельной объемной работы разрушения (А,,) породы от энергии удара: Э], Э₂, Э₂ - уровни энергии при первой, второй и третьей формах разрушения породы

специалистов, основанные на

выводах о низкой стойкости инструмента при высоком ударном нагружении, теперь уже не являются верными.

На рис. 5.7 и 5.8 приведены

графики, отражающие влияние

давления воздуха на механическую скорость в режиме ударновращательного бурения, причем

графики на рис. 5.7 получены на отечественном оборудовании при умеренных давлениях сжатого

воздуха, а графики на рис. 5.8 - специалистами компании Atlas Copco.

Сопоставление этих графиков показывает, что линии на рис. 5.8 являются продолжением линий роста механической скорости, представленных на рис. 5.7, а значит, практически независимо от применяемого инструмента повышение давления сжатого воздуха дает неудержимый рост механической скорости бурения. При этом безусловным условием использования технологии проходки шпуров и скважин при высоком давлении сжатого воздуха является применение высокопрочных материалов для изготовления вооружения долот и коронок, штанг и бурильных молотков.

Рис. 5.7. Зависимость механической скорости бурения от давления воздуха в различных типах пород: 1 - VIII; 2 - IX; 3 - X; 4 - IX; 5 - X категорий по буримости

Рис. 5.8. Зависимость механической скорости бурения пневмоударниками высокого давления типа СОР в известняке (2)и граните (1)

От правильного выбора взрывчатого вещества (ВВ) зависит эффективность буровзрывных работ. При выборе ВВ необходимо учитывать физико-механические свойства (плотность, трещиноватость, крепость, взрываемость, дробимость и др.) и обводненность пород, газовосгь и запыленность участка работ с точки зрения возможности образования взрывоопасных пылегазовых смесей.

Обычно при выборе ВВ критериями их эффективности с точки зрения действия взрыва на массив породы считают работоспособность и бризантность. Но более важным показателем при технико-экономической оценке ВВ является стоимость использования единицы энергии ВВ с учетом коэффициента полезного действия взрыва. Этот показатель позволяет однозначно и комплексно оценить эффективность применяемого ВВ.

Расчет можно производить по следующей формуле [17]:

где А - затраты на реализацию взрыва, руб/ккал;

В - стоимость ВВ, руб/кг;

Q - теплота взрыва, ккал/ кг;

С - стоимость бурения шпуров, руб/дм³;

А - плотность заряжания, кг/дм³;

L - коэффициент заряжания, равный отношению объема заряда к объему заряжаемой части шпура;

d- стоимость заряжания единицы объема шпура, руб/дм³.

Эффективность ВВ оценивается по совокупности всех удельных затрат, входящих в уравнение (5.2). При этом значимость каждой из них в основном определяется соотношением величин В, С, d. При постоянных или близких значениях удельной теплоты взрыва эффективность его можно повысить, уменьшая стоимость ВВ. С увеличением стоимости бурения, определяемой, например, ростом крепости пород, а также стоимости заряжания может оказаться экономически выгодно повышать энергию или плотность ВВ, даже если это приведет к возрастанию стоимости единицы массы ВВ или единицы энергии.

В табл. 5.1 представлены показатели эффективности ВВ [17].

Из табл. 5.1 следует, что для крепких пород несколько более предпочтительно применение дегонита М, но, учитывая фактор повышенной опасности при обращении с ним, а также некоторую токсичность, предпочтение необходимо отдать патронированному аммониту № 6 ЖВ.

Для пород средней крепости предпочтительнее использовать гранулит АС-8, который несколько эффективнее пагронированного аммонита № 6 ЖВ.

Для пород малой крепости гранулированные ВВ, такие, как гранулит АС-4, игданит и зерногранулит, оказались самыми выгодными.

В геологических организациях, применяющих гранулированные ВВ взамен патронированных, отмечаются следующие показатели:

Таблица 5.1

Показатели эффективности ВВ

• -удельный расход ВВ снизился на 10-5 %;
• - расход шпурометров уменьшился на 13-20 %;
• - продолжительность заряжания сократилась на 15-17 %;
• - коэффициент использования шпуров (КИШ) повысился на 10-15 %;
• - производительность труда возросла на 10-12 %;
• - стоимость проходческих работ уменьшилась на 12-16 %.

Замена патронированных ВВ гранулированными при одинаковой линейной концентрации энергии обеспечивает сопоставимые результаты взрыва. Пониженная скорость детонации гранулированных ВВ способствует менее резкому воздействию взрыва на массив пород, существенно снижая переизмельчение породы и ее законтурное разрушение.