Обоснование оптимальных параметров пневмотранспортирования предметов разрушения при бурении скважин с очисткой сжатым воздухом

УДК 622.233.6.057.7

Дойников Юрий Андреевич

Yuri Doynikov

Беляев Александр Евгеньевич

Alexander Belyaev

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТОВ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН С ОЧИСТКОЙ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

SUBSTANTIATION OF OPTIMAL PARAMETERS OF THE BROKEN ROCK PNEUMATIC REMOVE DURING BLASTHOLE DRILLING WITH AIR PULSE CLEANING

Рассмотрены параметры пневмотранспортирования буровой мелочи при проходке взрывных скважин станком шарошечного бурения. Обработкой опытных данных и теоретическими исследованиями установлено влияние различных факторов на очистку скважин, получены зависимости для определения критической скорости потока продувочного воздуха для перехода частиц буровой мелочи во взвешенное состояние. Применение полученных зависимостей позволит обеспечить эффективную очистку скважины от образующихся на забое продуктов разрушения породы, что особенно важно при бурении режущим инструментом, а также в условиях мерзлых пород

This article gives the description of scientific and technical research of parameters of the broken rock pneumatic remove during blasthole drilling with air pulse cleaning. This article is assigned for students specializing in mining

Ключевые слова: буровой инструмент, буровой ста- Key words: blasthole drilling tools, rock drilling machine, нок, бурение взрывных скважин, пневматическая очи- blasthole drilling, air pulse cleaning стка скважин

Эффективность очистки скважины от буровой мелочи имеет решающее значение при бурении режущими долотами с образованием крупного скола породы на забое, а также при проходке скважин в мерзлых

глиносодержащих породах [1].

Бурение скважины включает две последовательные операции:

1) разрушение породы на забое;

2) удаление продуктов разрушения из

призабойной зоны и затрубного пространства скважины.

Эффективность разрушения зависит от принятого типа долота. Качество очистки скважины определяется параметрами системы транспортирования буровой мелочи, которая представляет собой сочетание исполнительного органа с забоем и стенками скважины. При этом эффективность удаления буровой мелочи из скважины должна соответствовать интенсивности ее образования на забое. В противном случае будет происходить нарушение режима бурения.

На станках шарошечного бурения для удаления буровой мелочи из скважины используется сжатый воздух. Воздух на продувку скважины подается от компрессора. Обладая значительной кинетической энергией, воздушный поток передает ее частицам буровой мелочи, приводит их во взвешенное состояние и обеспечивает движение продуктов разрушения по затрубному пространству к устью скважины. Количество воздуха, подаваемого в скважину, должно быть достаточным для эффективного удаления буровой мелочи. При недостатке воздуха будет происходить нарушение режима очистки скважины. Для расчета потребного на транспортирование буровой мелочи расхода воздуха и определения производительности компрессора необходимо установить основные характеристики движения потока буровой мелочи [1].

Критическая скорость движения воздуха Укр. Частица буровой мелочи, находящаяся в восходящем воздушном потоке, испытывает на себе подъемную силу струи воздуха, величина которой зависит от скорости потока У (скорости обтекания), плотности струи, вязкости воздуха, размеров частицы и ее формы. Для перехода частицы буровой мелочи во взвешенное состояние необходимо, чтобы подъемная сила струи достигла величины веса частицы. Это происходит при достижении воздухом так называемой критической скорости движения. Рядом авторов [2, 3, 4] проведены исследования по определению критической

скорости движения воздуха при транспортировании продуктов разрушения породы с забоя скважины. Однако предложенные методы расчета не являются универсальными и не учитывают в должной мере комплекса особенностей бурения взрывных скважин с продувкой, определяемых специфическими факторами, влияющими на параметры режима очистки скважины воздушным потоком. Рассмотрим влияние основных факторов на величину критической скорости движения воздуха и определение необходимого расхода воздуха для эффективной очистки скважины от образующейся буровой мелочи при разрушении породы на забое.

Размеры и плотность частицы. Буровая мелочь состоит из частиц разных диаметров 6. С увеличением диаметра частицы снижается эффективность передачи энергии от потока воздуха, и переход частицы во взвешенное состояние происходит при большой критической скорости движения воздуха. При этом каждому классу крупности буровой мелочи соответствует своя величина критической скорости движения воздуха Укр. С увеличением плотности р частиц растет их вес, и при тех же размерах частицы требуется большая подъемная сила и критическая скорость. В результате проведенных теоретических исследований [6] В.А. Перетолчин получил зависимость, согласно которой критическая скорость движения воздуха для частиц сферической формы выглядит так:

Г6 • 6-1 •

9 + ,]457,8 +17,7 1п

Форма частиц. Идеальные частицы имеют сферическую форму. Однако натуральные частицы буровой мелочи имеют неправильную форму. Это обусловливает и отклонение фактических необходимых скоростей движения воздуха. Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что частица неправильной формы стремится занять такое положение, при котором наибольшее ее сечение располагается перпендикулярно к потоку воз-

Укр = 15 -10-

.exp

духа. В результате взвешивание частицы происходит при меньшей критической скорости движения воздуха. Отклонение критической скорости при изменении форм частиц учитывается специальным поправочным коэффициентом - коэффициентом формы Кф. По данным [6], значения Кф для частиц различной формы: округленные, окатанные - 0,71; кубообразные, угловатые - 0,72; удлиненные -0,60; плоские - 0,50. Приведенные данные соответствуют опытным значениям Кф, полученных рядом исследователей [3, 4].

Влияние потерь энергии воздуха. Движение потока буровой мелочи по затрубному пространству обеспечивается вследствие наличия перепада давления воздуха у устья и забоя скважины. Если давление воздуха в устье скважины обозначить Ро, то у забоя оно будет равно Ро+ А Р, где А Р - перепад, равный потерям давления воздуха на пути от забоя до устья скважины. Потери потенциальной энергии (давления) в скважине происходят при столкновении частиц со стенками и штангой, от трения частиц о стенки и штангу, а также при обтекании частиц воздухом. Они возрастают с увеличением глубины бурения и ростом концентрации частиц в потоке. Увеличение давления воздуха у забоя скважины сказывается на транспортировании буровой мелочи. Вследствие сжимаемости воздуха и увеличения давления происходит уменьшение его объема, увеличение плотности и уменьшение скорости движения, т.е. кинетической энергии воздушного потока. Подъемная сила воздуха уменьшается. В результате условия транспортирования буровой мелочи ухудшаются. Поэтому для обеспечения взвешивания частиц у забоя необходимая критическая скорость движения воздуха увеличивается настолько, чтобы при повышенном давлении сохранилась прежней его подъемная способность. Увеличение критической скорости движения воздуха учитывается с помощью коэффициента энергии Кэ, который, по расчетам [6], равняется у1(Р0 +АР)/Р0 . Давление у устья скважины

Ро можно принять равным 0,1 МПа. Тогда К э =л/1 +10 АР .

Перепад давления в скважине АР зависит от интенсивности образования буровой мелочи и глубины бурения, и по опытным данным [6], находится в пределах 0,01...0,04 МПа.

Стесненность движения. Конструкция потока буровой мелочи. Движение потока буровой мелочи в скважине является стесненным. Стесненность определяется ограниченной площадью сечения призабойного и за-трубного пространств и ощутимой концентрацией частиц в потоке воздуха, которая может быть охарактеризована коэффициентом объемной концентрации:

* = Ум/ V,

где Ум - объем образующейся буровой мелочи;

Уп - объем потока, который занимает буровая мелочь.

Наблюдения показывают, что при движении частиц в стесненных условиях переход их во взвешенное состояние происходит при меньшей критической скорости движения воздуха. Это изменение критической скорости движения воздуха следует учитывать коэффициентом стесненности Кс, (Кс£1). Уменьшение необходимой критической скорости движения воздуха объясняется тем, что буровая мелочь, занимая часть объема, уменьшает фактическое проходное сечение призабойного и за-трубного пространств и вызывает увеличение скорости обтекания частиц. В результате при меньшем расходе воздуха и меньшей скорости его свободного движения достигается тот же эффект.

Влияние стесненности на движение частиц изучалось многими исследователями и для определения коэффициента стесненности Кс предложен ряд эмпирических зависимостей [4]. Согласно [6], наибольшее соответствие экспериментальным данным дает зависимость, отражающая связь коэффициента стесненности с концентрацией частиц в потоке, в виде

Кс =(1 - X )!.

С учетом приведенных коэффициентов, учитывающих влияние частиц (коэффициент формы Кф), потерь энергии воздуха (коэффициент энергии К), стесненности движения потока (коэффициент стесненности К), зависимость критической скорости воздуха с учетом (1) примет вид

Укр = Кф • Кэ • Кс • Укр =

- УКр - л/1 + ЮАР • Кф  Кс, или

УКр-15-10-5 • Кф • Кс • С -1 •

л/1 + 10АР • ехр[- 9 + ^457,8 +17,71п

С ростом концентрации потока буровой мелочи повышается эффективность передачи энергии воздуха частицам. Однако при критическом значении концентрации Бкр наступает нарушение режима продувки. Объясняется это тем, что количественный рост содержания частиц в потоке при Бкр приводит к качественному изменению процесса - передачи энергии воздушного потока частицам буровой мелочи за счет резкого ухудшения условий движения воздуха. Поэтому для нормальной работы пневмотранспортной системы станка необходимо, чтобы Б<Бкр [1, 6]. Установлено, что транспортирование происходит успешно при Б до 0,01. Поэтому можно считать, что надежная очистка скважины от буровой мелочи будет обеспечиваться при величине коэффициента объемной концентрации Б<0,01.

Избыточная скорость движения воздуха. Критическая скорость движения воздуха определяет переход частицы во взвешенное состояние. Для транспортирования частицы воздуху необходимо придать дополнительную, избыточную скорость Уизб, величина которой должна быть такой, чтобы обеспечивалось своевременное удаление буровой мелочи из зоны ее образования и затрубного пространства. В противном случае буровая мелочь будет скапливаться в призабойной зоне и затрубном пространстве, и режим продувки скважины на-

рушается. В то же время при выборе величины избыточной скорости не рационален и перерасход воздуха, что вызывает неоправданное увеличение установочной мощности компрессора.

В призабойной зоне за счет избыточной скорости воздуха создаются дополнительные усилия, действующие на частицы буровой мелочи и обеспечивающие их трогание и разгон. В затрубном пространстве при равномерном движении избыточная скорость определяет скорость движения частицы.

Выявить теоретически величину необходимой избыточной скорости не представляется возможным. При установлении Уизб необходимо учитывать особенности образования буровой мелочи. Применительно к режущему буровому инструменту можно считать, что величина избыточной скорости связана со скоростью стружкообразования на максимальном радиусе вращения [1, 6]. Если представить, что стружка, снимаемая резцом, является сливной, то скорость подъема ее вверх по передней грани резца будет равняться линейной скорости движения резца. Избыточная скорость воздуха должна быть не менее названной скорости. В соответствии с этим избыточная скорость воздуха принята равной линейной скорости на резцах Уизб - жйп, т.е. максимальной скорости

стружкообразования. Здесь й - диаметр бурения; п - частота вращения долота. С учетом уменьшения скорости за счет сжатия воздуха:

^ у ^

Зависимость избыточной скорости воздуха от диаметра бурения и частоты вращения можно сохранить и при других типах долот, в том числе шарошечных.

Избыточная скорость воздуха (3) является расчетной для определения общего расхода воздуха при транспортировании буровой мелочи по затрубному пространству и распространяется на частицы всех размеров. Фактически же скорости движения частиц будут раз-

личными. При скорости воздушного потока Ув скорость подъема частицы Уч = Ув-Укр. Критическая скорость движения воздуха (2) зависит от размеров частиц й и с уменьшением их диаметра уменьшается. В результате с уменьшением диаметра частиц растет скорость их подъема.

Наличие разницы в скоростях движения частиц обусловливает неизбежность их соударения. Мелкие частицы, имея большую скорость подъема, сталкиваются с более крупными. Согласно законам механики, эти внутренние соударения не изменяют количества движения системы и движения центра масс, а вызывают только перераспределение энергии между частицами. Однако система потока буровой мелочи отличается устойчивостью к сохранению скоростей движения. Эта устойчивость вытекает из закона инерции. При увеличении скорости крупной частицы после соударения с мелкой возникает нарушение равновесия действующих на нее сил - подъемная сила воздуха становится меньше силы веса частицы. В результате происходит замедление движения и уменьшение скорости частицы до первоначальной величины. Наоборот, уменьшение скорости мелкой частицы вызывает увеличение подъемной силы и ускорение движения

1. Перетолчин В.А. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / В.А. Перетолчин, Н.Н. Страбыкин, А.Е. Беляев и др. - М.: Недра, 1993. - 285 с.

2. Алексеев В.В. Определение критической скорости восходящего потока воздуха для выноса частиц неправильной формы из забоя скважины при бурении с помощью долот шарошечного типа / В.В. Алексеев, Э. Риос // Изв. вузов. - Сер. Геология и разведка. - 1987. - № 1. - С. 96-100.

3. Ганджумян Р.А. Практические расчеты в

Коротко об авторах____________________________

до восстановления прежней скорости. Таким образом, благодаря устойчивой инерционности потока буровой мелочи, влиянием соударений частиц на скорости их движения можно пренебречь.

Полученные характеристики движения потока буровой мелочи являются основой для расчета необходимого для продувки скважины расхода воздуха с целью эффективной очистки ее от образующейся буровой мелочи и определения необходимых параметров компрессорной установки бурового станка.

Необходимость обоснования принимаемых параметров пневмотранспортной системы станка возникает при конструировании буровых станков, а также при проектировании буровых работ, поскольку скорость бурения ограничивается не только крепостью пород, но и очисткой скважины от буровой мелочи.

При курсовом и дипломном проектировании также возникает потребность в расчете параметров и показателей работы пнев-мотранспортной системы станка. Возможны варианты как проверочных расчетов на соответствие принятых режимов возможностям станка, так и выбора рациональных параметров пневмотранспортной системы модернизируемого или вновь создаваемого станка. _________________________________Литература

разведочном бурении. - 2-е изд., перераб. и до-полн. /Р.А. Ганджумян. - М.: Недра, 1986.

4. Кудряшов Б.Б. Бурение скважин в осложненных условиях / Б.Б. Кудряшов, А.М. Яковлев. -М.: Недра, 1987.

5. Кудряшов Б.Б. Бурение разведочных скважин с применением воздуха / Б.Б. Кудряшов, А.М. Яковлев. - М.: Недра, 1990.

6. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах / В.А. Перетолчин. - М.: Недра, 1983. - 178 с.

______________________Briefly about the authors

Дойников Ю.А., первый вице-президент, исполнитель- Yu. Doynikov, Senior Vice-President, CEO, "Alrosa" JSC ный директор АК «АЛРОСА»

Служ. тел.: (41136)34550

Научные интересы: стратегические вопросы развития горного производства

Беляев А.Е., д-р техн. наук, профессор кафедры горных машин и рудничного транспорта, Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ), действительный член РАЕН,

Служ. тел.: (3952) 343312

Научные интересы: техника и технология бурения взрывных скважин на карьерах

Areas of expertise: strategical matters of mining practice development

A. Belyaev, Doctor of Engineering Science, Professor of the Department of Minng Machinery and Transportation, Irkutsk State Technical University, full-fledged member of Russian Academy of Natural Sciences

Areas of expertise: methods and technology of blasthole drilling on the open pits