К вопросу стабилизации бурового става станков НКР-100 в условиях ОАО «Комбинат КМАруда»

Бурение скважин в рудном подземном массиве с высокой категорией крепости f >18 (по шкале проф. Протодъяконова М.М.) всегда сопряжено со значительными сложностями, связанными с повышенными требованиями к буровым ставам, адаптированным для достижения конкретной сетки бурения, которая обеспечивала бы гарантированные размеры рудного сырья после взрывных работ. В противном случае, не оптимальные режимы бурения дестабилизируют буровой  став в скважине, что, как следствие, приводит к повышенному выбросу негабаритов при осуществлении взрывных работах. Наличие негабаритного рудного сырья, как известно, существенно снижает эффективность последующих процессов добычи руды (погрузки, транспортирования и первой стадии механического дробления).

На кафедре «Горные машины и оборудование» проводятся научнотехнические работы как по конструктивному совершенствованию основных узлов и рабочего инструмента бурового става, так и установлению оптимальных параметров буровых режимов в экстремальных горно-геологических условиях.

Методика оптимальных параметров буровых режимов с различными конструктивными элементами бурового става ориентирована, в первую очередь, на буровые станки НКР-100М (рис. 1), как наиболее массовый тип буровой техники, применяемой на отечественных горнорудных предприятиях и аналогичных производствах ближнего зарубежья. Комплекс научно-технических мероприятий по установлению оптимальных параметров буровых режимов, с вариациями форм вооружения буровых коронок (рис. 2), в экстремальных горногеологических условиях включал определение критических параметров и расчетные схемы устойчивости бурового става в скважине, выполненных в соответствии с методическими рекомендациями работы [1], рассматривающей влияние нелинейных факторов на устойчивость буровых ставов различных типов буровой техники (рис. 3).

Рис. 1. Общий вид буровой установки НКР-100МА(В).

а) новая           б) сильно изношенная

Рис. 2. Фрагмент буровой коронки КНШ-105.

Рис. 3. Расчетная схема бурового става в скважине.

Расчетная схема исследования статической устойчивости бурового става в скважине представлена стержнем с зазором У₀ , вставленным абсолютно жесткую трубу, и шарнирно закрепленными концами. При решении подобных задач принимаются следующие допущения:

^^— буровой став нагружен только осевой силой P₀ ;

^^— буровой став идеально ровный, т.е. без начальных несовершенств;

^^— закрепление верхнего конца става шарнирное. Такое допущение оправдано тем, что угол поворота верхнего конца става в результате поперечной деформации соизмерим с зазором в месте посадки буровой коронки;

^^— закрепление нижнего конца става шарнирное. Такое допущение оправдано также тем, что имеет место «девиация буровой коронки;

^^^ стенки скважины абсолютно жесткие по сравнению с поперечной жесткостью бурового става.

Методический подхода в исследованиях влияния нелинейных факторов на устойчивость буровых ставов различных типов буровой техники (Рис. 3), приведенного в работе [1], включал расчеты устойчивости бурового става в скважине применительно к станкам типа НКР-100М. Расчеты устойчивости бурового става в скважине ориентированные на следующие значения его критического крутящего момента

M кр

21+ _{ν π} GJ _p

L

, Н м,

где E – модуль упругости 1-го рода м, E = 2  1011 Па; J – осевой момент инерции сечения бурового става, м4, J    Dшт dшт ; D , d – внешний и внутренний диаметр штанги, м; L – длина бурового става, м; V

-

коэффициент Пуассона, V =0,3; G – модуль упругости 2-го рода м, E = 8

J p

Па; Jp – осевой момент инерции сечения бурового става, м⁴, 71    ₄ p ₄

шт    шт

.

При совместном действии сжимающей продольной силы ( P ) и критического крутящего момента ( M ) потеря устойчивости происходит при удовлетворении условия [2]

P

P кр

M

M кр j

1,

отсюда

P

M

>2

M кр J

P кр , Н.

Исходя из выражений 1- 3 значения М определяются как

M

1 ^P P кр

M к²р

Из выражений (3) и (4) получены графические зависимости критических значений осевой силы от критических значений крутящего момента, которые актуальны для случая вертикального расположения бурового става (рис. 4 и 5).

Рис. 4. График зависимости критических значений осевой силы от критических значений крутящего момента для станка НКР-100М: 1 – 25 м, 2 – 30 м, 3 – 40 м, 4 – 50 м, 5 – 60 м, 6 – 70 м, 7 – 80 м.

Рис. 5. График зависимости критических значений крутящего момента от критических значений осевого момента:

1 – 25 м, 2 – 30 м, 3 – 40 м, 4 – 50 м, 5 – 60 м, 6 – 70 м, 7 – 80 м,

При работе станка НКР-100М была учтена величину прогиба в случае горизонтального расположения бурового става под действием под действием собственной силы тяжести. При условии больших величин прогиба происходит значительный увод скважины от прямолинейности при бурении. При таком методическом подходе буровой став представляется в виде балки, приведенной на рис. 6, нагруженной распределённой нагрузкой q. Подробный расчёт прогиба приведён в литературе [2]. Максимальный прогиб определяется из нижеследующего выражения.

5 qL 384 EJ

f max м.

Рис. 6. Схема вертикальных сил, действующих на буровой став НКР-100М.

На основании выражения (5) получена графическая зависимость максимального прогиба f max от длины става L , представленная на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость максимального прогиба f max от длины става L станка НКР-100М.

Анализ графической зависимости показывает, что при достижении глубины бурения L скв 22 23м буровой став начинает соприкасаться с нижней стенкой скважины. При дальнейшем увеличении глубины скважины буровой став соприкасается со стенкой на значительном отрезке, вследствие чего происходит значительный увод рабочего инструмента от прямолинейности при бурении. Процесс формализации бурения применительно к установлению целесообразных зон устойчивости бурового става станка НКР-100М в скважине представлен на рис. 8.

Рис. 8. Устойчивости бурового става станка НКР-100М.

Исследования устойчивости бурового става станка НКР-100М в скважине, проведенные на кафедре ГМО, позволяют установить наиболее благоприятные зоны, улучшающие условия работы буровых коронок. При оптимальных значениях осевого усилия бурового става и крутящего момента увеличивается равномерность нагружения буровых коронок по всей плоскости их вооружений.

бурение скважин, экстремальные горно-геологические условия, буровые станки типа НКР-100М, методика, оптимальные буровые режимы the drilling of wells, mining-and-geological conditions, drilling machines of the type of NKR-100M, methods, optimal drilling modes