Буровое оборудование для открытых горных работ
Обзор буровых станков
В настоящее время буровзрывные работы остаются основным способом подготовки крепких горных пород к последующей разработке. Несмотря на множество недостатков данного способа эффективной альтернативы ему до сих пор не существует.
Буровые станки
Для одной из основных технологических операций буровзрывных работ – бурения взрывных скважин – на открытых горных работах применяют буровые станки, оснащенные различным буровым оборудованием. Типоразмеры буровых станков определяются диаметром буримой скважины: 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400 мм.
По отечественной классификации буровые станки разделяются по способу бурения на три типа.
Первый тип – станки СБР, которые бурят путем вращения резцового инструмента, установленного на шнековой штанге. Применяют при бурении пород крепостью до f=6 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Номинальный диаметр буримых скважин – 125 и 160 мм.
Второй тип – станки СБШ, которые бурят путем вращения шарошечных долот. Номинальный диаметр скважин – от 160 до 400 мм. Применяются при бурении пород крепче f≥6.
Третий тип – станки СБУ, которые бурят ударно-вращательным способом погружными пневмоударниками. Применяются для бурения пород крепче f≥6 с диаметром скважин от 100 до 200 мм.
Условное обозначение станка включает диаметр скважины в мм и глубину бурения в м, например, СБШ-250МНА-32: диаметр скважины 250 мм, глубина скважины до 32 м.
Станки с резцовым инструментом
Скорость бурения, а соответственно и производительность бурового станка зависят от свойств породы разрушаться под воздействием бурового инструмента, от вида бурения, конструкции бурового инструмента. На относительно некрепких породах успешно применяют станки с резцовым буровым инструментом. Стружка отделяется при значительном осевом усилии резцами, установленными на буровой коронке. При вращении штанги посредством винтовой навивки шнека порода удаляется из скважины. При использовании гладкой штанги мелочь удаляется сжатым воздухом.
На карьерах СНГ традиционно широко распространены станки СБР-160А-24 производства ОАО «Карпинский машиностроительный завод» и более ранние СВБ-2М. Это машины на гусеничном ходу с электроприводом. На гусеничную тележку опирается сварная рама, на раме расположены маслостанция, шкафы управления, мачта с направляющими для перемещения бурового става и вращателя, кассеты для хранения шнеков, механизмы свинчивания-развинчивания, подачи бурового става. Также на станке установлены гидроцилиндры выравнивания станка и подъема мачты, компрессорная станция, смонтированы гидро- и пневмосистемы, электрическая часть. По сравнению с устаревшими станками СВБ-2М у станка СБР-160А-24 увеличена высота мачты, механизированы трудоемкие операции по сборке-разборке бурового става, увеличена мощность приводов основных механизмов, гидропривод поднятия-опускания мачты, более просторное машинное отделение, обогреваемая кабина и др. На базе СБР-160А-24 создан СБР-160Б-32 с увеличенной глубиной бурения. Кыштымский машзавод предлагает более мощный и универсальный станок СБР-200-32, который может бурить также шарошечными долотами (диаметр 160 мм), для чего необходимо использовать прицепной компрессор.
Резцовые коронки бурового инструмента различаются числом перьев (лезвий), способом их крепления, формой режущей кромки, расположением резцов на коронке. Коронки могут быть с перьями как сплошной формы, так и со съемными резцами. Обычно коронки со сплошным исполнением режущей кромки применяют на породах крепостью до f=4 по шкале Протодьяконова. Резцовые коронки ступенчатой формы, оборудованные резцами, предназначены для бурения пород крепостью f<6 и содержанием крепких аброзивных прослоек крепостью f=6...8. В каждое перо (всего два пера) закрепляется по два резца, в центральной части на резьбовом соединении крепится двухперьевой зазубреник. Трехперьевое долото уже включает по три резца разной конфигурации на каждое лезвие и применяется для бурения малоабразивных пород крепостью f≤8. Четырехперьевые долота и долота с круговым расположением резцов имеют большой коэффициент перекрытия скважины и рекомендуются к использованию с продувкой скважины сжатым воздухом. Такой инструмент применяется при бурении трещиноватых малообразивных пород крепостью f≤8.
Чтобы достичь оптимальных параметров бурения, отдельно подбирают вид коронки, регулируют частоту вращения (если позволяет конструкция привода вращателя) и усилие подачи. Существует целое семейство серийно выпускаемых буровых коронок для использования на буровых станках типа СБР.
Бурение пород крепостью f>6...8 станками вращательного бурения с резцовыми коронками малоэффективно: значительно повышается износ резцов, имеет место сильная вибрация става, скорость бурения низкая. По крепким породам более эффективным является шарошечное бурение. Трехшарошечное долото под большим осевым усилием (до 30 тс при диаметре бурения 250 мм) подается на забой. На шарошках установлены твердосплавные зубки различной формы (сферической или баллистической, т. е. клиновидной). Шарошки обкатываются по поверхности забоя (частота вращения долота 2,5...0,8 с–1), и зубки под большим усилием внедряются в породу, создавая максимальные напряжения сдвига в разрушаемом слое. От породного массива отделяются чешуйки, которые выносятся из скважины сжатым воздухом. Шарошечное бурение наиболее эффективно при больших диаметрах скважин.
Станки шарошечного бурения
Самыми распространенными станками шарошечного бурения являются станки СБШ-250МНА-32 (модификация СБШ-250-55), 3СБШ-200-60 (на базе 3СБШ-200Н), 6СБШ-200-32 и их более ранние версии.
Станок СБШ-250 производства ОАО «Рудгормаш» (Воронеж) смонтирован на унифицированном гусеничном ходу УГ-60. На поперечных балках гусеничной тележки установлена рама станка с машинным отделением. В машинном отделении размещены винтовой компрессор, маслостанция, гидронасосы, электрические шкафы и кабина. На мачте смонтированы вращательно-подающий механизм, сепаратор со штангами, механизм развинчивания штанг. Вдоль боковых панелей каркаса мачты расположены направляющие, по которым перемещаются каретки вращателя. Для горизонтирования станка используют три домкрата. На станке СБШ-250МНА-32, который выпускается заводом «Рудгормаш» в настоящее время, установлены тиристорный преобразователь для питания привода вращателя, система автоматического регулирования производительности компрессора, гидропривод повышенной регулируемой производительности, что позволяет более чем вдвое увеличить скорость вспомогательных операций. Предлагается модификация – оборудование станка частотными преобразователями, это дает возможность использовать менее дорогие асинхронные двигатели переменного тока для привода хода и вращателя, а также применить плавный пуск компрессора. Внедрено исполнение станка с двумя сепараторами на мачте для бурения скважин разного диаметра на одной площадке (выбирая соответствующий сепаратор и штанги) на глубину до 50 м.
Вызывает интерес модификация СБШ-250МНА-32КП (каркасно-платформенного типа) тяжелого класса для бурения скважин диаметром 250...311 мм на породах крепостью f≤20. Конструкция станка адаптирована для работ в особо сложных горногеологических условиях. По основным узлам эта машина схожа с СБШ-250МНА-32, оборудована более мощным приводом вращателя и более производительным компрессором (32…50 м3/мин).
Более легкие СБШ-160/200-40 и СБШ-160/200-40Д (с дизельным приводом), выпускаемые ОАО «Рудгормаш», являются прямыми конкурентами станков 3СБШ-200-60 и 6СБШ-200-32 ОАО «Бузулуктяжмаш». Станок воронежского завода имеет меньшую массу и применяется для бурения скважин диаметром 160...215 мм, станки бузулукского завода производят бурение скважин диаметром 215...250 мм. Станки имеют определенные конструктивные различия, в частности, механизм подачи воронежского станка выполнен реечным, а бузулукских станков – гидравлическим.
Станки типа СБУ
На горных предприятиях, где требуется после взрыва получать более равномерный по фракционному составу материал и без переизмельчения, например на щебеночных карьерах, применяют частую сетку взрывания при меньших диаметрах скважин – от 105 до 160 мм. Наиболее продуктивно на крепких породах, например на гранитах, бурение такого диаметра производят станками типа СБУ. Эти станки широко востребованы и при обуривании труднодоступных участков, при работе в сложных горногеологических условиях, на стесненных рабочих площадках.
Физика процесса ударно-вращательного бурения схожа с шарошечным бурением. Отличие – в способе создания усилия на рабочем инструменте. Долото для СБУ снабжено твердосплавными зубками с рабочей поверхностью сферической формы, которые внедряются в породу при ударном воздействии, передаваемом на долото погружным пневмоударником или гидроударником через буровой став. При этом вращатель бурового станка непрерывно поворачивает буровой став, обеспечивая тем самым рассредоточенное внедрение зубков по всей поверхности забоя скважины. При внедрении зубков в разрушаемом породном слое возникают максимальные напряжения сдвига, вокруг зубков происходит скол чешуек, которые удаляют из скважины сжатым воздухом.
Корпус долот для ударно-вращательного бурения состоит из головки и хвостовика, выполняемых сплошными. По форме головок они могут быть лезвийными или штыревыми (со сплошной забойной поверхностью, покрытой зубками). Различаются и способы продувки – центральная, внецентренная и внешняя. Долота могут быть многолезвийные, их стойкость выше, чем однолезвийных долот. Лезвийное долото К-105К имеет выемку в центральной части. При бурении в центре образуется керн, который затем разрушается штырем, расположенным между четырьмя лезвиями. Энергоемкость бурения при этом снижается, а скорость бурения возрастает.
Многие годы на карьерах успешно эксплуатируются станки модели СБУ-100Г-35 Кыштымского машзавода. Эта модель оснащена гусеничным ходом и состоит из следующих узлов: рабочий орган, шарнирно закрепленный в передней части станка, включающий в себя пневмоцилиндр подачи, оснащенный направляющими, по которым перемещается вращатель. Механизм подачи пневмопоршневой, включает неподвижный цилиндр и подвижной шток, связанный с плитой вращателя.
Вращатель состоит из асинхронного двигателя мощностью 4 кВт и планетарного двухступенчатого редуктора. Гусеничный ход представляет собой две тележки с индивидуальным приводом на каждую гусеницу. Привод хода – асинхронный двигатель и червячный редуктор с тормозным устройством. Источник питания станков – компрессорная станция и электрическая сеть 380 В. Модификации станка: СБУ-100Н-35 – на салазках, СБУ-100П-35 – на пассивном пневмоколесном ходу. На базе станка в свое время были созданы новые образцы – СБУ-100Г-50 и 2СБУ-100Н-32.
Более мощный СБУ-125А-32 включает уже цепную систему подачи, мачту (длина штанг более 4 м) и кассетирующее устройство для механизированной сборки-разборки бурового става. Вращатель состоит из двухскоростного электродвигателя и планетарного редуктора. Гусеничный ход с индивидуальным приводом на каждую гусеницу.
Погружные пневмоударники представляют собой цилиндр с поршнем-ударником, с бесклапанной системой. Двигаясь в цилиндре, поршень сам перекрывает окна циркуляции сжатого воздуха, совершая колебательные движения и нанося удары по хвостовику буровой коронки. На современных станках широко применяются гидроударники, которые устанавливают на самом станке совместно с гидровращателем, и удары на коронку при этом передаются через весь буровой став. Однако такая схема эффективна при небольших глубинах бурения, так как энергия удара теряется за время прохождения по буровому ставу.
«Иностранцы» на российском рынке
В настоящее время на российском рынке широко представлены буровые станки известных брендов Atlas Copco, Tamrock, Ingersoll-Rand и др. В первую очередь это станки ударно-вращательного действия с дизельным приводом. Такие машины незаменимы при разработке новых месторождений в удаленных районах, где нет развитой инфраструктуры, линий электропередачи. Современные импортные карьерные буровые станки отличаются высокой производительностью и мобильностью, могут работать на площадках со значительными уклонами, не требуют питающих коммуникаций. Станки могут бурить вертикальные, наклонные и даже горизонтальные скважины, находясь при этом на плохо подготовленной площадке. На крупных карьерах с развитыми электросетями продолжают успешно работать станки российского производства, с которыми хорошо знакомы эксплуатирующие службы и нет проблем со снабжением запасными частями.
| Диаметр скважины условный, мм | 250, 270 |
| Глубина бурения вертикальной скважины, м | <32 |
| Угол наклона скважины к вертикали, град | 0; 15; 30 |
| Техническая производительность, м /ч, в породах крепостью f=12…14 | 15 |
| Напряжение, В | 380 |
| Мощность двигателя вращателя (постоянный ток), кВт | 60 |
| Мощность двигателя привода гусеничного хода (переменный ток), кВт | 2х22 |
| Компрессорная установка | 6ВВ-32/7 Казанского компрессорного завода с медным маслоохладителем |
| Пылеподавление | мокрое |
| Скорость передвижения, км/ч | 0,773 |
| Габаритные размеры, мм, не более, с поднятой мачтой | 9200х5450х15 350 |
| То же с опущенной мачтой, мм, не более | 15 000х5450х6500 |
| Масса, кг | 85 000 |
| По выбору заказчика станок может поставляться со следующими изменениями в базовом исполнении | |
| Диаметр скважин, мм | 160, 190, 215 |
| Двигатель вращателя мощностью (постоянный ток), кВт | 90; 120 |
| Двигатель привода гусеничного хода (переменный ток с замедлением пуска), кВт | 2х22 |
| Двигатель привода гусеничного хода (постоянный ток), кВт | 2х35; 2х50 |
| Компрессорная установка | 6ВВ-32/8 Сумского компрессорного завода с пластинчатым маслоохладителем из нержавеющей стали, компрессорным агрегатом производства Германии; 6ВВ-32/7 с алюминиевым маслоохладителем |
| Кабина | виброизолированная, отделяемая от машинного отделения, на трех домкратах |
| Система пылеподавления | сухая |
| Конденсаторная батарея для компенсации реактивной энергии | |
| Крепость буримых пород | f=4...18 |
| Диаметр скважины, мм | 160; 171; 215 |
| Глубина бурения, м | 40 |
| Длина штанги с шагом резьбы 12 мм | 8,5 |
| Число штанг | 5 (4 в сепараторе) |
| Углы для наклонного бурения, град | 0; 15; 30 |
| Механизм напора и подъема | |
| Способ подачи бурового инструмента на забой | 2 гидромотора со встроенными тормозными клапанами |
| Осевое усилие подачи на забой, кН | 235 |
| Осевое усилие подъема буровой головки (скоростной подъем), кН | 235 |
| Скорость подачи в рабочем режиме, м/мин | 0...3 |
| Скорость подъема-опускания бурового става, м/мин | 0...15 |
| Механизм вращения | |
| Привод вращателя | два гидромотора |
| Крутящий момент бурового снаряда, Н·м (кгс·м) | 6867 (700) |
| Частота вращения долота, мин-1 | 0...120 |
| Механизм хода | |
| Ходовая тележка | тракторного типа |
| Гидромотор | 2х160 л/мин |
| Скорость передвижения, км/ч | 0...1,3 |
| Преодолеваемый подъем, град | 12 |
| Тормоз | дисковый |
| Компрессорная установка | |
| Производительность, м/мин | 25 |
| Давление, МПа | 0,7 |
| Гидравлика | |
| Рабочее давление, МПа | 220 |
| Домкраты, шт. | трехходовые - 1200 мм |
| Гидроцилиндры поворота мачты, шт. | 2 |
| Подводимое напряжение | |
| Питающее напряжение, В | 380 |
| Электрокоммуникации | |
| Электрооборудование гидрораспределителей | 24 В, постоянного тока |
| Суммарная установленная мощность, кВт, не более | 385 |
| Пылеподавление | |
| Мокрое, водовоздушной смесью или сухое | водяной бак, насос или циклоны, вентилятор |
| Машинное отделение | |
| Конструкция | платформенная |
| Соединение с рамой хода | болтовое |
| Кабина | |
| Конструкция | теплошумоизолированная на амортизаторах, с кондиционером и обогревателем |
| Электронный указатель глубины, скорости бурения и др. параметров | на пульте бурения |
| Мачта | |
| Конструкция | открытого типа, решетчатая из легированной стали |
| Габаритные размеры | |
| С поднятой мачтой, м | 11,5х13,3х6 |
| С опущенной мачтой, м | 13,4х6,2х6 |
| Масса станка, т | 50 |
| Дополнительное оборудование | сварочный трансформатор, калорифер, устройство регистрирующее основные параметры бурения с возможностью передачи их на диспетчерский пульт, система диагностики основных гидроаппаратов |
Колтюбинговое шасси Terberg для российских нефтяников
Голландская фирма ASEP, производитель нефтегазового оборудования, приобрела полноприводное шасси КамАЗ под монтаж своей установки. Для будущего монтажа выбрали небольшого автопроизводителя Terberg Benschop B.V. Так у голландской фирмы появилось в модельном ряду новое специализированное шасси Coil Truck 8х8, укомплектованное двигателем Volvo D13A мощностью 440 л.с., механической коробкой передач ZF 16S2225TO, раздаточной коробкой ZF-Steyr VG2700 и осями фирмы Axle Tech. Для привода колтюбинговой установки используется дополнительный двигатель Volvo PTO.
На этом специальном транспортном средстве между второй и третьей осями шасси располагается длинный монтажный участок, который может приподниматься или опускаться на 400 мм, для чего конструкторы Terberg разместили двигатель и раздаточную коробку над третьим мостом шасси.
Колтюбинговое оборудование фирмы ASEP предназначено для ремонта и очистки сверлением нефтяной скважины максимальной глубиной до 10 км. Для этого в установке предусмотрено использование гибкого трубопровода диаметром 1,25 или 2,38 дюйма, который наматывается на барабан.
Автомобиль Coil Truck может работать в очень жестких дорожных и климатических условиях – при температуре от –40 до +50 °С. Для этого по заказу российских нефтяников транспортное средство сделано в арктическом исполнении.
