2.2 Расчет параметров шарошечного бурения

В связи с многообразием механических и абразивных свойств горных пород и руд на карьерах применяется широкий набор типов шарошечных долот. Правильный выбор типа шарошечного долота обеспечивает увеличение его стойкости и скорости бурения.

Для бурения мягких, мягких с прослойками средней крепости, мягких абразивных с включениями пропластков средней крепости (f  6) пород применяют трехшарошечные долота типов М, МС, МЗ и МСЗ, допускающие удельные осевые усилия 0.2  p_ос  0.6 в меганьютонах на один метр диаметра долота. Для бурения пород средней крепости (f  8) используют долота типов С, СТ и СТЗ с 0.3  p_ос  0.8, МН/м, твёрдых (f = 8...12) - долота типов Т, ТК, ТЗ и ТКЗ с 0.7  p_ос  1.5, МН/м, для крепких абразивных и самых крепких абразивных (f = 12...18) - долота типов К и ОК с 0.9  p_ос  2.0, МН/м.

Для бурения взрывных скважин на карьерах в основном используют шарошечные долота типов ОК, ТК и Т.

Зубья шарошек (вооружение) долот МЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К и ОК выполняются в виде запрессованных в тело шарошек твердосплавных штырей с клиновидными (МЗ, СЗ и ТЗ) или сферическими (К и ОК) рабочими поверхностями. Долота типа ТКЗ имеют чередующиеся клиновые и сферические штыри, а типа ТК - комбинированное вооружение, состоящее из чередующихся твердосплавных зубьев с полусферическими головками, запрессованных в тело шарошки, и выфрезерованных в ней зубьев, наплавленных твёрдым сплавом. Шарошки долот Т, СТ, М, МС имеют только выфрезерованные зубья, наплавленные зерновым твёрдым сплавом.

Рациональная область применения долот приведена в табл. 2.1.

Потребное осевое усилие (усилие подачи), Н, с достаточной для инженерных расчётов точностью может быть определено по эмпирической зависимости

Р_ос  (6…7)10⁴fD, (44)

где D - диаметр долота, м.

Осевое усилие может быть определено из выражения

Р_ос = p_ос  D, (45)

где р_ос - допускаемое удельное усилие на 1м диаметра шарошечного долота, Н/м, устанавливаемое для каждого типа долота (см. выше).

Частота вращения шарошечного долота обычно принимается равной 80...150 мин^-1, иногда 300 мин^-1. Меньшие значения принимаются для крепких пород и больших диаметров долот, а большие значения частот вращения - для средней крепости пород и меньших значений диаметра (табл. 2.2).

С увеличением частоты вращения бурового става скорость бурения повышается, но вместе с этим возрастает износ долота.

Скорость бурения V_Б, м/мин, определяется по одной из нижеприведённых эмпирических формул:

(46)

или

(47)

Механическая скорость бурения шарошечным долотом диаметром D, м, с осевым усилием Р_ос, Н, и частотой вращения п, мин^-1, может быть подсчитана по эмпирической зависимости

(48)

Крутящий момент М, Нм, для преодоления сил сопротивления при скалывании породы штырями шарошечного долота с учетом сил трения в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины определится из выражения

(49)

Таблица 2.1

Рациональные области применения долот второго поколения

(по данным ВНИИБТ)

Долото	Горные породы	Коэффици-ент крепости	Диаметр долота
С и СТ	Неабразивные горные породы ниже средней и средней твердости: плотные глины, гипс, алевролиты, соли, мергели, углистые и глинистые сланцы, рыхлые известняки и т.п.	6	190, 214
Т	Неабразивные и малоабразивные твердые горные породы: амфиболовые сланцы, аргиллиты, песчанистые сланцы, твердые известняки, слабые доломиты, фосфатные руды, опоки и т.п.	6-8	145, 190, 214, 243
ТК	Малоабразивные твердые горные породы с пропластками крепких пород и руд: твердые известняки с пропластками угля, малокристаллические известняки с пропластками доломитами и т.п.	8-10	190, 214, 243
ТЗ	Вязкие абразивные твердые горные породы: апатит-нефелиновые руды, доломитизированные известняки и плотные доломиты, разрушенные граниты, габбро и диориты, магнезиты	8-14	190, 214, 243
ТКЗ	Перемежающиеся абразивные твердые, вязкие, крепкие и хрупкие горные породы и руды: окварцованные доломитизированные известняки с прослоями рыхлого кварцита, кварцевые сланцы и т.п.	8-14	190, 214
ОК	Абразивные хрупкие крепкие и очень крепкие горные породы и руды: гранит, скарны, кварциты, диориты, джеспелли-ты, крепкие песчаники и т.п.	16	76, 97, 112, 145, 190, 214, 269, 320

где _ск - предел прочности породы на скалывание, Па (табл. 1.4 книги [2] или прил.3);

V_б - механическая скорость бурения, определяемая по одному из эмпирических выражений;

К_тр  1.15 - коэффициент, учитывающий трение в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважин;

Таблица 2.2

Параметры режима бурения долотами второго поколения

Диаметр долота, мм	Наружный диаметр бурильных труб, мм	Осевая нагрузка на долото, кН		Частота вращения, с^-1		Расход продувочного агента
						с продувкой воздухом, м^3с		с промывкой водой, дм^3с
		С, СТ, Т, ТК	ТЗ, ТКЗ, К, ОК	С, СТ, Т, ТК	ТЗ, ТКЗ, К, ОК	С, СТ, Т, ТК	ТЗ, ТКЗ, К, ОК
76	63.5	25-30	35-40	3.00-4.17	2.00-2.50	0.15	0.07-0.08	1.0
97	73.0	35-40	50-60	3.00-4.17	2.00-2.50	0.15	0.10	1.0
112	89.0	50-60	70-90	3.00-4.17	2.00-2.50	0.15	0.15	2.0
145	89.0-114.0	60-80	100-120	3.00-4.17	2.00-250	0.20	0.17	3.3
190	152.0	140-160	180-220	2.50-3.30	1.33-2.50	0.25-0.30	0.25	-
214	180.0	180-200	220-250	2.50-3.30	1.33-2.50	0.33-0.37	0.25-0.30	-
243	203.0	220-250	250-280	2.50-3.30	1.33-2.50	0.44-0.53	0.40-0.44	-
269	219.0	250-300	300-350	2.50-3.30	1.33-2.50	0.58-0.67	0.50-0.580	-
320	273.0	-	до 500	-	1.33-2.50	-	до 1.00	-

Примечание: 1. Верхние пределы осевых нагрузок соответствуют нижним пределам частот вращения.

2. В крепчайших горных породах частоту вращения следует снижать до 1 с^-1.

К_ск  0.5 - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями.

Мощность N, Вт, двигателя вращателя:

(50)

где  - угловая скорость вращения долота, рад/с;

 = 0.65 - КПД передачи трансмиссии вращателя.

Расход воздуха W_в, м³/мин, на продувку скважины от буровой мелочи зависит от объема выбуриваемой породы V_n, м³/мин., и удельного расхода  воздуха, потребного на 1 м³ буровой мелочи:

(51)

где V_Бmах - максимальная механическая скорость бурения, м/мин;

D - диаметр скважины, м;

 - удельный расход воздуха, равный 80...150 м³/м³.

Подача компрессоров бурового станка выбирается в 2-3 раза больше, чем расход воздуха W_в, рассчитанный по формуле, в связи с возможными большими утечками воздуха по трещинам при бурении трещиноватых пород.

Стойкости шарошечных долот L_д, м, определяются по корреляционным зависимостям влияния коэффициента крепости f буримых пород и руд на них (табл. приведена ниже).

Диаметр скважин, мм	Стойкость шарошечного долота, м
190	713.1 - 82.5 f + 2.4 f
214	756.7 - 90.9 f + 2.9 f
243	597.8 - 61.5 f + 1.8 f
320	847.8 - 69.8 f + 1.5 f

Большинство зубчатых долот в породах с показателями f = 8…12 выходят из строя из-за низкой стойкости вооружения, средняя стойкость долот не превышает 120...170 м. Штыревые долота при бурении пород с f = 13...14 выходят из строя из-за заклинивания подшипниковых опор, средняя стойкость долота - 80...120 м. В более крепких породах стойкость долот - 45...70м.