Новая концепция бурового станка

Советник исполнительного директора института ООО «СПб-Гипрошахт» А.А. Белинкин

Начальник отдела открытых горных работ института ООО «СПб-Гипрошахт», д. т. н. С.П. Решетняк

Заместитель главного механика рудника «Центральный» ОАО «Апатит» В.С. Пипчак

Зам. начальника бурового участка рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» Е.Л. Перевозчиков

Инженер-проектировщик отдела открытых горных работ института ООО «СПб-Гипрошахт» В.Е. Каира

К вопросу о разработке нового бурового станка

Буровое оборудование, используемое на карьерах России и за рубежом

Сегодня для бурения взрывных скважин на железорудных карьерах России используется около двухсот станков шарошечного бурения, из них порядка ста шестидесяти – производства Воронежского завода УГМК-Рудгормаш, десять станков Ижорского завода и столько же компании Atlas Copco (Атлас Копко), пять – Tamrock (Тамрок) и четыре – Reedrill (Ридрил).

В частности, на карьере ОАО «Михайловский ГОК» применяются станки СБШ-250МНА-32 производства завода Рудгормаш с диаметром бурения 300 мм, в ОАО «Олкон» – станки СБШ-250 производства того же завода и станки DML фирмы Атлас Копко (ранее их выпускала компания Ingersoll-Rand, США). На ОАО «Лебединский ГОК» используются преимущественно станки СБШ-270ИЗ Ижорского завода, в меньшем количестве – СБШ-250МНА-32 завода Рудгормаш и Pit Viper (Пит Вайпер) Атлас Копко (ранее также выпускались компанией Ингерсолл-Рэнд).

На крупных зарубежных карьерах основной объём буровых работ также выполняется шарошечными станками, в то же время достаточно широко используются и лёгкие станки ударного действия [1].

За рубежом буровые станки шарошечного (или вращательного – по их классификации) бурения выпускаются преимущественно фирмами: Atlas Copco (Атлас Копко), Bucyrus (Бюсайрус), Sandvik-Tamrock-Driltech (Сандвик-Тамрок-Дрилтэк), Harnischfeger или P&H (Харнишфегер). Ими созданы станки для вращательного бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром до 560 мм, хотя основным является диаметр до 320 мм.

В конструкциях станков современных моделей наблюдается устойчивая тенденция гидрофикации основных приводов, что обеспечивает меньшую массу, возможность широкого регулирования характеристик, удобство в управлении и сравнительно несложное обслуживание. Зарубежные фирмы предлагают заказчику, как правило, широкий диапазон диаметров бурения, длин и диаметров штанг, возможных глубин бурения (с наращиванием или без наращивания става), мощностей первичного привода, производительностей компрессоров и т. д.

Наиболее популярными производителями универсальных буровых станков легкого и среднего класса являются фирмы Атлас Копко и Сандвик-Тамрок-Дрилтэк. В станках этих компаний применяется единый первичный двигатель (дизельный или высоковольтный электрический), приводящий в действие компрессор и насосную станцию. Последняя обеспечивает работу всех приводов и агрегатов станка, что позволяет обходиться одним оператором. Фирма Атлас Копко выпускает семейство из 9 моделей полностью гидрофицированных станков.

Мнение отдельных специалистов о том, что буровые станки западных производителей существенно эффективнее российских, не подтверждается данными потребителей. Например, эксплуатация буровых станков на ОАО «Гранит-Кузнечное» Ленинградской области (данные за 1-ое полугодие 2005 г.) показала, что себестоимость обуривания 1 м3 горной массы станком СБШ-250МНА-32 1998 г. выпуска на 40% ниже, чем станком ударно-вращательного действия ROC L8 2004 г. выпуска.

Паспортная производительность станков ударно-вращательного действия достигается при бурении крепких монолитных пород и глубине скважин не более 6,5 м. Поскольку на карьерах станки эксплуатируются на трещиноватых породах, их фактическая производительность, как правило, ниже паспортной. При бурении пород трещиноватых, склонных к обрушению, наблюдается осыпание стенок скважины, приводящее к заклиниванию бурового става, иногда к его потере. В таких породах впоследствии возникают проблемы при заряжании скважин небольшого диаметра из-за их перекрытия вывалившимися из стенок скважины кусками пород.

При бурении наклонных скважин буровой став, начиная с глубины 18-20 м, ввиду значительного размера затрубного пространства, искривляется, что приводит к уводу скважины от проектного направления.

По причине необеспеченности запасными частями при использовании импортных станков увеличивается время простоев. Чрезвычайно высока стоимость запасных частей.

Анализ эксплуатации отечественного парка тяжёлых станков вращательного бурения шарошечными долотами показывает, что на крепких породах лучше других зарекомендовал себя СБШ-250МНА-32 производства УГМК-Рудгормаш (г. Воронеж). Данный станок проектировался специально для рудных карьеров. Неоднократные модификации этого станка позволяют ему противостоять моральному устареванию, связанному с давним сроком его конструирования.

Станок СБШ-270ИЗ Ижорского завода отличается от СБШ-250МНА-32 мачтой открытого типа, штангой длиной 11 метров, более мощным компрессором, механизмом передвижения, заимствованным у серийного экскаватора. Он обладает более чем в полтора раза более высокой массой. Станок обеспечивает весьма высокопроизводительную работу при бурении относительно слабых пород за счёт лучшего выноса бурового шлама, сокращения времени вспомогательных операций. Так, годовая производительность станков СБШ-270ИЗ при бурении горных пород крепостью от 2 до 8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова на Бачатском разрезе на 60% выше этого показателя для станков СБШ-250МНА.

Сравнение показателей буровых станков Ижорского и Воронежского заводов, выполненное на ОАО «Лебединский ГОК» при бурении крепких пород (сланцев, кварцито-песчаников и железистых кварцитов крепостью от 5 до 19 по М.М. Протодьяконову), показывает различие в производительности рассматриваемых станков в пределах 8%. Общие среднегодовые затраты на ОАО «Лебединский ГОК» при использовании станков СБШ-250МНА-32 на крепких породах оказались ниже в сравнении с использованием станков СБШ-270ИЗ.

Сравнительные данные использования отечественных и зарубежных буровых станков

Как показывает практика, при бурении крепких пород станки СБШ-250МНА-32 по среднегодовой производительности не уступают зарубежным аналогам.

Таблица 1

ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОАО «АПАТИТ» ЗА 2003 Г.

В целом сложилось мнение, что станки Атлас Копко, Тамрок, Ридрил и других западных фирм более производительны в сравнении с СБШ-250МНА-32 за счёт применения дизельного при-вода, что делает их независимыми от отключения энергии на карьере и даёт выигрыш при переме-щении станка с одного бурового блока на другой. В то же время затраты по энергоносителям по ди-зельным станкам превышают затраты по СБШ-250МНА-32 почти в 6 раз. Кроме того, по данным ЗАО «Полюс» годовая заявка на запчасти в перерасчёте на один станок производства Атлас Копко – 4,75 млн. рублей, на один станок производства Рудгормаш – 1,4 млн. рублей.

Опыт модернизации бурового станка СБШ-250 в ОАО «Апатит»

В последнее время периодически появляются публикации с критикой в адрес отечественных производителей бурового оборудования. В связи с этим следует сказать несколько слов о конструк-тивных особенностях и модернизации буровых станков СБШ-250МНА-32 производства УГМК-Рудгормаш, находящихся в эксплуатации в ОАО «Апатит».
Завод-изготовитель, понимая, что увеличить производительность станка в числе прочего можно за счёт надёжного и качественного изготовления его отдельных составляющих, на протяже-нии последних лет уделил этому особое внимание, наладив обратную связь с потребителями.

В частности: гусеничный ход, изготавливаемый из стали 09Г2С, с модернизированными ре-дукторами и термообработкой поверхности катков ведомых и ведущих колёс не вызывает нарека-ний у эксплуатационников. Претерпела изменения ферма мачты – теперь это надёжный узел, вы-держивающий без появления каких-либо дефектов в элементах конструкции 4-5 лет эксплуатации, многочисленные перегоны и объём бурения по 67-70 тыс. п. м. в год. Модернизированы опорный узел, редуктор вращения и устройство для свинчивания-развинчивания бурового става, сейчас они надёжны в работе, редко выходят из строя. Пневмосистема – у потребителя теперь есть выбор: ком-прессорная установка Казанского компрессорного завода; ОАО «НПАО ВНИИкомпрессормаш», г. Сумы, Украина; Атлас Копко и др.

В 2007 г. специалистами ОАО «Апатит» и УГМК-Рудгормаш совместно была разработана схема гидропривода СБШ-250МНА-32 на основе мобильной гидравлики Rexroth Bosch Group (Рек-срот Бош Групп). Задача была решена без увеличения стоимости гидропривода и с условием ис-пользования отечественного гидравлического масла марки ВМГЗ. Два буровых станка с таким гид-роприводом, а также с двумя сепараторами для возможности шарошечного бурения не только доло-тами диаметром 244,5?250,1 мм, но и 161?171 мм (дополнительный сепаратор оснащён 4-мя штан-гами диаметром 133 мм, длиной 8 м) работают в карьере рудника «Центральный». Первый такой станок введён в эксплуатацию в сентябре 2007 г. За это время не было ни одной поломки или отказа в работе гидроаппаратуры. Характерные особенности модернизированного гидропривода: плав-ность включения операций, отсутствие гидроударов, уменьшение вибрации бурового става во время бурения, значительное снижение шума, наличие так называемого «холостого хода», т. е., когда вы-ключены все гидравлические операции, на минимальных оборотах двигателя насос поддерживает давление в системе на уровне 20-25 атм., прогоняя масло через сливные отверстия гидравлических блоков, тем самым поддерживая их в оптимальном температурном режиме, что при работе в усло-виях холодного климата крайне важно.
Есть у УГМК-Рудгормаш и другие интересные разработки, например: комплексный частот-ный электропривод с использованием частотного преобразователя ATV 71 производства «Шнейдер-Электрик», Франция. Применение частотного регулирования позволяет использовать серийные асинхронные электродвигатели для всех приводов, требующих регулирования механических харак-теристик. Они практически не требуют обслуживания, обеспечивают защиту от перегрузок и пере-грева. СБШ-250МНА-32 с таким электроприводом и возможностью бурить скважины глубиной до 54 м находится в эксплуатации уже год в Хакасии, отзывы – положительные. У импортных произ-водителей буровых станков класса СБШ-250 подобного электропривода, насколько нам известно, пока нет.

В настоящее время в результате совместных обсуждений с УГМК-Рудгормаш заканчивается разработка проекта полностью гидрофицированного СБШ-250 с дизельным приводом. Ожидаемая поставка такого станка в ОАО «Апатит» – III квартал 2009 г. В его комплектацию будут входить: первичный двигатель Cummins QSK19; 4 штанги длиной по 9,85 м; кузов каркасно-платформенного типа; головка бурового снаряда с 2-мя гидромоторами фирмы Рексрот Бош Груп; в кабине машини-ста – контроллер для диагностики и контроля параметров бурения и установленного оборудования; гидропривод станка разработан на основе гидроаппаратов для мобильной техники фирмы Рексрот Бош Груп; компрессорная установка имеет производительность 40 м3/мин при давлении 7 кГс/см2.

Кстати сказать, полностью гидрофицированный буровой станок с дизельным приводом, только классом ниже (СБШ-160/200-40), изготовленный УГМК «Рудгормаш», уже второй год рабо-тает в ОАО «Павловскгранит».

Анализируя опыт эксплуатации бурового оборудования на различных горных предприятиях России и ближнего зарубежья, не трудно убедиться в том, что производительность, указанная в рек-ламных проспектах продавцов импортных буровых станков для открытых горных работ, не всегда подтверждается фактически достигнутыми показателями. А по одному из главных критериев, кото-рым руководствуется потребитель при выборе модели станка, – это стоимость бурения 1 п. м сква-жины, – СБШ-250МНА-32 явно предпочтительнее станков многих зарубежных конкурентов.

Многолетний опыт технического сотрудничества ОАО «Апатит» и УГМК-Рудгормаш имеет конкретные положительные результаты и убеждает нас в том, что специалисты завода готовы не только обсуждать различные варианты конструкции и комплектации бурового станка, который тре-буется отдельному потребителю, но и способны его изготовить.

Сейчас на заводе ведутся разработки по созданию бурового станка ударно-вращательного типа и универсального станка, с возможностью вращательного и ударно-вращательного бурения.

Обоснование целесообразности создания универсального бурового станка для ОАО «Ковдорский ГОК»

В карьере рудника «Железный» уже давно отрабатываются технологии ведения буро-взрывных работ, позволяющие решать вопросы снижения сейсмического воздействия взрывов на законтурный массив, качественного оформления уступов в конечном положении, улучшения дроб-ления трудновзрываемых крупноблочных пород и др. Эти технологии осуществляются, в частности, бурением скважин различных диаметров от 160 до 250 мм [2] и, на наш взгляд, предопределяют но-вую концепцию бурового станка, соответствующую решению объективно возникающих задач в процессе углубления рудных карьеров.

Одной из таких задач является постановка на конечный контур бортов карьера под достаточ-но крутыми углами с целью снижения коэффициента вскрыши.

Для решения этой задачи проводятся следующие работы:

- по всему фронту борта, который ставится в предельное положение, создаются отрезные "ще-ли" (бурятся скважины малого диаметра с последующим взрыванием в них контурных зарядов ВВ);

- для снижения сейсмического воздействия на борт, который ставится в предельное положение, бурение блоков перед "щелью" ведётся скважинами уменьшенного по сравнению с обычными технологическими скважинами диаметра.

В условиях карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» бурение скважин отрез-ных "щелей" производится двумя станками пневмоударного бурения ROC L8 фирмы Атлас Копко с коронкой диаметром 140 мм. Опыт использования шарошечного бурового станка D245S фирмы Дрилтэк на бурении скважин отрезных "щелей" по породам с категориями буримости 15-16 (здесь и далее используется шкала буримости ВНИИБТ) оказался негативным при диаметрах скважин 130-132 мм. Основная причина – отсутствие долот данного диаметра с допустимой осевой нагрузкой 12-14 т.

Постановка бортов карьера рудника "Железный" в конечное положение ведётся преимущест-венно на юго-восточном участке.

Работы ведутся циклично:

- бурение скважин отрезной щели вслед за продвижением экскаваторного забоя. С объёмом бу-рения отрезных "щелей" данные станки справляются;

- обуривание приконтурных блоков. Особенность приконтурных блоков состоит в том, что скважины первого и второго рядов должны буриться долотами диаметром 244,5-250,8 мм для преодоления линии наименьшего сопротивления. Необходимо учесть, что объём бурения уве-личивается (выход горной массы с 1 пог. метра для диаметра 250,8 мм – 32 м3, а у диаметра 165 мм – 16 м3). В жёстких временных условиях любая длительная остановка одного из станков приводит к срыву графика взрыва данного блока, что недопустимо по технологии ведения гор-ных работ в карьере. Возможен выход из этого положения – увеличение парка станков пневмо-ударного бурения, но при этом возникают проблемы в обеспечении фронта работ для этих станков в дальнейшем. При наличии универсального бурового станка, предназначенного для бурения скважин различных диаметров, появляется возможность его использования как для бурения скважин первых двух рядов, так и для бурения скважин последующих рядов блока;

- после обуривания последнего приконтурного блока на данном горизонте наступает перерыв в производстве буровых работ по заоткоске, что связано с выемкой горной массы экскаваторами. Этот период составляет 1,5-2 месяца. В это время необходимо использовать буровые станки ROC L8 на бурении технологических блоков. В карьере рудника "Железный", где имеется большая обводнённость, трещиноватость и наличие зон с тектоническими разломами – это большая проблема.

Еще одна проблема – станками малого диаметра необходимо обуривать два-три последних ряда блока, что при одновременной работе экскаваторов и буровых станков на рабочих горизонтах невозможно.

Объёмы бурения можно проследить по заоткоске горизонта 178 м. Работы велись с апреля по июль 2008 г.

Пробурено для создания контурной щели станками:

- СБШ-250 – 3105 п. м или 16,3%,

- OC L8 – 15912 п. м или 83,7%.

Бурение скважин контурной щели станком СБШ-250 велось из-за дефицита времени.

Пробурено по приконтурным блокам станками:

- СБШ, DML, PV – 12939 п. м. или 40,5%,

- ROC L8, D245S – 18943 п. м. или 59,5%.

Вывод: универсальный буровой станок рационально применять, когда объём буровых работ по проведению заоткоски не постоянен.

Требования к универсальному станку:

- наличие двух сепараторов для двух буровых снарядов разного диаметра. Одновременное нахождение в сепараторах двух буровых снарядов не обязательно. Необходимый буровой снаряд устанавливается по мере необходимости.

- наличие универсального механизма свинчивания для разборки бурового снаряда.

Таблица 2

Суточная производительность буровых станков в карьере рудника "Железный" ОАО «Ковдорский ГОК»

Горно-технические условия, определяющие параметры нового бурового станка

1) высота уступа при работе мехлопат и длина буровых штанг

Высота уступа по Единым правилам безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом не должна превышать:

- максимальную высоту черпания экскаваторов – при разработке одноковшовыми экскаваторами типа «механическая лопата» без применения взрывных работ;

- более чем в 1,5 раза высоту черпания экскаваторов при разработке пород с применением буровзрывных работ при условии разделения развала по высоте на подуступы или разработки специальных мероприятий по безопасному обрушению козырьков и нависей. Данное ограничение обусловлено тем, что в связных и связно-сыпучих породах с неравномерным разрыхлением и обрушением одной волной высота забоя ограничивается, в частности, возможностью сильных ударов обрушающейся массы по ковшу экскаватора и подъёмному канату у блока ковша. Особенно опасна работа при наличии крупных кусков в поперечнике свыше 1,5 м [2].

Наибольшая высота копания для экскаваторов ЭКГ-10 и ЭКГ-12, пользующихся в настоящее время устойчивым спросом, составляет, соответственно, 13,5 и 15 м. При использовании буро-взрывных работ со специальными мероприятиями высота уступа может составлять 20,25 и 22,5 м, соответственно. Высота уступа на железорудных карьерах, как правило, составляет 15 м, высота развала с учётом коэффициента разрыхления – около 21 м. Таким образом, в целях обеспечения безопасности высота уступа 15 м является предельной. В то же время это значение является оптимальным с учётом качества дробления пород, так как рост высоты уступа позволяет увеличить коэффициент использования глубины пробуренной скважины для размещения заряда ВВ [3].

Высота уступа может определяться и другими факторами, связанными, например, с раздельной выемкой пластов угля и междупластий, характером распределения полезных компонентов на карьерах руд цветных металлов, структурно-прочностными показателями пород [2]. При разработке сложно-структурных залежей с целью снижения потерь и разубоживания полезного ископаемого целесообразно принимать добычные уступы высотой 12 м [4]. При добыче угля может производиться разработка высоких уступов.

В общем случае, для бурения вертикальных скважин глубиной 17 м с точки зрения производительности наиболее рациональной является проходка одной (длиной 18 м) или двумя (длиной по 9 м) штангами.

2) минимальный диаметр зарядов взрывчатых веществ (ВВ) и диаметр скважин

Изменение диаметра заряда позволяет контролировать размеры зоны нерегулируемого дробления и является одним и наиболее эффективных регуляторов степени дробления горных пород [3]. Так, взрывание в крупноблочных трудновзрываемых породах может быть наиболее эффективным при использовании скважин уменьшенного диаметра.

Минимальный диаметр зарядов ВВ определяется критическим диаметром детонации взрывчатых веществ, устойчивостью и скоростью детонации ВВ, а также возможностью зарядки механизированным способом. Эксперименты по замерам скорости детонации эмулитов «ВЭТ-700» на ОАО «Ковдорский ГОК» [5] показали возможность надёжной работы со скважинными зарядами диаметром 160-170 мм (станки пневмоударного бурения ROC L8, шарошечного бурения Дрилтэк D245S, могут использоваться также станки шарошечного бурения СБШ-160/200-40).

Опыт карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» свидетельствует о следующих достоинствах бурения скважин уменьшенного диаметра (170 мм):

- улучшилось качество дробления, что важно при последующем измельчении руды и при взрывании крупноблочных вскрышных пород;

- уменьшилось сейсмическое воздействие взрыва, что особенно актуально на приконтурных блоках;

- уменьшилась величина отрыва по верху, что позволяет бурить по первому ряду вертикальные скважины.

Применение скважин большего диаметра по основным рядам позволяет достичь больших производительностей обуривания блоков и больших проходок на долото.

3) параметры взрывания и максимальный диаметр скважин

Данные показатели определяют величину незаряжаемой части скважин и разлёт кусков горной массы, а также сейсмическое воздействие на массив, развал горной массы и неравномерность дробления. Чем больше диаметр скважин, тем больше названные показатели. На железорудных карьерах России преобладает диаметр скважин 244,5?250,8 мм при бурении станком СБШ-250МНА-32. Диаметр 269,9 мм считается увеличенным. С точки зрения производительности бурения и стойкости долот бурение скважин диаметром 300-310 мм представляется целесообразным осуществлять станком СБШ-250МНА-КП каркасно-платформенного типа.

Буровой станок, необходимый для внедрения в производство

С учётом всего вышесказанного, на наш взгляд, назрела необходимость разработки и применения на карьерах универсального бурового станка со следующими характеристиками:

- с электрическим приводом (дизельный – как вариант, исполняемый по заказу);

- с бурением шарошечными долотами скважин диаметром 160-270 мм и пневмоударником скважин диаметром 170 мм. Ограничение максимального диаметра скважин 250-270 мм обусловлено тем, что увеличение диаметра бурения утяжеляет буровой станок и приводит к нецелесообразности бурения скважин уменьшенного диаметра;

- с бурением скважин на 15-метровых уступах двумя штангами;

- с бурением скважин диаметром 170-200 мм по последним рядам на вскрыше, на приконтурных блоках и по всем рядам на руде;

- с бурением скважин диаметром 250-270 мм по основным рядам на вскрыше.

Фотографии буровых станков УГМК Рудгормаш:

СБШ-160/200-40, разрез ОАО «Сибирский антрацит»

СБШ-160 - 200-40Д, карьер ОАО «Павловскгранит»

СБШ-250МНА-32, карьер ОАО «Стойленский ГОК»

СБШ-250МНА-32КП, карьер ОАО «Михайловский ГОК»

Литература:

1. Решетняк С.П. Перспективы развития основного технологического оборудования для открытых горных работ. В кн.: Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства северо-запада России, ч. 2. Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 2001, С. 5-25.

2. Беляков Ю.И. Проектирование экскаваторных работ. М., Недра, 1983.

3. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ, ч. 1. Разрушение горных пород взрывом. М., изд. «Горная книга», 2007.

4. Справочник «Открытые горные работы». М., изд. «Горное бюро», 1994, 591 с.

5. Совершенствование технологии буровзрывных работ на предельном контуре карьеров // В.А. Фокин, Г.Е. Тарасов, М.Б. Тогунов, А.А. Данилкин, Ю.А. Шитов. - Апатиты, изд. Кольского научного центра, 2008, 226 с.