Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,
6.1. Обоснование экономической эффективности применения адаптивных ВПО при бурении шарошечными долотами сложноструктурных породных массивов
Проблема оценки эффективности функционирования системы «буровой станок – шарошечное долото – горная порода» в горной отрасли связана с взаимодействием большого количества элементов. Буровые станки представляют собой сложные агрегаты, состоящие из узлов и механизмов, объединенных целевым назначением. Основными системами, отвечающими за процесс бурения, являются: вращательно-подающий механизм, мачта, энергетическая система и двигатели различного назначения, буровой став и буровой инструмент. Все указанные системы помимо выполнения определенной функции объединены общим назначением передавать механическую энергию для разрушения горной породы в забое скважины.
Эффективность функционирования буровых станков может оцениваться с точки зрения максимальной надежности, максимальной производительности и оптимального соотношения этих параметров [2]. Оценка надежности позволяет увеличить ресурс бурового станка, межремонтный период и снизить затраты на ремонт и эксплуатацию. Для объективной оценки надежности необходимо исследовать условия эксплуатации, диагностировать техническое состояние и моделировать отказы буровых станков. Оценка производительности позволяет максимально эффективно использовать время работы бурового станка. Для этого необходимо эффективно регулировать режимы бурения.
Для оценки эффективности функционирования бурового станка необходимо рассматривать множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих разнотипных систем. В данных условиях сложная система образована при взаимодействии всех систем бурового станка, предназначенных для бурения, и горной породы. Со стороны бурового станка особое влияние на процесс оказывают усилие подачи и частота вращения рабочего органа, а также устройство и свойства материалов бурового инструмента. Со стороны горной породы наибольшую значимость имеют прочностные характеристики, которые могут выражаться через показатель буримости [46], а также структура массива горной породы. Массив горной породы может характеризоваться такими свойствами, как трещиноватость, слоистость и другие нарушения однородности горной породы. Проходка буровым инструментом границ или областей с изменяющимися физико-механическими свойствами неизменно сопровождается ударами и толчками. Непрогнозируемые ударные нагрузки, как правило, не приводят к увеличению скорости бурения, но при этом негативно сказываются на ресурсе бурового инструмента и бурового станка в целом. В условиях неопределенности и неполной информации о свойствах породы при моделировании процессов необходимо использовать среднестатистические данные, включающие показатель буримости и его изменение, количество и размеры областей с изменяющимися физико-механическими свойствами на погонный метр скважины.
Представленная в данной главе методика позволяет проанализировать соотношение производительности бурового станка шарошечного бурения и ресурса бурового долота при бурении пород, характеризующихся различными показателями буримости, количеством и размером трещин и слоев породы с различными физико-механическими свойствами.
С использованием разработанной методики построено несколько зависимостей для пород со средним показателем буримости Пб – 10, 15, 20, значительно отличающихся по трещиноватости и слоистости [12]. Вертикальными линиями разграничены участки кривых, соответствующие усилию подачи бурового става, в диапазоне, рекомендуемом заводом-изготовителем для шарошечных долот типа ОК-ПВ.
На рис. 6.1 видно, что в пересчете на скорость бурения диапазон значительно отличается при различных показателях буримости Пб. При анализе кривых при изменении количества трещин и слоев горной породы значительно изменяется стойкость долот. С экономической точки зрения, более оправданным является использование следующего соотношения:
(6.1)
где S – удельные затраты на бурение, руб./м; Cд – стоимость долота, руб; tв – удельные затраты времени на вспомогательные операции, мин/м; γ – стоимость машино-часа производственной работы бурового станка, выраженная соотношением γ = A/(Tc·η); А – стоимость машино-смены, руб.; Тс – продолжительность смены, ч; η – коэффициент эффективного использования станка в течение смены. Для выполнения условия S → min необходимо найти дифференциал dS/dT = 0.
а б в
Рис. 6.1. Зависимости стойкости шарошечных долот, скорости бурения и усилия подачи бурового става: а – Пб = 10; б – Пб = 15; в – Пб = 20. (Характеристики породы для кривых:1 – nсл = 0, nтр = 0; 2 – nсл = 10, ΔПб = 2, nтр = 0; 3 – nсл = 10, ΔПб = 4, nтр = 0; 4 – nсл = 20, ΔПб = 2, nтр = 0; 5 – nсл = 0, nтр = 10; 6 – nсл = 20, ΔПб = 4, nтр = 0; 7 – nсл = 10, ΔПб = 2, nтр = 10; 8 – nсл = 10, ΔПб = 4, nтр = 10; 9 – nсл = 20, ΔПб = 2, nтр = 10; 10 – nсл = 0, nтр = 20; 11 – nсл = 20, ΔПб = 4, nтр = 10; 12 – nсл = 10, ΔПб = 2, nтр = 20; 13 – nсл = 20, ΔПб = 4, nтр = 10;
14 – nсл = 20, ΔПб = 2, nтр = 20; 15 – nсл = 20, ΔПб = 4, nтр = 20)
Отсюда соотношение стойкости долота и скорости бурения для оптимальной эффективности функционирования технической системы «буровой станок – шарошечное долото – горная порода» найдем по формуле
(6.2)
где v0 – начальная скорость бурения, м/ч; φ – коэффициент интенсивности падения скорости бурения во времени вследствие изнашивания долота, ч–1.
Для нахождения численного значения удельных затрат на бурение скважины в массиве породы с определенными свойствами, необходимо определить стойкость долота, которым предполагается бурить скважину в данном горном массиве. С учетом приведенных выше расчетных методик, выражение для определения стойкости шарошечного долота будет выглядеть следующим образом.
После упрощения
Если принять, что σ–1 = 0,5σв, то выражение примет вид:
После подстановки выражений, показывающих напряжения при различных условиях нагружения,
С помощью уравнения скорости бурения [46] выразим усилие, приходящееся на один подшипник качения шарошки, через скорость бурения
Тогда стойкость долота
(6.3)
В качестве критерия оценки эффективности работы шарошечного долота и всего технологического процесса бурения (включая режимные параметры) принимаются эксплуатационные затраты на бурение 1 м скважины (6.4), которые выражаются известной формулой [53].
(6.4)
где S – удельные затраты на бурение, руб./м; А – стоимость машино-смены работы бурового станка без учета затрат на буровой инструмент, руб./см; tв – удельные затраты времени на вспомогательные машинные операции, мин/м; tc – время смены, мин; η – коэффициент эффективного использования станка в течение смены (обычно составляет η = 0,75–0,85); Сд – стоимость долота, руб.
В условиях Мазульского изветнякового рудника ОАО Русал-Ачинск: стоимость машино-смены работы бурового станка без учета затрат на буровой инструмент А = 120 000 руб./см; удельные затраты времени на вспомогательные машинные операции tв = 0,013 ч/м; время смены
tc = 8 ч; коэффициент эффективного использования станка в течение смены составляет η = 0,8; стоимость шарошечных долот III 244,5-ТКЗ отечественных заводов-изготовителей составляет в среднем Сд = 34 000–46 000 руб. Для ориентировочных расчетов принимается Сд = 40 000 руб.
После определения стойкости долота при помощи выражения (6.3) и подстановки всех данных в формулу (6.4), можно найти удельные затраты на бурение горных массивов, характеризующихся различными показателями буримости, слоистостью и трещиноватостью. Данный экономический показатель в полной мере отражает эффективность эксплуатации буровой техники в условиях существующего предприятия при бурении конкретных горных массивов. На рис. 6.2 показаны расчетные зависимости удельных затрат на бурение породы с разными режимными параметрами. Расчетные зависимости и представленная методика позволяют выбирать режимы работы бурового станка при бурении той или иной породы.
Рис. 6.2. Зависимости удельных затрат на бурение скважин шарошечными долотами от усилия подачи рабочего органа бурового станка в условиях Мазульского известнякового рудника ОАО Русал-Ачинск
Подводя итог, можно отметить необходимость применения данной методики для определения рекомендуемых значений соотношения стойкости шарошечного долота и скорости бурения, соответствующего оптимальной эффективности функционирования технической системы «буровой станок – шарошечное долото – горная порода». В свою очередь значения стойкости долота и скорости бурения должны контролироваться в постоянном режиме с учетом изменяющихся свойств горной породы.
Применение приведенной методики и учет данных рекомендаций позволят повысить эффективность функционирования системы «буровой станок – шарошечное долото – горная порода» и снизить эксплуатационные затраты при оптимальной производительности в условиях непрогнозируемых изменяющихся и ударных нагрузок.
При помощи построенных характеристик (рис. 6.2), рассчитанных по формулам (5.14) и (5.15) оптимальной частоты вращения и допустимого осевого усилия можно найти определенную точку оптимального режима бурения, которому соответствуют минимальные удельные затраты. Фактически затраты всегда будут превышать минимальные, но оптимизируя режимные параметры с использованием адаптивного ВПО и системы управления, удельные затраты будут стремиться к минимальным.