Проектирование рабочих органов и режимных параметров буровых станков для сложноструктурных горных массивов

А. В. Гилев
А. О. Шигин
В. Д. Буткин

Монография

Институт горного дела, геологии и геотехнологий

прОектирОВАние 
рАБОчих ОрГАнОВ и режимных
пАрАметрОВ БурОВых стАнкОВ
Для слОжнОструктурных
ГОрных мАссиВОВ

В работе рассматривается современное состояние буровой 
техники различных типов для бурения взрывных скважин 
на карьерах. исследуются особенности работы буровых 
станков вращательного бурения и их исполнительных органов при бурении сложноструктурных породных массивов. 
Анализируются проблемы разрушения и низкого ресурса 
рабочего инструмента, а также нагрузки, действующие на 
него при бурении технологических скважин. Оценивается 
напряженное состояние рабочего инструмента при использовании различных систем подачи, шарошек при возникновении ударных нагрузок и шарошечного долота разборной 
конструкции, а также элементов вращательно-подающего 
механизма. разработаны принципы и механизм управления режимами бурения технологических скважин буровыми станками. исследуются характеристики электрических 
машин с целью применения в качестве привода подачи и 
привода вращения. разработан адаптивный электромагнитный механизм подачи рабочего органа бурового станка 
на основе линейного двигателя постоянного тока и линейного асинхронного двигателя. исследованы режимы рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода 
вращательно-подающего механизма бурового станка.

Проектирование рабочих органов и режимных параметров
буровых станков для сложноструктурных горных массивов

А. В. Гилев
А. О. Шигин
В. Д. Буткин

9 785763 825695

ISBN 978-5-7638-2569-5

Предисловие 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. В. Гилев, А. О. Шигин, В. Д. Буткин 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
РАБОЧИХ ОРГАНОВ  
И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ  
БУРОВЫХ СТАНКОВ  
ДЛЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ  
ГОРНЫХ МАССИВОВ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2012 

Предисловие 
 

2 

УДК 622.242 
ББК 33.131.5 
        Г471 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
А. Г. Михайлов, д-р техн. наук, проф, гл. науч. сотрудник ИХХТ СО 
РАН; 
И. В. Зырянов, д-р техн. наук, заместитель директора по научной 
работе Научно-исследовательского и проектного института алмазодобывающей промышленности «ЯКУТНИПРОАЛМАЗ» 
 
 
Гилев, А. В. 
Г471          Проектирование рабочих органов и режимных параметров буровых станков для сложноструктурных горных массивов : монография / А. В. Гилев, А. О. Шигин, В. Д. Буткин. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2012. – 320 с. 
 
ISBN 978-5-7638-2569-5 
 
В работе рассматривается современное состояние буровой техники различных типов для бурения взрывных скважин на карьерах. Исследуются особенности работы буровых станков вращательного бурения и их исполнительных 
органов при бурении сложноструктурных породных массивов. Анализируются 
проблемы разрушения и низкого ресурса рабочего инструмента, а также нагрузки, действующие на него при бурении технологических скважин. Оценивается 
напряженное состояние рабочего инструмента при использовании различных 
систем подачи, шарошек при возникновении ударных нагрузок и шарошечного 
долота разборной конструкции, а также элементов вращательно-подающего механизма. Разработаны принципы и механизм управления режимами бурения 
технологических скважин буровыми станками. Исследуются характеристики 
электрических машин с целью применения в качестве привода подачи и привода 
вращения. Разработан адаптивный электромагнитный механизм подачи рабочего 
органа бурового станка на основе линейного двигателя постоянного тока и линейного асинхронного двигателя. Исследованы режимы рабочего процесса адаптивного электромагнитного привода вращательно-подающего механизма бурового станка. 
Предназначено для студентов направления 130100 «Горное дело», специализации 130400.65.00.09 «Горные машины и оборудование». 
 
УДК 622.242 
ББК 33.131.5 
 
ISBN 978-5-7638-2569-5                                                             © Сибирский федеральный  
                                                                                                           университет, 2012 

Предисловие 
 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 

Базисом всего промышленного производства является горная отрасль, осуществляющая добычу полезных ископаемых и обеспечивающая 
сырьевые потребности не только России, но и других стран. Основные 
объемы горной массы подготавливаются к выемке буровзрывным способом, одним из главных производственных процессов которого является 
бурение взрывных скважин. 
Бурение скважин производят не только в горной отрасли. Большие 
буровые работы ведут нефтегазовые и строительные предприятия. 
В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят 
60–70 млн м, освоение которых при устаревших существующих способах 
бурения потребует списочного состава буровых станков более 2 тыс. ед. и 
годового расходования 160–200 тыс. бурового инструмента. Ежегодные 
эксплуатационные затраты могут достигнуть более 6 млрд руб., из которых 
примерно 60–65 % составят буровые долота. 
Самым ответственным, дорогостоящим, высоконагружаемым и изнашиваемым звеном бурового станка является буровой орган с вращательно-подающим механизмом. Система «буровой орган – вращательноподающий механизм» за последние десятилетия практически не изменяется и 
не совершенствуется. В связи с этим рост производительности бурового оборудования практически прекратился и происходит непрерывное значительное увеличение затрат на буровые работы, приходящиеся на  одну скважину. 
Буровой орган, состоящий из буровых штанг и бурового инструмента, определяет способ бурения скважин в соответствии со свойствами горных пород, которые изменяются в широком диапазоне даже в пределах 
обуреваемого блока. Производительность станка и стойкость бурового инструмента в этом случае в огромной степени зависит от режима бурения. 
Однако режим бурения, прежде всего, определяется типом и характеристикой вращательно-подающего механизма, обеспечивающего и своевременно регулирующего скорость вращения и усилие подачи. 
Современные буровые станки имеют следующие типы механизма 
подачи бурового органа на забой скважины: гидравлический, канатный, 
канатно-гидравлический, цепной. В подавляющих случаях указанные механизмы усилия подачи на буровой инструмент, при изменяющихся физико-механических свойствах горных пород (в первую очередь – крепости), 
регулируют ступенчато. Часто значения этого усилия не соответствуют 
требуемым параметрам, что приводит к резкому снижению стойкости бурового инструмента и преждевременному выходу его из строя. 

Предисловие 
 

4 

Выявленная проблема поставила задачу создания адаптивных механизмов подачи бурового става на забой скважины, обеспечивающих своевременное и плавное регулирование режимов процесса бурения, что создаст 
наиболее эффективную работу бурового инструмента, повысит его стойкость 
и снизит удельные затраты на процесс бурения технологических скважин. 
Объектом исследований в данной работе являются техника и технология бурения скважин на горных, земляных и строительных работах. 
Предметом исследований выступают рабочие буровые органы (буровой став и породоразрушающий инструмент) и механизмы управления режимами бурения – исполнительные механизмы (вращательно-подающий             
и шламоудаления). 
Работа имеет прикладной характер в области таких научнотехнических исследований, горное машиностроение, машины и оборудование для открытых горных работ, горное машиностроение, рабочий инструмент горных машин. 
Целью научного исследования является разработка адаптивной системы подачи рабочих органов буровых станков, обеспечивающих повышение производительности буровых работ и стойкости бурового инструмента 
за счет управления режимами бурения в зависимости от изменяющихся 
физико-механических свойств горных пород. 
К задачам научного исследования относятся следующие: 
● анализ проблем при использовании существующих систем подачи 
рабочих органов буровых станков; 
● разработка линейного электромагнитного двигателя для системы 
подачи рабочего органа бурового станка; 
● разработка лабораторного стенда для испытания и снятия характеристик линейного электромагнитного двигателя, предлагаемого для подачи 
бурового органа; 
● сравнение технических характеристик и технико-экономических 
показателей линейного электромагнитного двигателя с показателями существующих систем подачи рабочих органов буровых станков; 
● оценка ресурса рабочего инструмента при использовании электромагнитной системы подачи бурового органа в сравнении с существующими системами на буровом станке; 
● разработка системы управления режимами бурения применительно 
к изменяющимся физико-механическим свойствам горных пород при использовании электромагнитной системы подачи бурового става. 
Расчеты напряженно-деформированного состояния бурового инструмента осуществлялись совместно с канд. техн. наук, доцентом С. В. Дорониным (ИВМ СО РАН). 

1.1. Объемы и способы бурения на карьерах 
     

5 

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ  
БУРОВОГО  ОБОРУДОВАНИЯ  
ДЛЯ  ОТКРЫТЫХ  ГОРНЫХ  РАБОТ 
 
 
1.1. Объемы  и  способы  бурения  на  карьерах 
 
Соотношение различных способов бурения зависит от многих факторов (горнотехнических, экономических), но главным образом от горногеологических условий и коэффициента крепости горных пород, значения 
которого (по шкале М. М. Протодьяконова) для вскрышных массивов на 
разрезах угольной промышленности России представлены в табл. 1.  
В табл. 2 приведены ориентировочные данные ИГД им. А. А. Скочинского о распределении обуриваемой горной массы по крепости горных 
пород на карьерах СССР в доперестроечный период.  
 
 
Таблица 1 

Соотношение вскрышных пород с различными прочностными свойствами  
на  разрезах угольной промышленности  России 

Характеристика        
горных пород 

Коэффициент 
крепости f 

Соотношение вскрышных пород различной        
крепости  на основных угольных разрезах 
Востока России, % 

Кузбасс 

Канско-Ачинский
и Минусинский 
бассейны 

ЮжноЯкутский 
бассейн 

ВосточноСибирский 
бассейн 

Четвертичные 
отложения 
Алевролиты и аргиллиты 
Песчаники: 
крупнозернистые 
среднезернистые 
мелкозернистые 
Конгломераты, галечники, крепкие известняки 

 
– 
 
3–6 
 
3–5 
6–8 
8–12 
 
 
8–16 

 
16 
 
15 
 
5 
11 
31 
 
 
22 

 
6,3 
 
57,4 
 
3,8 
11,2 
21 
 
 
0,3 

 
7 
 
10,5 
 
18,1 
22,8 
38,6 
 
 
3 

 
32 
 
25 
 
20 
2 
18 
 
 
3 

Всего: 
 
100 
100 
100 
100 

1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ 
 

6 

Таблица 2 

Распределение обуриваемой горной массы по крепости горных пород, % 

Отрасль промышленности 
Коэффициент крепости горных пород f 

до 5 
5–10 
10–15 
15–20 

Угольная промышленность 
Железорудная промышленность 
Цветная металлургия 
Промышленность нерудных полезных ископаемых 

54–66 
5–13 
5–16 
 
6–10 

24–34 
30–36 
44–51 
 
33–35 

10–15 
37–54 
20–5 
 
48–51 

2–3 
10–16 
14–19 
 
8–9 

 
Из табл. 1, 2 следует, что на угольных разрезах более 60 % объема 
буримых пород характеризуются коэффициентом крепости f  ≤ 7, при бурении которых наиболее высокие технико-экономические показатели 
имеют долота режущего действия (РД). Однако практически на угольных 
разрезах долотами РД выполняется лишь 30–35 % объема буровых работ, а 
остальные 65–70 % – шарошечными долотами. В других отраслях промышленности, где применяют буровые работы, доля использования РД 
еще меньше. 
Устранение диспропорции между соотношением применяемых долот 
по типам (ШД, РД, и др.) и соотношением объемов разрабатываемых пород 
по крепости только по разрезам угольной промышленности позволяет повысить среднюю производительность буровых станков со 182 до 280 м/см 
(рис. 1) и снизить стоимость бурения 1м скважины более чем в 1,5 раза, 
что характеризуется экономией материальных и энергетических ресурсов 
по отрасли на несколько миллиардов рублей. 
Эти данные показывают возможность значительного расширения 
объема бурения резанием и повышения технико-экономических показателей буровых работ при более высоком уровне качества долот режущего 
действия. 
В настоящее время определить объемы бурения на карьерах России 
можно лишь приближенно. После распада СССР и перехода к рыночной 
экономике масштабы добычи угля и других полезных ископаемых открытым способом существенно снизились, но в настоящее время достаточно 
быстро восстанавливаются. Значительные объемы добычи цветных металлов, железных руд и угля остались в Казахстане (ССГОК, Экибастузский бассейн и др.), Средней Азии и Украине (Криворожский и другие 
бассейны).  
Вместе с тем основные районы угледобычи находятся на Востоке 
России и в них происходит наращивание объемов, особенно в Кузбассе, 
где в ближайшие 5–7 лет объемы бурения на разрезах превысят 12–13 млн м.  

1.1. Объемы и способы бурения на карьерах 
     

7 

В Канско-Ачинском и Минусинском бассейнах, кроме разрезов «Бородинский» и «Изыхский», на которые приходились основные объемы буровых работ, возникли 27 новых развивающихся малых разрезов. С учетом 
Кайерканского разреза (Норильский ГМК), Каа-Хемского (Республика Тыва) 
и других в этом регионе Центральной Сибири объемы бурения приближаются к доперестроечному периоду. В этом же регионе значительное развитие получили карьеры по добыче золота из коренных месторождений 
(Олимпиадинское и др.), магнезитов, свинцово-цинковых, молибденовых и 
других руд, а также сырья для алюминиевых заводов.  
 

 
 
Рис. 1. Графики повышения производительности и снижения стоимости буровых работ на разрезах при увеличении объемов бурения долотами режущего действия 
 
Практически не уменьшились и в настоящее время увеличиваются 
объемы бурения на алмазодобывающих карьерах Якутии.  
В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят   
60 млн м скважин, освоение которых при существующих устаревших средствах бурения потребует списочного состава буровых станков (БС) более 
1500 ед. и расходования в год 160–200 тыс. буровых инструментов (БИ). 
Ежегодные эксплуатационные затраты могут достигнуть 6 млрд руб., из 
них примерно 60–65 % составят затраты на БИ. 
 
При этом в последнее время преобладает использование долот диаметром 244,5 мм, в меньшей степени – диаметрами 269,9; 320 и 190–215,9 мм 
(угольные разрезы). Шарошечные долота диаметром 140–161 мм не имеют 

40 

Q, % 

Пб, м/см 
S, руб/м 

35 

45 

180 

220 

260

2 
1 

40
20 
0 
60
80

1. Совершенствование бурового оборудования для открытых горных работ 
 

8 

больших перспектив из-за малой стойкости опор и неконкурентоспособности по сравнению с режуще-ударным инструментом (РУИ) в крепких породах и режущими долотами в некрепких породах.  
Соотношение различных способов бурения будет изменяться, их выбор будет определяться горнотехническими факторами и экономическими 
показателями. Решающее значение при этом имеет не только крепость пород, но и требуемый диаметр скважин, зависящий от блочности (трещиноватости) взрываемых горных массивов и рациональности вида используемого взрывчатого вещества.  
До перестроечного периода в СССР объем бурения на карьерах составлял около 60 млн м скважин в год, из них на угольных разрезах около 
27–28  млн м в год, на карьерах по добыче нерудных полезных ископаемых 
(горно-химическое и горно-металлургическое сырье, строительные материалы и др.) около 15–17 млн м [4]. В 1987 г. на угольных разрезах              
18,5 млн м скважин было пробурено станками шарошечного бурения         
и   9,5 млн м – станками шнекового бурения [1]. В Кузбассе в 1990 г. объем 
бурения составлял 11,445 млн м. Примерное распределение объемов бурения по крепости горных пород, по опытным и расчетным данным, приведенным к условному диаметру скважин 220 мм, приведено в табл. 3.              
 
Таблица 3 

Динамика изменения объемов бурения на карьерах 

Годы 
Объем бурения, млн м 

Всего 
В том числе породы  с коэффициентом крепости f 

до 5 
5–10 
10–15 
15–20 

1970 
1980 
1985 

44,8 
57,7 
60,0 

7,7 
11,9 
12,0 

15,0 
20,2 
22,0 

15,5 
18,2 
18,5 

         6,5 
7,4 
7,5 

 
Характерно, что объемы бурения (табл. 3) по породам с коэффициентом крепости f  = 5–20 составляют около 80 %, что соответствует доле шарошечного бурения на карьерах в тот период. 
С учетом отмеченных изменений ориентировочные расчетные данные об ожидаемых (к 2005–2010 гг.) на карьерах России объемах бурения, 
расходах шарошечных долот и затратах на них приведены в табл. 4. 
Как следует из табл. 4, на карьерах расходуется ежегодно около      
80 тыс. шарошечных долот с годовыми затратами более 2 млрд руб.  
В угольной промышленности в свое время наряду с бурением резанием и шарошечным использовался ударно-вращательный способ бурения 
станками Урал-61 (Южный Кузбасс, Минусинский бассейн и др.).  

1.1. Объемы и способы бурения на карьерах 
     

9 

Таблица 4  

Показатели бурения на карьерах России в 2005–2010 гг. 

Группы карьеров 

Объемы бурения, млн. м 
Средняя
стоимость 
шарошечного 
долота, 
тыс. руб.

Средняя 
стойкость 
шарошечного 
долота,
м 

 
Средний 
годовой 
расход 
шарошечных 
долот, 
тыс. шт. 
 

Годовые 
затраты 
на шарошечные 
долота, 
млрд руб.

Всего 

В том 
числе шарошечными долотами 

Угольные карьеры 
Карьеры цветных металлов, 
железорудные и алмазодобывающие 
Карьеры по добыче нерудных полезных ископаемых 
(горно-химическое и металлургическое сырье, 
строительные материалы 

17 
 
 
11 
 
 
 
 
12 

9 
 
 
10,8 
 
 
 
 
7,5 

20 
 
 
34 
 
 
 
 
20 

800 
 
 
200 
 
 
 
 
500 

11 
 
 
54 
 
 
 
 
15 

0,22 
 
 
1,83 
 
 
 
 
0,3 

Всего 
40 
27,3 
– 
– 
80 
2,35 

 
В настоящее время на разрезах применяется только вращательное 
бурение  шарошечными и режущими долотами благодаря совершенствованию технологии взрывных работ, причем увеличиваются масштабы бурения резанием. Этому способствовала выдвинутая в 1961 г. учеными  
НИИОГР в работе идея о применении режущих долот на шарошечных 
станках с очисткой скважин сжатым воздухом вместо шнековой. Начатые 
в этом направлении первые опыты НИИОГР в промышленных условиях 
подтвердили плодотворность данной идеи, поскольку шарошечные станки 
позволяли изменять осевые нагрузки и скорости вращения режущего долота в более широких диапазонах, чем это возможно на существующих станках СВБ-2М со шнековой очисткой скважин. 
Ударно-вращательный способ бурения в значительных объемах 
сохранится на малых карьерах строительных материалов при проходке 
скважин диаметром 105–160 мм в породах высокой крепости  при повышенных требованиях к кусковатости взорванной горной массы. На 
этих карьерах будет расширяться бурение резанием в слабых породах,            
а также режуще-ударный способ при проходке скважин в перемежающихся по крепости породах. На крупных рудных карьерах преобладающим останется шарошечный способ проходки скважин увеличенного 
диаметра (250–320 мм).