Выбор и рациональная эксплуатация буровых инструментов и станков на карьерах

Министерство образования и науки  Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВЫБОР  
И РАЦИОНАЛЬНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ  
БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ  
И СТАНКОВ НА КАРЬЕРАХ 
 
 
Монография 
 
 
Под общей редакцией доктора технических наук,  
профессора В.Д. Буткина, доктора технических наук,  
профессора А.В. Гилева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2010 

УДК 622.233.05 
ББК 33.11-5я73 
В 93 
 
А в т о р ы: В. Д. Буткин, А. В. Гилёв, Д. Б. Нехорошев,  
                    В. Т. Чесноков, Д. С. Догадин, Р. А. Гилёв 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
М. А. Викулов, д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой «Горные машины и комплексы» Якутского государственного университета;  
Д. Е. Махно, д-р техн. наук, проф. Иркутского государственного 
технического университета.  
 
 
 
В93             Выбор и рациональная эксплуатация буровых инструментов и 
станков на карьерах : монография / под общ. ред. В. Д. Буткина,        
А. В. Гилёва. – Красноярск : Сибирский федеральный  университет, 
2010. – 236 с. 
ISBN 978-5-7638-2193-2 
 
В монографии рассмотрены показатели промышленных испытаний различных типомоделей шарошечных долот отечественного и зарубежного производства на карьерах РФ и СНГ. Изложены теоретико-методические основы выбора рациональных буровых инструментов и режимов бурения в условиях действующих карьеров. Разработаны математические модели и методики, позволяющие рационально эксплуатировать и прогнозировать показатели работы долот. Рассмотрены концепция и результаты применения нового пневмоэжекционного способа очистки скважин, обеспечивающего повышение эффективности бурения и снижение затрат энергии. Разработаны реновационные технологии при эксплуатации шарошечных долот, включающие ремонт, модернизацию, восстановление бурового инструмента и утилизацию ценных конструктивных материалов. 
Предназначена для инженеров и научных работников, занимающихся 
проектированием и эксплуатацией буровой техники. Может быть использована  
преподавателями и студентами в процессе изучения дисциплин «Горные машины», «Открытые горные работы», «Технология буровзрывных работ». 
 
УДК 622.233.05 
ББК 33.11-5я73 
 
 
 Сибирский федеральный  
ISBN 978-5-7638-2193-2                                                  университет, 2010 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Бурение взрывных скважин на открытых горных разработках является 
первоочередным весьма трудоемким и дорогостоящим производственным 
процессом. Удельный вес буровых работ в общей себестоимости добычи 
полезного ископаемого достигает 30 % и более. Все это обусловливает 
большую народнохозяйственную значимость вопросов совершенствования 
техники и технологии бурения взрывных скважин. 
Буровая техника на карьерах России представлена в основном станками шарошечного бурения (СБШ) среднего и тяжелого типов (массой  
70–136 т) значительной мощности (400–550 кВт). На карьерах железорудных 
и цветных металлов общее количество этих станков составляет от 90 до 95 % 
(а на некоторых предприятиях 100 %) от всего парка. При этом в стоимости проходки 1 м скважины расходы на шарошечные долота (ШД) достигают 60–70 %. Столь значительные затраты объясняются большой стоимостью и относительно невысокой стойкостью сложных ШД, недостаточной 
эффективностью разрушения забоя скважины и несовершенством процесса 
эвакуации буровой мелочи из зоны работы долота. 
В последние годы многократно увеличились цены на станки типа 
СБШ, ШД, тарифы на электроэнергию, затраты на сервисное обслуживание и обеспечение машино-смены работы буровых станков. По технологическим причинам выросли масштабы использования на карьерах скважин 
увеличенного диаметра 250–320 мм против 200–220 мм. Повысилась интенсивность работы СБШ. Так, например, годовая производительность 
станков СБШ-250МНА  на многих железорудных карьерах за последние 
пять лет возросла с 28–30 до 35–45 тыс.м. 
Значительно расширилась номенклатура ШД (по типам и диаметрам), предназначенных для проходки взрывных скважин. Увеличилось 
число долотных заводов. Кроме ОАО «Волгабурмаш», «Уралбурмаш» и 
Дрогобычского долотного завода ШД выпускают заводы «Белгормаш», 
«Сталь-Трест», ВНИИБТ и другие. При этом показатели удельных затрат и 
стойкости даже однотипных долот, выпускаемых различными заводами, в 
равных условиях эксплуатации отличаются в 2–3 раза и более. Еще большие различия обнаруживаются при сравнении отечественных и зарубежных ШД. Последние могут иметь в 3–7 раз большую стойкость, но быть 
многократно дороже отечественных, поэтому приобретение иностранного 
инструмента не всегда экономически оправдано.  

Изложенное свидетельствует о том, что для повышения эффективности буровых работ на открытых горных разработках в настоящее время 
первостепенное значение имеет совершенствование методов выбора типов 
и рациональной эксплуатации бурового инструмента, а также улучшение 
систем очистки скважин от разрушенных горных пород. Теоретическую 
основу решения этой научно-технической проблемы составляет экономико-математическая модель (ЭММ) системы горная порода – буровой инструмент – буровой станок. При этом параметры базовых технологических 
зависимостей, входящих в ЭММ и характеризующих взаимодействие бурового инструмента с забоем скважины, должны определяться экспериментально на буровых станках. Только при таком подходе можно обеспечить адекватность разработанных математических моделей и фактического 
процесса бурения различных горных пород. 
Необходимость экспериментов (технологических проб) на действующем объекте для корректировки проектных решений подтверждается 
самыми последними исследованиями в области разрушения горных пород 
при их бурении, взрывании и экскавации. 
Основное внимание в данной монографии уделено обоснованию математических моделей в форме, удобной для применения операторами буровых станков и инженерами – производственниками при выполнении 
компьютерных вычислительных процедур. 
Авторы учли, что на карьерах периодически проводят сравнительные 
испытания буровых долот. Типовую методику таких испытаний целесообразно дополнить экспериментальным определением параметров базовых 
технологических зависимостей, обеспечивающих наиболее точный выбор 
рациональных моделей буровых инструментов и режимов бурения. 
Значительное место в монографии уделено обоснованию нового 
пневмо-эжекционного способа очистки скважин, отличающегося повышенной производительностью и энергетической эффективностью. 
Последний раздел работы посвящен разработке реновационных технологий при эксплуатации шарошечных долот, включающих ремонт, модернизацию, восстановление бурового инструмента и утилизацию ценных 
конструктивных материалов. Значительная технико-экономическая эффективность предложенных технических решений подтверждена опытнопромышленными испытаниями и внедрением на ряде карьеров Красноярского края.  
 
 
 
 
 
 

Г л а в а  1 

СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ 
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ 
ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ НА КАРЬЕРАХ 
 
 
Буровая техника и технология на карьерах представляют собой 
крупную и сложную систему. Ее изучению посвящено большое количество 
исследований российских и зарубежных ученых. Они направлены в конечном счете на совершенствование бурового оборудования, инструментов и 
процесса бурения с тех или иных позиций. 
Из трех применяемых на карьерах России основных способов бурения – шарошечного, вращательного резанием и ударно-вращательного 
(пневмоударного) – преобладает шарошечный способ, на долю которого 
приходится 83–85 % всех объемов бурения. На карьерах железорудных и 
цветных металлов, представленных в основном крепкими породами, шарошечный способ занимает 90–95 %, на угольных карьерах около 60 %. 
Ударно-вращательный способ наиболее распространен на карьерах строительных материалов и имеет тенденцию к увеличению объемов бурения в 
очень крепких породах, при повышенных требованиях к крупности взорванной горной массы, а также в глубоких карьерах. 
На карьерах крепчайших железистых кварцитов (например, в Лебединском ГОКе) применяют комбинированную технологию обуривания уступов: пионерные скважины диаметром 160–170 мм проходят шарошечным или ударно-вращательным способом, а затем производят термическое 
расширение котловой части скважин до диаметра 370–400 мм с помощью 
огневых станков, разработанных совместно МГГУ и Канадской фирмой 
Rocmec International  (RI INC) [1]. 
В ближайшие десятилетия в России на открытых горных работах 
различного назначения ежегодные эксплутационные расходы могут достигнуть 6 млрд руб., из них примерно 50–60 % составят затраты на БИ [2,5]. 
На обновление парка буровых станков потребуется не менее 8 млрд руб. 
Из этих данных видно, что затрачиваемые на буровые работы ресурсы 
весьма значительны. 
На открытых горных работах России наиболее широко используются 
две базовые модели отечественных станков шарошечного бурения – СБШ-200 
и СБШ-250, которые проходят длительный этап эволюционного развития 
до сих пор. Станки этих двух групп изготавливаются рядом заводов в различных модификациях (табл. 1.1) и отличаются принципом построения  
вращательно-подающих механизмов (ВПМ), определяющим их конструктивный облик и технологические возможности. 

Таблица 1.1 

Станки шарошечного бурения [2, 2, 4] 

Фирма  производитель 
Модель бурового станка 

Крепость 
пород, f 

Основной 
диаметр, 
мм / глубина 
бурения, м 

Диаметр 
долот, мм 

Усилие 
подачи 
на забой, кН 

Напряжение питающей 
сети, В 

Суммарная 
мощность 
двигателей, 
кВт 

Угол наклона скважины 
к вертикали, 
град 

Масса, 
т 

ОАО «Бузулукский» 
завод тяжелого машиностроения 

3СБШ-200-60 
6–14 
200(250)/60 
215,9; 244,5
300 
380 
386 
0; 7,5; 15; 
22,5; 30 
62 

3СБШ-200/250-55 
6–14 
200(250)/55 
190; 
215,9; 244,5
300 
6 000 
386 
То же 
70,6 

6СБШ-200-32 
6–14 
200(250)/32 
190; 
215,9; 244,5
300 
380 
377 
То же 
54 

ООО «ОМЗ 
горное оборудование и  
технологии» 

СБШ-270 ИЗ 
8–20 
250(270)/32 
244,5; 
250,8; 269,9
450 
6 000 
315 
0; 15; 30 
136 

СБШ-270-34 
6–14 
270/34 
269,9 
350 
6 000 
 
То же 
1 141 

СБШ-Г-250 
16–18 
250/32 
244,5; 250,8
300 
6 000/380 
500 
То же 
90 

УГМКРудгормаш 

СБШ250 
МНА-32 
6–20 
250(215; 269,9)
244,5; 
250,8; 269,9
294 
380/6 000 
409 
То же 
85 

СБШ-250 
МНА-32 КП 
6–20 
250(270)/32 
244,5; 
250,8; 269,9
320 
380/6 000 
550 
0; 15; 20; 25; 
30 
100 

СБШ-190/250-60 
6–20 
190–250/ 
61,5(32) 
190; 215,9; 
244,5 
320 
380 
 
0–45 
(через 5°) 
80 

СБШ-160/200-40 
4–18 160(171; 216)/ 40 161; 171,4; 
215,9 
235 
380 
 
0; 15; 30 
50 

ОАО «Краворожгормаш» 
УСБШ-250 А 
8–20 
250/32 
244,5; 250,8
300 
380 
 
То же 
75 

СБШ-250 МНА-32 
8–18 
250/32 
244,5; 250,8
300 
380 
392 
То же 
70 

ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод» 

СБШС-250 Н 
6–20 
250/32 
244,5; 250,8
350 
380 
 
То же 
78 

Станки группы СБШ-200, изготавливаемые Базулукским заводом 
тяжелого машиностроения, имеют роторно-патронную схему ВПМ с нижним стационарным расположением вращателя. Осевое усилие и крутящий 
момент на образующую бурильной штанги передаётся через зажимной патрон (рис. 1.1). 
Усилие подачи создается  двумя гидроцилиндрами, питающимися от 
одного или двух насосов. К преимуществам такой схемы  относятся стационарность привода вращателя, возможность значительного облегчения 
мачты, большая устойчивость станка при передвижении. К недостаткам 
можно отнести ограниченность величины осевой нагрузки и крутящего 
момента из-за проскальзывания кулачков патрона (особенно в зимних условиях), значительные затраты времени на вспомогательные машинные 
операции, невозможность применения штанг различных диаметров и тем 
более шнековых штанг. Станки группы СБШ-250 имеют схему передачи 
осевого усилия и крутящего момента на торце штанги от шпинделя (с гидромуфтой) редуктора вращателя, который перемещается вдоль мачты канатным полиспастом. Усилие подачи создается от двух гидроцилиндров 
(рис. 1.2). 
К преимуществам торцевой (шпиндельной) схемы относятся простота, надежность, возможность  создания больших осевых усилий и крутящих моментов, а также благоприятность применения штанг (трубчатых и 
шнековых) и долот различного диаметра. Недостатком схемы является необходимость утяжеления мачты, по которой должен перемещаться тяжелый крупный вращатель, что обусловливает значительную массу станков, 
периодические перемещения на большую высоту пневматических, гидравлических шлангов и электрических кабелей и др. 
Применяемые на станках типоразмеров СБШ-200 и СБШ-250 гидроприводы подачи, состоящие из маслонасоса нерегулируемой производительности с предохранительным клапаном и гидроцилиндров с дросселем 
на сливе, имеют жесткие (неэластичные) характеристики, что необходимо 
учитывать при разработке и оценке режимов бурения пород средней крепости и слабых в особенности режущими долотами. Более благоприятны 
системы подачи с тяговой лебедкой, как это имеет место на станках СБШ250/270 (РД-10) и СБШ-270. Стойкость буровых долот при системе подачи 
с тяговой лебедкой оказывается более высокой. 
Кинематическая схема ВПМ станка СБШ-250/270 (РД-10) показана 
на рис. 1.3. В станке усилие подачи создается лебедками 10 и предается на 
опорный узел 4 через канат 14, огибающий последовательно несколько раз 
приводные барабаны лебедки 10. В период бурения усилие подачи создается гидромотором 7. Тяговое усилие в канатах возникает за счет их трения о барабаны. При спускоподъемных  операциях лебедка 10 работает от 

электродвигателя. Принятая система подачи имеет большую эластичность, 
чем у станков СБШ-200 и СБШ-250. 
 
 

 
 
Рис. 1.1. Кинематическая схема вращательно-подающего механизма 
станка 
2СБШ-200Н: 1 – зажимные кулачки;    
2 – зажимной патрон; 3 – штанга;    
4 – шток гидроцилиндра подачи;    
5 – пустотелый шпиндель гидропатрона; 6 – вращатель (редуктор); 7 – электродвигатель постоянного тока ДПВ-52;  
8 – траверса;  9  – лебедка с трехкратным 
полиспастом для подъема бурового става

 
Рис. 1.2. Кинематическая схема вращательно-подающего механизма станка 
СБШ-250МН-32: 1 – электродвигатель 
постоянного тока; 2 – редуктор вращателя; 3 – шинно-шлицевая муфта; 4 – опорный узел; 5 – четырехкратная канатнополиспастная система подачи; 6 – колонна вращающихся штанг; 7 – гидроцилиндр  подачи; 8 – механизм свинчи- 
вания-развинчивания  штанг 
 
 
Потребности отечественных карьеров в мощных буровых станках 
удовлетворялись приобретением зарубежных машин. На ряде угольных 
разрезов Кузбасса и Якутии станки 60R фирмы «Бюсайрус Ири» и М-4 
фирмы «Марион» успешно работали более 15 лет.  
Сменная и месячная производительность этих станков была в 3–5 раз 
выше, чем отечественных СБШ-250МН и СБШ-320. 
Более высокая производительность зарубежных машин достигается 
прежде всего за счет качества изготовления, надежности, эффективности 

1

2

3

4

5

6

7 

8 

9 

2
3
4

5

6

7

8

1

технического обслуживания и эксплуатации, применения электронных 
систем управления и диагностики. 
Фирма «Бюсайрус Ири» (США) выпускает в основном мощные электроприводные шарошечные станки 47-R, 60-R, 65-R, 67-R и другие для долот 
диаметром, главным образом, 273, 311, 381, 405 мм, массой 140–180 т, мощностью 600–770 кВт. Длина штанг составляет 15–19,8 м. Тип ВПМ шпиндельный 
(торцовый) с перемещением каретки вращателя вдоль мачты с помощью зубчато-реечного механизма. Станки 60/61-R имеют реечно-цепную подачу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.3. Кинематическая схема вращательно-подающего 
механизма 
станка 
СБШ-250/270 (РД-10): 1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – шинно-шлицевая 
муфта; 4 – опорный узел; 5 – блоки натяжных устройств; 6 – щтанга; 7  – гидромотор; 8 – электродвигатель;  9 – приводной 
барабан; 10 – лебедка; 11 – натяжное устройство; 12 – рычаг; 13  – блоки натяжных утсройств; 14 – канат; 15  – верхние  
блоки 
 
 
 
Станки шарошечные фирмы «Марион» (США) имеют верхний электрический вращатель, цепную подачу, действующую от гидромоторов. На 
разрезе «Нерюнгринский» эксплуатировались станки М4-СС (диаметр долота 311 мм, три штанги длиной по 16,7 м, общая мощность 410 кВт, масса 
120 т). На этом же разрезе введен в эксплуатацию станок шарошечного бурения типа ДМ-Н фирмы «Ингерсол-Ранд» (США).  
Технические  характеристики ДМ-Н показаны в табл. 1.2. Машины 
рассчитаны на возможность бурения скважин различного диаметра – от 
229 до 381 мм. 
Они могут комплектоваться как дизельным, так и электрическим 
приводом, штангами длиной 13,7; 15,24; 16,7 и 19,8 м, компрессорами 
производительностью 29,7; 39,6 и 73,6 м3/мин. Вращение долота осуществляется от двух аксиальных поршневых гидравлических двигателей переменной производительности. 

1

5

4

3

2

9

8
7

6

15

14

13 12 11 

10

Таблица 1.2 
 
Сравнение показателей  ряда станков фирмы «Ингерсол-Ранд»  
 со станком СБШ-250 
 
Показатель 
СБШ-250 
ДМ-М2 
ДМ-Н 

Диаметр скважины, мм 
Глубина бурения, м 
Угол наклона скважины, град 
 
Осевое усилие на забой, кН 
Частота вращения долота, мин–1 
Момент на долоте, кН·м 
Скорость перемещения бурового 
снаряда, м/мин: 
подъем 
спуск 
Производительность, км/г.  
Установленная мощность, кВт 
Длина штанг, м 
 
Масса, т 

244,5; 270 
32 
0; 15; 30 
 
320 
0–150 
6 
 
 
7 
8 
50 
392 
8 
 
70–75 

229; 270 
53,4 
0,5; 10; 20; 30 
 
340 
0-150 
11,7 
 
 
25,6 
25,6 
120 
130 
10,7 
 
56,7 

229–381 
76 
0,5; 10; 20; 25; 30
 
497 
0–150 
17,6 
 
 
До 20 
До 20 
102–140 
373 
9; 13, 7; 16,8; 
19,8 
111 

 
 
В них имеются системы мокрого и сухого пылеподавления, центральной смазки и пожаротушения, дистанционного управления перемещением установки. В более высоких показателях работы зарубежных БС 
не меньшую, если не большую, роль играют режимные параметры, как это 
видно из данных табл. 1.2.  
По сравнению с СБШ-250МНА увеличены осевые нагрузки  
в 1,15–1,2 раза, крутящие моменты в 2 раза, производительность компрессоров в 1,25 раза (0,66 м3/с против 0,53 м3/с), скорости подъема и опускания бурового снаряда в 3-3,5 раза. Последнее в сочетании со штангами 
большой длины (10,7–19,8 м против 8 м) обусловливает существенное 
снижение затрат времени на вспомогательные машинные операции. 
Зарубежные станки имеют высокую стоимость в 3,5–4 раза большую, 
стоимости отечественных станков. Поэтому, по мнению ряда специалистов, несмотря на более высокую производительность и надежность в эксплуатации зарубежных машин (не менее чем в 4–5 раз) по сравнению с 
отечественными станками расходы на обуривание 1 м3 пород будут примерно одинаковыми. Здесь подтверждается известное положение о том, 
что повышение надежности, а, следовательно, производительности, оборудования связано, как правило, со значительными затратами и имеет рациональные экономические пределы.