Буровзрывные работы для геологов
Контакты:
-
СЕ
Семыкин Евгений СергеевичУчитель
А.Ф.СУХАНОВ Б.Н.КУТУЗОВ
а
РАЗРУШЕНИЕ
горных пород взрывом
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР в качестве
учебника для студентов горных
специальностей вузов
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ
Отбойка, дробление и перемещение (выброс и сброс) пород при их разработке производятся с помощью зарядов ВВ, размещаемых в шпурах, скважинах, камерах или траншеях.
Шпур — искусственное цилиндрическое углубление в горной породе диаметром не более 75 мм и глубиной до 5 м.
Скважина — искусственное цилиндрическое углубление диаметром более 75 мм при глубине до 5 м и любого диаметра при глубине более 5 м.
Для размещения больших зарядов (до нескольких тонн) применяют зарядные камеры обычно прямоугольной формы.
Выработки — камеры, предназначенные для размещения зарядов ВВ паз карьерах и гидротехнических объектах, имеют непосредственный выход на поверхность. При горизонтальном расположении выработка называется штольней, при вертикальном — шурфом. При подземной отбойке руд сосредоточенные заряды принято называть камерными.
Для образования удлиненных выемок (каналов и т. п.) в мягких грунтах все шире применяют траншеи, на дно которых размещают сплошной заряд длиной несколько сотен метров.
Буровыми называются работы по образованию шпуров или скважин бурильными машинами.
Бурение — процесс последовательного разрушения породы на забое шпура или скважины и удаления продуктов разрушения на поверхность.
Взрывными называются работы по отбойке, дроблению и перемещению пород с помощью взрывов зарядов ВВ.
Заряд — определенное количество ВВ с введенным в него боевиком. Величина (масса) заряда указывается в килограммах или тоннах.
Заряжание — процесс размещения заряда в шпуре, скважине, камере или траншее.
Наружным (накладным) называется заряд, размещаемый на взрываемом объекте.
Внутренним называется заряд, размещаемый во взрываемом объекте,. в шпурах, скважинах или камерах.
Сосредоточенным называется заряд, имеющий форму куба, шара или цилиндра, длина которого не превышает трех его диаметров, или параллелепипеда с тем же соотношением размеров. Если длина заряда больше указанных величин, то его называют удлиненным (колонковым).
Сплошным называется заряд, не разделенный промежутками, рассредоточенным — заряд, отдельные части которого разделены промежутками: воздуха, воды, породы, дерева и т. п.
Взрывчатыми веществами называются химические соединения или механические смеси, которые под действием внешнего импульса (нагревание, удар, искры огня) способны взрываться. Взрыв промышленных ВВ протекает в форме детонации.
Взрывом ВВ называется его чрезвычайно быстрое (сверхзвуковое) химическое превращение, при котором выделяется тепло и большое количество газов,, способных выполнять механическую работу разрушения и перемещения окружающей среды
Взрывание — процесс инициирования зарядов в заданной последовательности способами, обеспечивающими безопасность и эффективность их выполнения.
В горной промышленности применяют огневое, электроогневое и электрическое взрывание зарядов.
Огневое взрывание — способ детонирования зарядов с помощью капсюля-детонатора (КД), инициирование которого производится введенным в него отрезком огнепроводного шпура (ОШ).
Электроогневое взрывание отличается от огневого тем, что отрезок ОШ поджигается с помощью электровоспламенителя, ток в который подастся от сети пли взрывных приборов из безопасного места.
Электрическое взрывание — способ взрывания с помощью электродетонаторов (ЭД), соединенных в электровзрывную сеть, ток в которую подается взрывником из безопасного места.
Детонация — распространение взрыва по данному заряду ВВ, обусловленное прохождением детонационной волны с постоянной сверхзвуковой скоростью.
Детонационная волна — ударная волна сжатия, распространяющаяся по заряду со сверхзвуковой постоянной скоростью, обеспечивающая возникновение за передним фронтом волны быстрой химической реакции ВВ, т. е. детонационная волна представляет собой совокупность ударной волны и следующей за ней зоны химического превращения ВВ.
Ударная волна — волна сжатия, распространяющаяся по среде со сверхзвуковой скоростью, на переднем фронте которой мгновенно (скачкообразно) изменяются все термодинамические параметры среды: давление, плотность, температура.
Для инициирования (взрывания или детонирования) зарядов в них размещают средства инициирования (СИ) капсюли-детонаторы, электродетонаторы, детонирующий шнур или специальные промежуточные детонаторы. Они значительно чувствительнее к внешним воздействиям по сравнению с зарядами промышленных ВВ.
Взрывание детонирующего шнура (ДШ), введенного в заряды для их детонирования, выполняется огневым или электрическим способом. Капсюль-детонатор — небольшой заряд чувствительных инициирующих ВВ, размещенный в металлической или картонной гильзе.
Огнепроводный шнур — шнур с пороховой сердцевиной, предназначенный для инициирования КД через требуемый интервал времени после поджигания отрезка ОШ определенной длины.
Зажигательная трубка (КД с введенным в него отрезком ОШ) предназначена для огневого или электроогневого взрывания зарядов.
Электродетонатор — капсюль-детонатор, с закрепленным в нем электровоспламенителем; в ЭД замедленного действия между инициирующим ВВ и электровоспламенителем размещен замедляющий состав, сгорающий за строго определенное время.
Детонирующий шнур (шнур с сердцевиной из мощного чувствительного ВВ) детонирует от КД или ЭД, предназначен для инициирования зарядов ВВ.
Промежуточный детонатор — небольшой заряд ВВ (от 200 г до нескольких килограммов), надежно взрывающийся от применяемых СИ. Предназначен для инициирования зарядов низкочувствительных промышленных ВВ, которые не детонируют от применяемых СИ.
После заряжания оставленную свободной часть зарядной камеры заполняют инертным материалом (песком, мелкой породой, глиной и т. п.). Эти работы, также как и сам материал, называют забойкой шпуров, скважин, камер. По величине замедления (интервала времени) между взрывами смежных зарядов различают взрывание мгновенное, когда все заряды взрываются одновременно; короткозамедленное (к. з. в.), когда замедление между взрывами зарядов (групп зарядов) изменяется от 15 до 250 мс; замедленное, когда замедление больше 0,5 с.
Массив — некоторый объем горных пород в его естественном состоянии. Трудность разрушения и интенсивность дробления массива пород взрывом зависит в основном от его трещиноватости, крепости и ударной вязкости отдельностей, слагающих этот массив.
Крепость горных пород — способность пород сопротивляться разрушению от действия внешних усилий (при бурении, взрывании, резании и т. п.), характеризуется коэффициентом крепости. Коэффициент крепости пород f (по проф. М. М. Протодьяконову) показывает, во сколько раз данная порода крепче другой, принятой за единицу, и равен частному от деления предела прочности породы на одноосное сжатие на 100-105 Па.
Вязкость — сопротивление породы силам, стремящимся разъединить ее частицы. При одинаковой крепости более вязкие породы труднее разрушаются при бурении и особенно при взрывании.
Ударная вязкость — способность отдельностей, слагающих массив, сопротивляться разрушению при их соударении в процессе взрывного разрушения.
Трещиноватость — совокупность трещин всех направлений, разделяющих массив горных пород на отдельности различных размеров (от нескольких сантиметров до нескольких метров). Чем крупнее отдельности, содержащиеся в массиве чем выше их крепость и вязкость, тем труднее разрушить (раздробить) массив на куски требуемых размеров.
Буpимость — сопротивляемость горной породы разрушению буровым инструментом, характеризуется чистой скоростью бурения при стандартных условиях опыта.
Взрываемость — сопротивляемость горных пород разрушению при взрывании характеризуется расходом ВВ на 1 м3 массива, разрушаемого до кусков определенной крупности, и зарядом определенных размеров и величины.
На каждом горном предприятии мощность погрузочного и транспортного оборудования рассчитана на куски породы определенной крупности. На прием кусков таких же размеров должна быть рассчитана дробилка на фабрике, перерабатывающей полезное ископаемое. При взрывании массив, как правило, разрушается на куски, часть которых превышает допустимый кондиционный размер; поэтому взорванную породу при погрузке принято разделять на кондиционную (габаритную), соответствующую по крупности требованиям предприятия, и некондиционную (негабаритную), размер кусков которой превышает установленные пределы по крупности. На флюсовых карьерах и карьерах стройматериалов к некондиционной породе относят также мелкие фракции, идущие в отходы.
Линия наименьшего сопротивления (л. н. с.) — кратчайшее расстояние от центра заряда до открытой поверхности.
Буровзрывные работы на горных предприятиях разделяются на основные, или первичные, при которых происходит отделение, и дробление части массива породы, и дополнительные, или вторичные, при которых выполняются дробление негабарита, выравнивание неровностей, ликвидация навесов, заколов и т. п.
Первичные буровзрывные работы выполняются следующими методами.
На угольных шахтах и рудниках. 1. Удлиненными зарядами в шпурах диаметром 36—60 мм глубиной 2—5 м при проходке выработок, отбойке угля и разработке маломощных рудных тел. 2. Удлиненными зарядами в скважинах диаметром 60—105 (150) мм глубиной 10—40 м при проходке восстающих, торпедировании угольного пласта, отбойке рудных тел средней и большой мощности. 3. Сосредоточенными зарядами величиной от 1 до 10 т и более в камерах для отбойки мощных легко дробимых руд, разрушения потолочин и целиков.
На карьерах. 1. Удлиненными зарядами в вертикальных или наклонных скважинах диаметром 100-300 (400) мм и глубиной 7-20 м и более на средних и крупных карьерах. 2. Удлиненными зарядами в шпурах диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м на карьерах малой производственной мощности (до 200 тыс. т в год). 3. Котловыми зарядами в скважинах и шпурах. Для этого скважины и шпуры перед их заряжанием предварительно «простреливаются» небольшими зарядами, и основные заряды помещаются в образующихся при прострелке нижней части скважины или шпура котловых расширениях. На отдельных карьерах нижнюю часть скважины для размещения заряда расширяют с 200-250 до 350-400 мм механическими (шарошечными) или огневыми (в кварцсодержащих породах) расширителями. Однако этот метод правильнее отнести к методу удлиненных зарядов, так как отношение длины заряда к его диаметру, как правило, превышает 10. 4. Камерными сосредоточенными зарядами массой от нескольких до тысяч тонн в горизонтальных штольнях или вертикальных шурфах. Камерные заряды чаще всего применяют для взрывания на выброс или сброс больших масс породы.
При сооружении каналов и удлиненных выемок применяют удлиненные заряды в траншеях с массой заряда от 100 до 1000 кг и более на 1 м длины заряда.
В лесном хозяйстве, при штамповке и сварке металла и в других областях техники взрывные работы выполняются, кроме перечисленных методов, с помощью различных конструкций наружных зарядов. Кроме того, возможны различные комбинации перечисленных методов: например, удлиненными и котловыми, удлиненными и камерными зарядами и т. д.
Вторичные буровзрывные работы в основном выполняются с применением шпуровых и наружных зарядов.
Предложены, испытаны и применяются на отдельных карьерах механические, термические, электрические, электромагнитные и комбинированные способы разрушения негабарита, а также способ ослабления массива воздействием электрических полей различной частоты и напряженности.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
История развития взрывных работ тесно связана с производством ВВ, с развитием буровой техники и промышленности по добыче скальных полезных ископаемых.
Первым известным человечеству ВВ был черный порох, который применялся вначале для праздничных фейерверков, для огнестрельного оружия.
Применение пороха в России в созидательных целях началось в середине XVI в. для подрыва речных скал и камней, мешавших судоходству.
Для подрыва крепостных сооружений в крупных зарядах черный порох впервые применен при осаде Будапешта (1489 г.) и Казани (1552 г.).
Впервые в горном деле черный порох для заряжания и взрывания шпуров применен в 1627 г. в Германии при проходке штольни.
Бурное развитие промышленности во второй половине XIX в. привело к созданию и производству в исторически короткий период мощных ВВ и СИ.
В 1812 г. в России П. Л. Шилинг впервые применил электрический воспламенитель для взрывания пороховых зарядов: в 1831 г. в Англии Бикфорд изобрел огнепроводный шнур; в 1846 г. в Италии А. Собреро получил тринитроглицерин. В 1853 г. в России Н. Н. Зининым и В. Ф. Петрушевским было предложено ВВ на основе нитроглицерина, аналогичное по составу динамитам.
Шведский инженер А. Нобель в 1866 г. начал выпускать пластичные динамиты на основе нитроглицерина с добавками кизельгура. Динамиты, благодаря высокой мощности, быстро вытеснили черный порох и стали основными ВВ в горной промышленности. В 1867 г. Нобель запатентовал и детонатор под названием «запал Нобеля».
В 1867 г. шведские химики И. Ольсен и И.Норбин открыли и запатентовали ВВ на основе аммиачной селитры с разнообразными горючими добавками.. Нобель купил патент Ольсена и Норбина и более чем на 20 лет задержал внедрение аммиачно-селитренных ВВ в горную промышленность, а динамиты стал5 выпускать с добавками аммиачной селитры.
В 1879 г. французский ученый Мэссен предложил в качестве средства инициирования зарядов детонирующий шнур.
В 1885 г. в качестве ВВ начали использовать пикриновую кислоту. С 1887 г. начали применять тетрил, который с 1906 г. является основным вторичным инициирующим ВВ. Оксиликвиты были предложены в конце XIX в. Гремучая ртуть— одно из первых мощных ВВ — открыта Говардом в 1800 г.
С 1891 г. начали применять тротил, это одно из наиболее широко известных в горном деле ВВ. Наиболее мощные ВВ гексоген и тэн получены в конце XIX в. Гексоген как ВВ применяется с 1920 г. Область применения этих ВВ расширяется.
С 30-х годов в нашей стране наблюдается тенденция по замене нитроглицериновых динамитов на более безопасные аммиачно-селитренные ВВ: аммониты и динамоны, которые к концу 40-х годов стали основными типами промышленных ВВ для карьеров. Большая заслуга в разработке аммонитов принадлежит канд. техн. наук В. А. Ассонову. Динамоны, известные с 30-х годов, особенно широко применялись на карьерах в период Великой Отечественной войны, когда страна испытывала недостаток других ВВ. С 1953 г. динамоны не применяются из-за расслаиваемости заряда в скважине при заряжании. К применению простейших ВВ, не содержащих тротил, отечественная промышленность приступила в конце 50-х годов на основе работ акад. Н. В. Мельникова, проф. 1. и. Демидюка и других ученых ИГД АН СССР, исследовавших взрывчатые свойства смеси гранулированной аммиачной селитры и солярового масла, названную игданитом (по наименованию института).
Проводятся систематические исследования по разработке и изучению методов регулирования степени дробления горных пород взрывом. В работах изучается изменение степени дробления различных по трещиноватости и крепости массивов горных пород в зависимости от диаметра заряда, расхода и типа ВВ, сетки расположения и конструкции зарядов, интервала и схемы замедления, точки инициирования и т. д. Эти работы являются научно-инженерной основой пня выполнения взрывов с целью получения заданной крупности дробления массива и параметров развала горной массы.
Неоспорим приоритет советских ученых и инженеров в разработке теории н применении крупных взрывов на выброс и сброс в горном деле, гидротехническом и мелиоративном строительстве. Большую работу по развитию и совершенствованию взрывов на выброс проводят инженеры Союзвзрывпрома. В 1952—1953 гг. взрывами трех серий зарядов на выброс на Алтын-Топканском полиметаллическом месторождении при л. н. с. отдельных зарядов, превышающих 50 м, и массе ВВ до 1600 т было взорвано и перемещено более 1 млн. м3 горной породы. Благодаря этому срок ввода карьера в эксплуатацию сократился на 16 месяцев, а стоимость вскрытия месторождения была снижена на 4.0 %.
Широко используются взрывы на выброс и сброс для перемещения больших масс грунта при строительстве плотин, насыпей и т. п. В 1966—1967 гг. на р. Малая Алмаатинка в ущелье Медео были проведены взрывы двух серий зарядов для создания противоселевой плотины. Общая масса зарядов первого взрыва правого берега 5290 т при л. н. с. основного заряда 85 м, а второго левобережного взрыва 3946 т при л. н. с, равной 46 м. Таким образом взрывом разрушено и сброшено в тело плотины около 3 млн. м3 скальных пород (1,6 млн. м3 первым и 1,4 — вторым) и была образована плотина средней высотой 84 м, шириной поверху около 100 и понизу около 500 м. Эта плотина в 1973 г. задержала селевой поток огромной мощности (5 млн. м3) и защитила г. Алма-Ату от катастрофических разрушений.
В 1968 г. на р. Вахш взрывом на сброс серий зарядов общей величиной 2000 т образована каменно-набросная плотина. Объем плотины (около 1,5 млн. м3) превысил проектный в результате сползания части крутого склона ущелья.
Большие объемы грунтов были выброшены взрывами при строительстве Аму-Бухарского канала и других мелиоративных сооружений в Средней Азии. Грандиозные работы с использованием взрывов на выброс предполагается провести при осуществлении проекта переброски части стока северных рек в долину Волги и в Среднюю Азию.
При подземной разработке рудных месторождений с 1935 г. в СССР начинает применяться (комбинат «Апатит» и Кривбасс) скважинная отбойка руд, которая оказалась в несколько раз эффективнее по сравнению со шпуровой отбойкой. С 50-х годов на рудниках СССР применяются скважины диаметром 105 мм, которыми в настоящее время отрабатывается более 50 % РУД черных и цветных металлов. С конца 60-х годов на месторождениях ценных руд внедряется техника для бурения скважин диаметром 60—80 мм, а для мощных месторождений железных руд (Таштагол, Кривой Рог) рассматривается эффективность применения скважин диаметром 200 мм и более. Ряд рудников за рубежом (в Канаде, Швеции) также переходят на применение взрывных скважин увеличенного диаметра 100—125 мм по сравнению с 60—70 мм. Интересные работы, давшие значительный экономический эффект, проведены на подземных рудниках по применению предложенного проф. В. Р. Именитовым взрывания «в зажиме», по применению пучков полукольцевых параллельных скважин, по проходке восстающих на высоту до 20 м и более с помощью системы скважинных зарядов.
На многих крупных рудниках широко применяется механизация заряжания скважин гранулированными простейшими ВВ (гранулитами АС-4, АС-8) вместо патронированных аммонитов.
Определенные изменения произошли в области взрывных работ при проведении выработок. С внедрением буровых кареток стали широко применять глубокие заходки (3 м) с призматическими врубами. Впервые специалистами МГИ и ВНИПИгорцветмет применена угловая форма забоя при проходке выработок, обеспечившая в любых породах получение к. и. ш., близкого, к единице. Получило развитие контурное взрывание зарядов, особенно при строительстве гидротехнических сооружений.
Определенный прогресс достигнут в области ведения взрывных работ в шахтах особенно опасных по взрыву газа или пыли. Внедрение на шахтах короткозамедленного взрывания при проведении выработок позволило устранить многоприемное взрывание, существенно повысило темпы работ и их безопасность Для повышения безопасности взрывных работ разработаны разнообразные и достаточно эффективные способы инертизации призабойной зоны выработок, созданы высокопредохранительные ВВ с жидкостными оболочками (патроны СП-1), разработаны взрывные методы ослабления крепких угольных ;пластов, дегазации угольных пластов, предотвращения внезапных выбросов пород при проведении выработок. Разработаны принципы и средства создания автоматической защиты при взрывании в подготовительных выработках. Все это существенно повышает безопасность ведения взрывных работ в угольных шахтах.
Весьма интересные работы по применению взрывов выполнены в металлургии, машиностроении, при строительстве, тушении лесных и нефтегазовых пожаров и в ряде других отраслей народного хозяйства.
Неограниченные возможности для разрушения и перемещения любых масс породы представляют ядерные взрывы. Их можно было бы использовать для .вскрытия месторождений полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах, для глубинного дробления больших объемов бедных руд и их последующего выщелачивания. В гидротехническом строительстве ядерные взрывы могли бы быть применены для сооружения крупных каналов и бухт-ковшей, а также для создания подземных емкостей для хранения жидких и газообразных .веществ.
Сказанное показывает важность и широту использования энергии взрыва как универсального, весьма эффективного по производительности и срокам выполнения относительно безопасного способа производства тяжелых работ, связанных с разрушением и перемещением больших объемов пород (грунтов).
Для образования шпуров и скважин в массивах горных пород до начала XIX в. применялось ручное бурение, которое с конца XVII в. начинает постепенно заменяться машинным. В 1861 г. при проходе тоннеля в Альпах впервые применены поршневые ударные машины, повысившие скорость бурения более чем в 10 раз по сравнению с ручным. В конце XIX в. изобретены молотковые ударные машины — прообразы современных бурильных молотков. В дальнейшем создается оборудование для облегчения труда бурильщика: распорные колонки, пневмоподдержки, автоподатчики, буровые каретки. С 30-х годов в СССР начаты работы по созданию станков для бурения скважин при отбойке руд в подземных условиях.
Первый станок для вращательного бурения скважин диаметром до 150 мм создан в 1935 г. А. А. Миняйло. В 1938 г. А. К. Сидоренко предложил способ бурения скважины погружными бурильными молотками. В 1949—50 г. на подземных рудниках С. П. Юшко испытал станок с погружными пневмоударниками, вращение которого осуществлялось буровым ставом с поверхности.
В 1954 г. ИГД Сибирского отделения АН СССР и Кузнецким металлургическим комбинатом создан станок БА-100, при работе которого в качестве промывочной жидкости впервые применена воздушно-водяная смесь, а в 1959 г. создан полуавтоматический станок НКР-100 для бурения скважин диаметром 80-150 мм глубиной до 50 м. Начиная с 60-х годов в подземных рудниках до 50% взрывных скважин бурят погружными пневмоударниками. С 1950 г. на рудниках Алтая разрабатывается и внедряется бурение скважин шарошечными .долотами диаметром 145 мм, а с 60-х годов за рубежом и в СССР — станки вращательно-ударного бурения скважин диаметром 60—70 мм пневматические, затем гидравлические. С начала XX в. на карьерах стали применять станки ударно-канатного бурения, которые до 50-х годов являлись основными при бурении взрывных скважин. В 40-х—50-х годах в СССР начали применять вращательное шнековое, а с 60-х годов — шарошечное бурение. Способ шарошечного бурения стал основным на карьерах. Одновременно испытывалось огневое бурение скважин как самостоятельный способ, а затем в комбинации с шарошечным для расширения нижней части скважин. С 60-х годов на карьерах применяют погружные пневмоударники для бурения скважин диаметром 105—160 мм.
В 70-х годах испытаны взрывной и ряд других немеханических способов бурения.
Теоретическое обоснование механизма разрушения пород и параметров рациональных режимов бурения и областей применения различных типов станков выполнено в работах советских ученых акад. АН СССР Н. В. Мельникова, акад. АН КиргССР О. Д. Алимова, чл. корр. АН КиргССР Л. Т. Дворникова, профессоров: В. Д. Буткина, К. И. Иванова, И. А. Остроушко, Б. А. Симкина и других, что позволило создать новые высокопроизводительные буровые станки для подземных и открытых горных работ.
ГЛАВА 1
СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН
1. 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ БУРЕНИЯ
Процесс бурения состоит из разрушения породы на забое шпура (скважины) буровым инструментом и удаления продуктов разрушения (буровой мелочи) из него.
При всех способах бурения выполняются следующие основные операции: подготовка и установка бурильной машины для начала работ, бурение (разрушение породы) с очисткой забоя скважины от продуктов разрушения, наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборка после окончания работ, смена изношенного бурового инструмента и передвижение машины на новую точку бурения шпура или скважины.
В настоящее время применяются вращательный, ударно-поворотный, ударно-вращательный и вращательно-ударный способы бурения шпуров и скважин (механические способы бурения), а также огневое и комбинированное бурение. Исследуется эффективность применения энергии ВВ при взрывном бурении скважин, а также высоковольтных электрических разрядов при электроимпульсном бурении.
При вращательном бурении инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины и одновременно с определенным усилием подается на забой. Величина усилия Рос задается из условия превышения предела прочности породы на вдавливание на площади контакта режущих лезвий инструмента с породой. При этом происходит последовательное разрушение от вдавливания и скалывание частиц породы с забоя. Продукты разрушения удаляют с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин), промывкой забоя водой или продувкой воздухом.
На горных предприятиях применяют: вращательное бурение шпуров резцами с помощью ручных и колонковых сверл; вращательное (шнековое) бурение скважин резцами и алмазным инструментом с помощью буровых станков.
При ударном способе бурения инструмент (долото или коронка) наносит удар по забою и разрушает породу под лезвием. После каждого удара инструмент поворачивается на некоторый угол, чем обеспечивается последовательное разрушение всей площади забоя и получение круглого сечения шпура или скважины.
При ударно – поворотном бурении обычным и погружными бурильными молотками (перфораторами) инструмент поворачивается прерывисто только в промежутках между ударами вмонтированным в молоток поворотным устройством. В некоторых конструкциях бурильных молотков поворот инструмента происходит в период нанесения удара поршнем по инструменту.
При ударно-вращательном бурении погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вращением удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту. Разрушение породы при этих способах бурения происходит только в результате внедрения буровой коронки при ударах
При вращательно-ударном бурении удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту. Разрушение происходит как в результате внедрения инструмента при ударах, так и вследствие скола породы при вращении инструмента.
Бурение шарошечными долотами выполняется как при ударном способе долотами чистого качения и при вращательно-ударном— долотами со скольжением, в которых зубцы, наряду с перекатыванием по забою, срезают породу скользящим движением вдоль поверхности забоя.
При огневом бурении разрушение породы на забое скважин происходит за счет термонапряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности породы потоками раскаленных газов (t = 2000 °С), вылетающих из сопел горелки со сверхзвуковой скоростью (2000 м/с и более).
При взрывном бурении разрушение породы на забое скважин происходит последовательными взрывами небольших зарядов ВВ. Известны два метода взрывного бурения: патронный — с помощью патронов жидких или твердых ВВ, взрывающихся на забое от удара или детонатора, и струйный, при котором через бур на забой подаются жидкие компоненты ВВ (горючее и окислитель) и происходит формирование жидкого плоского заряда. Взрыв этого заряда вызывается впрыскиванием капли инициирующего состава (эвтектического сплава калия и натрия).
При электроимпульсном бурении разрушение пород на забое скважины происходит вследствие электрического пробоя его участка высоковольтным (до 200 кВ) разрядом. Мгновенно выделяемая энергия в канале пробоя разрушает породу, которую с забоя удаляют потоком диэлектрика, циркулирующего в скважине (соляровое масло, вода и т. п.) .
Разрабатываются комбинированные способы бурения, в которых происходит совместное воздействие на забой ударного инструмента и шарошки (ударно-шарошечный способ), резцов и шарошек (режуще-шарошечный способ), шарошек и огневой горелки (термо-шарошечный способ), огневой горелки и ударного инструмента (термоударный способ).
1.2. СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ШПУРОВ
Шпуры бурят вращательным способом с помощью ручных и колонковых сверл ударно-поворотным и ударно-вращательным способами с помощью бурильных молотков соответственно с зави
симым и независимым вращением бурового инструмента, вращательно-ударным способом специальными бурильными
машинами, установленными на каретках. В 50-х годах применялось бурение алмазным
инструментом с использованием легких станков, однако из-за дефицита алмазов и
низкой эффективности бурения оно было заменено ударным.
Вращательное бурение шпуров
Вращательное
бурение шпуров диаметром до 55мм и глубиной
до 5м выполняется сверлами в породах ниже средней крепости, с f
7*
|
|
Рис. 1.1. Электросверла
В этих породах сверла обеспечивают большую производительность, чем машины ударного действия, создают значительно меньший шум, меньшую запыленность воздуха. По роду потребляемой
 |
* здесь и далее f -коэффициент крепости пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова.
Энергии они делятся на пневматические, электрические и гидравлические, а по мощности и способу установки- на ручные и колонковые
Ручные
сверла массой до 24 кг предназначены для бурения шпуров диаметром
до 50 мм и глубиной до 4 м в мягких породах с f
2 при осевом усилии до 300 Н и
оборудованы двигателем мощностью от 1 до 1,4 кВт. Имеются ручные сверла с
принудительной подачей для создания больших
осевых усилий на забой, что позволяет бурить более крепкие породы с f 
4.
Сверление выполняется с руки или с легкой распорной колонки.
Ручные электросверла ЭР-14Д-2М, ЭР-18Д-2М, СЭР-19-2М принципиально выполнены одинаково и отличаются только некоторыми параметрами. В них имеется электродвигатель, вращающий патрон шпинделя (через понижающий редуктор), в который вставляется буровая штанга с резцом (рис. 1.1, а).
В ручных сверлах ЭРП-18Д-2М для принудительной подачи служит специальный механизм, который находится на корпусе редуктора и состоит из червячной пары и барабана, с тросиком, закрепляемым на забое. Это позволяет при натяжении тросика червячной парой развивать осевое усилие на инструмент до 300 Н.
Ручные пневмосверла применяют в особо опасных по взрыву газа или пыли условиях угольных шахт для бурения угля и породы с f <2. Пневмодвигатель с понижающим редуктором вращает патрон с буровым инструментом.
Колонковые сверла массой
100—120 кг с двигателем мощностью 2,5—5 кВт применяются при сверлении шпуров
диаметром до 50 мм, глубиной до 5 м в породах f 6 
7
Колонковое сверло для работы устанавливают на колонках, манипуляторах или буровых каретках. Характеристики и марки сверл приведены в табл. 1.1.
Гидросверло ЭБГП-1 (рис. 1.1,6) создано на базе колонковых сверл путем замены электродвигателя на гидродвигатель с насосом переменной производительности. Осевое усилие на забои создается гидроцилиндром подачи с ходом 0,9 м. Осевое усилие /ос на забой регулируют в пределах от 2000 до 15 000 Н, что позволяет подбирать необходимый режим сверления в зависимости от крепости породы. Максимальный ход шпинделя сверла ЭБГП-1составляет 900 мм.
ТАБЛИЦА 1.1. Техническая характеристика электросверл*
|
Показатели |
Ручные
|
Колонковые ЭБГП-1 |
|||||
|
ЭР14Д-2М |
СЭР-19-2М |
ЭР18Д-2М |
ЭРП-18Д-2М |
СРЗ |
СРЗМ |
||
|
Мощность двигателя, кВт |
1 |
1,2 |
1,4 |
1,4 |
2,6 |
2,6 |
3,5 |
|
Частота вращения шпинделя, об/мин |
860 |
600, 750 960 |
640 |
300 |
335 |
335 |
170, 315 |
|
Усилие подачи на забой, кН |
—— |
|
|
3 |
1 О |
1 3 О |
14,о НО |
|
Масса сверла без колонки и кабеля, кг |
16 |
16,5 |
17 |
24 |
|
|
|
* ЭР - электросверло ручное; СЭР - сверло электрическое ручное; СР - сверло ручное (пневматическое); ЭБГ — электробур с гидроподачей.
Буровой инструмент. Для вращательного бурения шпуров применяют угольные (рис. 1.2,а) и породные (рис. 1.2,б) резцы с лезвиями, армированными пластинками твердого сплава ВК-6, ВК-8, ВК-8В. Витые штанги для вращательного бурения шпуров изготовляют из сталей ромбического, прямоугольного или круглого сечений (рис. 1.3, а, б, в).
Рис. 1.4. Закономерности разрушения породы при вращательном бурении:
а — процесс внедрения резца в породу и ее скол; б — колебания потребляемой мощности двигателем вращателя при бурении: 1, 2, 3, 4 — сколы породы
Рис 1.5. Основные закономерности изменения эффективности вращательного бурения:
а, б - скорость бурения от изменения осевого усилия (а) и частоты вращения (б); в – изменение рациональных параметров бурения с увеличением крепости пород: 1- осевого усилия; 2- скорость бурения; 3- удельного износа инструмента; 4- частоты вращения
Для бурения с промывкой применяют шестигранные или круглые штанги с осевым каналом диаметром 6-8 мм, в который подается вода через муфту для боковой промывки, одеваемую на штангу.
Механизм и основные закономерности разрушения породы. Процесс разрушения породы на забое вращающимся резцом включает два повторяющихся цикла: вдавливание режущих лезвий под действием осевого усилия Рос и образование перед ними определенного объема тонкоизмельченной породы и скола породы под действием крутящего момента Мкр в виде элементов стружки перед передней гранью сопротивление продвижению лезвия и потребляемая мощность увеличиваются до максимума а после скола породы — снижаются до минимума. Цикличность процесса разрушения иллюстрируется графиком потребляемой двигателем сверла мощности N, колеблющейся во времени (t, мс) от минимума до максимума (рис. 1.4, б).
С увеличением осевого усилия на инструмент скорость бурения увеличивается до некоторого предела, после чего ее рост замедляется из-за недостаточного удаления продуктов разрушения с забоя (рис. 1.5). При малых значениях Рос (участок 1) разрушение имеет характер истирания и скорость бурения невелика. При чрезмерно больших Рос (участок III) абразивный износ и число поломок лезвий возрастают. Лучшие условия бурения — па участке II. С увеличением частоты вращения скорость бурения пропорционально возрастает, а затем темп роста снижается и возникают вибрации. С увеличением коэффициента крепости породы рациональные значения осевых усилий возрастают, а частоты вращения уменьшаются.
Целесообразно применять максимально возможные осевые усилия, а частоту вращения выбирать исходя из допустимого уровня вибраций. При изменении коэффициента крепости пород с 1 до 8 скорость бурения снижается с 4 до 0,3 м/мин, а удельный износ инструмента увеличивается в 10—15 раз.
Ударный способ бурения шпуров
Ударное бурение шпуров производится бурильными молотками, которые различаются: по частоте ударов — на обычные с числом ударов в минуту до 2000, и высокочастотные, с числом ударов более 2000; по принципу вращения бура — с зависимым и независимым вращением; по способу применения — на ручные (ПР) или переносные (ПП), колонковые (ПК, КС) и телескопные (ПТ); по массе — на легкие (до 18 кг), средние (20—25 кг) и тяжелые (более 30 кг); по способу очистки шпура — с встроенной, центральной и с боковой промывкой, с отсосом пыли от забоя; по типу рабочего агента — на пневматические, гидравлические и электрические.
Пневматические
бурильные молотки работают на сжатом воздухе под давлением (5
6) 105 Па и предназначены для
бурения шпуров и скважин любого направления диаметром 28—85 мм и глубиной 4—25
м в породах любой крепости.
Ручные переносные и колонковые бурильные молотки применяются преимущественно для бурения горизонтальных, наклонных и нисходящих шпуров, а телескопные — для бурения восходящих шпуров.
Пылеподавление
обеспечивается промывочной жидкостью, которая в количестве не менее 4 л/мин
подается к забою шпура через центральный канал под давлением (45) 105 Па. При отсутствии воды
и в условиях многолетней мерзлоты применяются бурильные молотки с отсосом
буровой мелочи из забоя шпура с последующим сухим пылеулавливанием.
Для бурения шпуров при проходке стволов шахт выпускаются бурильные молотки с индексом С в марке (ПП-63С). Бурильные молотки с центральной промывкой имеют индекс В (ПП-50В), с боковой промывкой — индекс ВБ (ПП-54ВБ).
Завод «Пневматика» выпускает переносные бурильные молотки ПП 36В ПП-50В; ПП-54В; ПП-54ВБ; ПП-63ВБ; ПП-63С, завод «Коммунист» — ручные ПР-25МВ, телескопные — ПТ-29М, ПТ-36М и колонковые — ПК-60 и ПК-75 (табл. 1.2).
Все бурильные молотки (рис. 1.6) имеют поршень-ударник 6, который в цилиндре 3 под действием рабочего агента (сжатого воздуха или жидкости) совершает поступательно-возвратные движения и наносит удары по хвостовику бура 9, удерживаемого буродержателем 8. При холостом ходе (влево) поршень с помощью геликоидального стержня 5 храпового устройства 4 поворачивается на некоторый угол, поворачивая при этом буровой инструмент через поворотную и соединительную муфту 7. Воздухораспределение производится устройством 2, в которое сжатый воздух поступает через крышку 1. Вода для промывки подается по шлангу 10, а все узлы бурильного молотка стягиваются болтами 11.
Бурильные молотки применяются для бурения шпуров при проведении выработок, подземной отбойке угля и руд, в небольших карьерах, при вторичном дроблении негабарита и других работах. Бурильные молотки легкие и средние устанавливаются на пневмоподдержках, а тяжелые —на колонках или манипуляторах буровых кареток, применяемых на карьерах (рис. 1 7) при проходке выработок или отбойке руд.
В последние годы при подземной добыче руд черных и цветных металлов для отбойки широко применяют скважины и шпуры диаметром 50-70 мм и глубиной 5-20 м. Их бурение выполняется самоходными буровыми каретками на пневмошинном (рис. 1.8,а) или гусеничном (рис. 1.8,б) ходу. Эти каретки используются в комплексе с зарядным и погрузочно-транспортным самоходным оборудованием. На них применяются мощные бурильные молотки с независимым вращением. В последние годы разработаны и внедряются гидроударные машины, более производительные, чем пневматические.
Технические характеристики пневматических бурильных молотков приведены в табл. 1.2.
Буровой
инструмент для ударного бурения состоит из сплошных (рис. 1.9, а, б) или
составных буров (рис. 1.9, в) и коронок. Сплошной бур представляет собой
стержень из буровой стали, имеющей с одного конца породоразрушающую головку, а
с другого - хвостовик для установки в бурильном молотке.
Составные буры состоят из штанги с хвостовиком и съемной коронки. Соединение
со штангой съемной коронки — резьбовое или конусное под углом 3°30
.
ТАБЛИЦА 1.2
Технические параметры и характеристики бурильных молотков
|
Марка бурильного молотка |
Масса, кг |
Длина, мм |
Диаметр поршня, мм |
Расход воздуха*, м3/мин |
Энергия удара, Дж |
Крутящий Момент
,Н |
Ударная мощность, кВт |
Диаметр коронки, мм |
|
Переносные (ручные) |
||||||||
|
ПП-36В, ПР-20Н |
24 |
735 |
70 |
2,8 |
38 |
12 |
1,60 |
32—46 |
|
ПП-50В, ПР-19 |
30 |
648 |
68 |
2,5 |
44 |
12,2 |
2,10 |
36—40 |
|
ПП-54В, ПР-25Л |
32 |
875 |
85 |
3,5 |
57 |
17,6 |
2,12 |
36—56 |
|
ПП-54ВБ |
32 |
885 |
85 |
3,5 |
57 |
17,6 |
2,12 |
36—56 |
|
ПР-22 |
24,5 |
670 |
72 |
2,8 |
54 |
17,6 |
1,66 |
36—50 |
|
ПП-63В |
24,0 |
860 |
70 |
3,5 |
64 |
14,7 |
1,84 |
36—56 |
|
ПП-63ВБ |
27,5 |
850 |
70 |
3,5 |
64 |
14,7 |
1,84 |
36—56 |
|
ПП-63С |
29,5 |
930 |
70 |
3,5 |
64,7 |
14,7 |
1,84 |
36—56 |
|
ПР-25МВ |
25 |
735 |
72 |
3,0 |
54 |
17,6 |
1,70. |
36—50 |
|
Телескопные |
|
|||||||
|
ПТ-29М |
40 |
1470 |
76 |
3,3 |
44 |
20 |
1,92 |
36—45 |
|
ПТ-36М |
52 |
1430 |
100 |
4,5 |
78 |
29 |
3,70 |
36—85 |
|
Колонковые |
|
|||||||
|
ПК-60 |
60 |
575 |
ПО |
9,0 |
88 |
175 |
4,10 |
40—65 |
|
ПК-75 |
75 |
600 |
120 |
13,0 |
147 |
245 |
4,85 |
65—85 |
м
* При нормальном давлении.
Рис. 1.7. Каретка для тяжелых бурильных молотков
Штанги соединяются муфтами с внутренней резьбой упорного или веревочного профиля. Некоторые зарубежные фирмы накатывают резьбу по всей длине штанг, чем значительно облегчают их восстановление при поломках.
Для мягких пород угол приострения лезвия должен быть 90°, для пород средней крепости 100—110° и для крепких 120°.
Коронки армируются твердым сплавом ВК-8В, ВК-ПВ, ВК-15 в виде пластинок или цилиндрических штырей и выпускаются следующих типов: долотчатые пластинчатые (КДП) и штыревые (КДШ); трехперые пластинчатые (КТП) и штыревые (КТШ); крестовые пластинчатые (ККП) и штыревые (ККШ); Х-образные пластинчатые (КХП); Х-образные штыревые (КХШ) и штыревые одноразового использования (КОШ). Для коронок установки следующий ряд наружных диаметров: 28, 32, 36, 40, 43,46, 52,60, 65, 75, 85 мм. Наиболее широко применяются коронки крестовой и долотчатой форм (рис. 1.10). Коронки долотчатой формы в монолитных породах обеспечивают наибольшую скорость бурения. Коронки крестовой формы применяют для бурения шпуров и скважин в трещиноватых породах.
Рис. 1.8. Самоходные буровые каретки с гидроударными молотками
В процессе бурения происходит затупление лезвия коронки, износ ее по диаметру. Поэтому при замене затупившейся коронки следующую берут меньшего диаметра (на 1-2 мм). Разницу в величинах диаметра двух последовательно работающих коронок называют шагом. Набор коронок, необходимых для бурения, шпуров или скважин, называют комплектом.
Для изготовления штанг применяют шестигранную или круглую прутковую сталь диаметром 19, 22 и 25 мм марок 28хГНЗМ и 55-С2 с внутренним осевым каналом диаметром 6—7 мм.
Вибрация и шум при работе бурильного молотка возникают за счет возвратно-поступательных движений поршня-ударника.
Выпускаемые бурильные молотки создают вибрации корпуса выше нормы на всех частотах. Поэтому их следует эксплуатировать с виброзащитными устройствами, в качестве которых применяют рукавицы с полихлорвиниловыми вкладышами, пружинные устройства для ручных бурильных молотков, виброгасящие рукоятки для телескопных.
Шум при работе бурильного молотка возникает в результате соударения поршня с хвостовиком бура и выхлопа отработанного воздуха. При длительном воздействии высокого уровня шума у рабочих происходит потеря слуха и поражается нервная система.
Рис. 1.9. Буровой инструмент:
а — крестовый; б — долотчатый; в — составной бур: 1—штанга; 2 — коронка; 3 — пластинки твердого сплава
Рис. 1.11. Схема разрушения породы при ударном бурении:
1-зона дробления; 2 - разрушенный: слой; 3 - зона растрескивания; 4 - зона скола
Бурильные молотки по уровню шума превышают существующие нормы на всех частотах. Поэтому их выпускают и эксплуатируют с глушителями шума. Так, заводы «Пневматика» и «Коммунист» выпускают бурильные молотки с глушителями шума в виде резиновых колпаков, устанавливаемых на выхлопное устройство. Применяются заглушки для ушей из ткани ВПА-Ш, снижающие уровень шума на 15—30 дБ, а также специальные наушники (антифоны), снижающие особенно эффективно высокочастотные шумы, что позволяет рабочим слышать разговорную речь. Радикальным средством защиты рабочих от вибрации и шума является применение буровых кареток с дистанционным управлением.
Механизм и закономерности разрушения породы при ударном бурении. При внедрении в породу под действием удара поршня лезвия инструмента вокруг него (рис. 1.11, а) образуется зона тонко измельченной породы. При достаточной энергии контур зоны разрушения в сечении имеет форму элемента окружности, к которой примыкает зона породы, разрушенной радиальными трещинами на секторы. У поверхности забоя трещины изгибаются и, выходя на поверхность, образуют зону скола. После завершения разрушения лезвие следует повернуть на такой угол, чтобы при следующем внедрении произошел скол секторов породы между двумя смежными ударами (рис. 1.11,б).
Скорость ударного бурения зависит от осевого усилия, давления сжатого воздуха, диаметра и глубины буримых шпуров, степени притупления лезвий. С увеличением осевого усилия до некоторого критического скорость бурения достигает максимума благодаря лучшей передаче энергии от поршня через бур породе, а затем бурильный молоток начинает работать неустойчиво, так как крутящий момент на буре становится недостаточным для преодоления его силы трения о забой. Это особенно характерно для бурильных молотков с зависимым вращением бура (рис. 1.12). При ударном бурении следует работать при возможно больших осевых усилиях, допустимых по величине крутящего момента.
С
увеличением давления воздуха увеличивается сила, действующая на поршень,
увеличивается его скорость движения, частота, энергия ударов и скорость
бурения. Однако вместе с этим увеличиваются шумы, вибрации и число поломок
бурового инструмента. При бурении рекомендуется применять давление сжатого
воздуха не выше 5
6 105 Па.
Вместе
с тем зарубежный опыт бурения мощными бурильными молотками при давлении воздуха
(1520) 105 Па показал, что при
этом наблюдается пропорциональный рост скорости бурения.
Рис. 1.12. Зависимость скорости бурения от осевого усилия: 1—ПР-19; 2 — ПР-25; 3— КС-50
Рис. 1.13. Зависимость показателя n, линейной vл и объемной vоб скоростей бурения от диаметра шпура
С увеличением диаметра коронки ( шпура) в единицу времени требуется разрушить объем породы, увеличивающийся пропорционально площади забоя. Поэтому приближенно можно принять, что скорость бурения изменяется обратно пропорционально квадрату диаметра. В действительности показатель степени может меняться от 1 до 2,5:
vоvx=(dx/do)n. (1.1)
При большой энергии удара и небольшом диаметре коронки часть подведенной энергии будет бесполезно затрачена на переизмельчение продуктов разрушения по забою. С увеличением диаметра шпура линейная скорость уменьшается обратно пропорционально отношению диаметров в степени меньше 2. На определенном диапазоне изменения диаметров достигаются оптимальные условия разрушения, и линейная скорость изменяется обратно пропорционально квадрату диаметра шпура, а объемная почти не меняется. При дальнейшем увеличении диаметра энергии удара становится недостаточно для эффективного разрушения породы, скорость резко снижается, а показатель степени n становится больше 2 (рис. 1.13).
С увеличением глубины шпуров увеличивается масса бура, ухудшаются условия передачи энергии к забою и его очистки, увеличивается необходимая величина крутящего момента. При этом скорость бурения снижается, а затем бурение прекращается.
При полном контакте инструмента с породой, эффективном удалении продуктов разрушения с забоя и достаточном крутящем моменте удается бурить скважины глубиной 40 м и более без снижения скорости бурения. При таких условиях энергия для разрушения породы передается от поршня-ударника через бур в виде волновых импульсов. По такой схеме передачи энергии при бурении, впервые использованной проф. Е. В. Александровым, лучшие результаты получены в хрупких породах, эффективно разрушающихся под действием волновых импульсов.
Для нормального бурения породы необходимо обеспечить в момент удара полное прилегание лезвия инструмента к породе. В процессе бурения происходит затупление лезвий, более интенсивное на периферийных частях коронок. Пока не удалось создать лезвие равного износа. Для каждой степени притупления лезвия имеется рациональное значение энергии удара, при котором энергоемкость разрушения минимальна. В связи с тем что бурильные молотки имеют постоянную энергию единичного удара, рекомендуется заменять коронки, если скорость бурения снизилась на 30— 40 % первоначальной. Бурение затупленной коронкой является причиной повышенного износа (расхода) твердого сплава и снижения производительности труда бурильщика. Кроме того, при бурении затупленной коронкой в инструменте генерируются импульсы с более высокими напряжениями, что приводит к поломкам инструмента и пластинок твердого сплава. При остром лезвии из-за больших удельных нагрузок наблюдается его повышенный износ, вследствие чего рекомендуется при переточках лезвий оставлять на острие площадку притупления шириной 0,2 мм.
Чистая скорость бурения пневматическими бурильными молотками при давлении воздуха 5-105 Па с увеличением коэффициента крепости пород с 5 до 20 снижается с 0,5—0,6 до 0,05—0,06 м/мин. Наиболее совершенные гидроударные машины на буровых каретках обеспечивают в этих же породах чистую скорость бурения 2,5—0,8 м/мин., т.е. в 5-10 раз более высокую, чем пневматические бурильные молотки.
Рис. 1.14. Станки вращательного бурения
1.3. СПОСОБЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Вращательное бурение скважин
Вращательное
(шнековое) бурение легкими (СБР-125) и тяжелыми (СБР-160) станками вертикальных
и наклонных скважин диаметром 110-160мм применяется на карьерах,
разрабатывающих породы с f
6.
Легкие
станки шнекового бурения (Рис. 1.14, а) имеют трубчатую
раму
1 с направляющими для вращателя 2, состоящего из электродвигателя и редуктора.
К патрону вращателя крепится
буровой став 3 из штанг-шнеков.
Направляющие вращателя можно устанавливать в вертикальном или наклонном
положении с углом наклона до 30 ° к вертикали. Передвижение станка выполняется
шагающим механизмом, осевое усилие на резец создается массой вращателя и
бурового става. Производительность станка в породах с f
3 составляет 40—120 м/смену.
Тяжелые
станки (рис. 1.14,б) имеют гусеничный
ход, обеспечивают бурение вертикальных и наклонных скважин в по родах с f = 6
8, так как большая масса вращателя создает
значительные осевые усилия на забой. Производительность станков по породам с f=4 составляет 70-120 м/смену. С увеличением крепости
пород сменная производительность станков
снижается до 10 м, а износ инструмента растет. В связи с этим их применение в
более крупных породах становится нерациональным. Создаются станки с
механизацией наиболее трудоемкой операции при бурении сборке и разборке
шнекового бурового става.
Буровой
инструмент для вращательного бурения состоит из набора штанг, шнеков и резцов.
Штанга (рис. 1.15, а) представляет собой трубу с приваренной к ней спиралью из
полосовой стали, армированной по наружной кромке наплавкой твердого сплава. Для
разрушения пород, наиболее широко применяются резцы с закругленными лезвиями,
армированные цилиндрическими вставками твердого сплава (рис. 1.15, б, в).
Разработаны долота со съемными резцами (рис. 1.15, г, д), которые обеспечивают
по породам с f = 46 увеличение скорости бурения в 1,5—3 раза
и снижение стоимости бурения скважины в 2 раза по сравнению с обычными
резцами.
По
мере увеличения крепости пород с 24-3 до 6
8 и возрастания абразивности пород
проходка на резец уменьшается с 500 до 20 м. Наибольшую стойкость (до 2000 м)
имеют резцы со сменными режущими элементами.
Закономерности разрушения при шнековом бурении скважин и шпуров аналогичны (см. п. 1.2).
При шнековом бурении до 15 % глубины скважины теряется из-за неполного удаления продуктов разрушения. Для устранения этого недостатка Б. А. Катанов предложил шнеко-пневматический способ их удаления, при котором по штангам к забою и к полым лопастям шнеков подается сжатый воздух, который способствует псевдоожижению буровой мелочи, лежащей на шнеках. В результате этого эффективность ее удаления из скважины резко возрастает и скорость увеличивается. Кроме того, затраты мощности на вращение става значительно (до 1,5 раз) снижаются, а это позволяет бурить более глубокие скважины.
Техническая характеристика станков вращательного бурения
|
Диаметр скважины, мм..... |
СБР-125
125 |
СБР-160
160 |
|
Глубина скважины, м...... |
24 |
24 |
|
Частота вращения бурового инструмента, об/мин......... |
220 |
80, 124, 160, 248 |
|
Осевое усилие на буровой инструмент, кН......... |
ДО 10 |
до 80 |
|
Мощность электродвигателя вращателя, кВт........... |
22 |
40
|
|
Масса станка, т ........ |
2 |
12 |
Бурение скважин погружными пневмоударниками
Этот способ бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 85—110 мм глубиной до 40 м и более широко применяется при подземной добыче руд, а также на карьерах небольшой и средней производственной мощности.
Станки
с погружными пневмоударниками (рис. 1.16, а) делятся на легкие (СБУ-100П,
СБУ-100Г), средние (СБУ-160) и тяжелые (СБУ-200) и предназначены для бурения
скважин диаметром 85-105, 160 и 200 мм и более. Известны зарубежные станки для
бурения погружными пневмоударниками специальных скважин диаметром 670 мм.
Рис. 1.15. Буровой инструмент для вращательного бурения
ТАБЛИЦА 1.3 Техническая характеристика станков для бурения скважин погружными пневмоударниками
|
Показатели |
На карьерах |
При подземной добыче руд |
|||||
|
1СБУ-125 |
СБУ-100Г |
СБУ-100П |
БМК-1 |
НКР-100м |
ЛПС-3 |
||
|
на гусеничном ходу |
на пневмошинном ходу |
||||||
|
Диаметр скважины, мм |
105, 125 |
105, 125 |
100—125 |
100—125 |
105 |
105 |
155 |
|
Глубина скважин, м |
22 |
22 |
35 |
35 |
35 |
50 |
35 |
|
Направление бурения от вертикали, градус |
— 14; 30 |
0; 30 |
0,15, 45° |
0, 15, 45° |
Полный веер
|
||
|
Частота вращения снаряда, об/мин |
27, 40, 80 |
0—60 |
0—60 |
0—60 |
41 |
76 |
30-40 |
|
Максимальное усилие подачи, кН |
15 |
24 |
7,6 |
7,6 |
750 |
600 |
900 |
|
Ход подачи, мм |
2500 |
600 |
1000 |
1000 |
1000 |
365 |
1000 |
|
Диаметр штанги, мм |
89 |
114 |
89 |
89 |
89 |
63,5 |
50 |
|
Длина штанги, мм |
2500 |
9000 |
900 |
900 |
960 |
1200 |
960 |
|
Расход сжатого воздуха, м3/мин |
5,0 |
14,4 |
5-6 |
5-6 |
6 |
7 |
10 |
|
Масса станка, т |
5 |
9 |
5,0 |
4,0 |
0,34 |
0,63
|
0,36
|
Техническая характеристика буровых станков с погружными пневмоударниками для карьеров приведена в табл. 1.3. Средние и тяжелые станки серийно не выпускаются. Буровой станок 1СБУ-125 (рис. 1.16,6), разработанный НИПИгормаш, представляет собой самоходную установку на гусеничном 1 и пневмошинном ходу с кабиной 3 для бурильщика. Во время работы станка вращатель 5 бурового става 6 движется по направляющим 4. Управление гидродомкратами производится с помощью кранов 2.
Станок НКР-100м (см. рис. 1.16, а) устанавливается консольно на распорной колонке 1, что позволяет бурить круговой веер скважин. Буровой став вращается от электродвигателя через редуктор, а подача на забой выполняется с помощью пневмоцилиндра 2. Вращательное и осевое движение буровому ставу 4 и пневмоударнику 3 передается двумя зажимными пневматическими патронами 5 и 6, которые работают в полуавтоматическом режиме.
Станки БМК.-4 и ЛПС-3 работают только на сжатом воздухе, а буровой став на забой подается с торца на всю длину штанги.
Погружные пневмоударники и долота. Одна из последних конструкций погружных пневмоударников приведена на рис. 1.17. На базе этой конструкции разработан типажный ряд пневмоударников для бурения скважин диаметром l05, 125, 160 и 200 мм (табл.1-4).
-
ТАБЛИЦА 1.4
Техническая характеристика погружных пневмоударников (при рабочем давлении 5-105 Па)
|
Показатели |
М-1900УК |
П-105 |
П-125 |
П-160 |
П-200 |
|
Диаметр скважин, мм |
105 |
105 |
125 |
160 |
200 |
|
Энергия удара, 9,8 Дж |
7,5 |
9,8 |
15,5 |
32 |
42 |
|
Частота ударов в минуту |
1750 |
1620 |
1250 |
1275 |
1150 |
|
Мощность удара, кВт |
2,15 |
2,6 |
3,2 |
6,7 |
7,9 |
|
Скорость движения поршня в момент удара, м/с |
9,3 |
7,9 |
7,4 |
7,9 |
6,6 |
|
Масса поршня-ударника, кг |
1,7 |
3,1 |
5,6 |
10 |
19 |
|
Расход воздуха при нормаль- ном давлении, м3/мин |
5,7 |
5,7 |
7 |
12 |
16 |
|
То же, на 1 кВт мощности |
1,44 |
1,2 |
1,2 |
9,8 |
1,1 |
|
Диаметр корпуса, мм |
92 |
92 |
110 |
140 |
176 |
|
Длина пневмоударника, мм |
380 |
605 |
652 |
760 |
900 |
|
Масса пневмоударника, кг |
11,7 |
20,0 |
31 |
58 |
110 |
|
Долото |
БК-105 |
К-105 |
К-125, К-125-1 |
К-165 |
К-205 по |
|
Масса долота, кг |
3,4 |
3,5 |
5,6 |
13 |
23 |
Поршень-ударник совершает возвратно-поступательные движения под действием давления воздуха или воздушно-водяной смеси, нанося удары по хвостовику долота с частотой 1500 ударов в минуту и более.
Мероприятия для повышения эффективности разрушения породы при бурении погружными пневмоударниками.
1. Создание пневмоударников с повышенной энергией удара (до 20 Н на 1 см диаметра скважины) и пониженным числом ударов в минуту (менее 1500). Скорость бурения вследствие этого возрастает в 2—2,5 раза. Для таких пневмоударников должны быть созданы высокостойкие породоразрушающие долота, в 5—8 раз превосходящие по стойкости долота, выпускаемые в настоящее время.
2.Создание
пневмоударников для бурения скважин диаметром 60—75 мм, работающих на
повышенном давлении воздуха. Опытные работы ИГД СО АН СССР показали, что при
давлении воздуха 20-105 Па пневмоударник
диаметром 60 мм бурит породы с f = 12
15 со скоростью 1—2 м/мин. Пневмоударники
для скважин уменьшенного диаметра могут быть эффективны только при работе на
повышенном давлении воздуха.
3.Продолжение работ по созданию высокоэффективных и надежных пневмоударников для бурения скважин диаметром 160— 200 мм на карьерах. Отсутствие конструкций таких пневмоударников не позволяет пока создать эффективные станки для бурения скважин увеличенных диаметров.
В качестве породоразрушающего инструмента для погружных пневмоударников применяются долота трехперые (рис. 1.18, а) с опережающим лезвием и крестовые (рис. 1.18,б), армированные стандартными пластинками твердого сплава ВК-НВ, ВК-15. Качество этих долот низкое, из-за чего наблюдаются поломки пластинок твердого сплава и корпусов. Все шире применяются более эффективные породоразрушающие долота, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава со сферической поверхностью. Один из перспективных типов долот для погружных пневмоударников показан на рис. 1.18, в. Геометрическую форму и размеры ударника и долота целесообразно принимать примерно одинаковыми и по возможности цилиндрической формы с плавными переходами, что обеспечивает больший эффект разрушения породы.
Механизм и закономерности разрушения породы при бурении погружными пневмоударниками и бурильными молотками аналогичны. Энергия удара на единицу длины лезвия долота пневмоударника в среднем в два раза ниже, чем у бурильного молотка. За счет этого снижается скорость бурения и увеличивается износ инструмента на единицу длины пробуренной скважины.
С
увеличением осевого усилия на долото улучшаются условия передачи энергии и
эффективность разрушения породы и в то же время вследствие более сильного
прижатия долота к породе увеличивается абразивный износ лезвий. Рекомендуется
с увеличением коэффициента крепости пород с 4 до 16 для пневмоударников
диаметром 105 мм увеличивать осевое усилие Рос с 1 до 4 кН, частоту вращения n снижать со 120 до
45 об/мин, а давление воздуха р увеличивать
с 4
105 до 7
105 Па (рис. 1.19).
На карьерах производительность станков с погружными пневмоударниками при диаметре 105 мм составляет 15—30 м скважин, или 150—300 м3 обуренной горной массы в смену при среднем выходе 10 м3 породы с 1 м скважины. Шарошечные станки для бурения скважин 215-243 мм в этих же условиях дают сменную производительность 40-60 м, или 1400-2100м3 обуренной горной массы т.е. в 7-10 раз более высокие показатели, чем пневмоударные станки. Поэтому их применяют на мелких карьерах и объектах, где нет возможности эффективно использовать дорoгие высокопроизводительные шарошечные станки. Как показывает зарубежный опыт, в таких условиях эффективны легкие маневренныe станки оснащенные мощными пневматическими или гидравлическими бурильными молотками с независимым вращением для бурения скважин диаметром 60—80 мм со сменной производительностью 100—200 м. Они могли бы полностью заменить на карьерах и других объектах дорожного и гидротехнического строительства станки с погружными пневмоударниками.
При подземной разработке рудных месторождений станками с погружными пневмоударниками обуривается более 50 % объемов добываемой руды, так как нет других способов бурения скважин диаметром 80—105 мм и глубиной 40— 60 м с производительностью 10— 30 м в смену. С 1970 г. при добыче ценных руд системами с твердеющей закладкой внедряются скважины уменьшенного диаметра 60— 70 мм, которые бурят высокопроизводительными станками с мощными бурильными молотками со сменной производительностью, достигающей 150 м. Основной недостаток этих станков — ограниченная глубина бурения (15—20 м) из-за значительного искривления скважин вследствие слабой устойчивости бурового става станков.
Небольшая глубина скважин требует проведения большого объема подготовительно-нарезных выработок для выемки руд, что существенно увеличивает стоимость добычи. Доказано, что для разработки мощных месторождений хорошо дробимых руд с устойчивыми вмещающими породами целесообразно применять скважины диаметром 150 мм и более (Таштагольское, Криворожское месторождения железных руд и т. п.). Для работы с пневмоударным станком НКР-Ю0М в ИГД СО АН СССР созданы опытные модели расширителей скважин диаметром 150—212 мм. Для повышения точности бурения скважин в МГИ, НИГРИ, СКГМИ созданы опытные центраторы бурового става станков НКР-Ю0М, что позволяет увеличить полезную глубину бурения до 80 м.
Анализ, выполненный в ИГД СО АН СССР, показывает, что путем повышения стойкости инструмента, повышения скорости бурения, сокращения затрат времени на выполнение вспомогательных операций
можно увеличить производительность станка НКР-ЮОМ в 1,5-2 раза (рис. 1.20).
В связи с необходимостью добычи подземным способом огромных объемов крепких железистых кварцитов в Кривом Роге предложено скважины диаметром 500-800 мм проходить следующим образом.
Погружными пневмоударниками бурятся три—пять сближенных на расстоянии 0,3—0,4 м скважин диаметром 105 мм располагаемых в вершинах треугольника, четырехугольника и т. д. с центральной незаряженной скважиной или без нее. Секционным взрыванием (высота секции 3—5 м) таких скважин разрушается порода, расположенная между ними и вокруг, и в результате образуется скважина — выработка большого диаметра.
Бурение скважин шарошечными долотами
Более 70 % взрывных скважин диаметром 215—320 мм на карьерах бурят шарошечными станками. В перспективе процент бурения этим способом еще более возрастет. При подземной разработке руд бурение шарошечными долотами применяется редко из-за большого диаметра (145 мм) скважин и неудобства эксплуатации тяжелого шарошечного станка БШ-145М.
Шарошечное долото — породоразрушающий инструмент, представляющий собой конструкцию, сваренную в основном из трех лап, на консольных осях которых на роликовых и шариковых подшипниках вращаются шарошки. Шарошки — это конусы, на поверхности которых имеется несколько рядов (венцов) породоразрушающих элементов: зубцов или штырей (рис. 1.21).
Примененные в некоторых конструкциях долот опоры скольжения позволяют увеличить удельные осевые усилия на долото, но требуется снижение частоты вращения, чтобы уменьшить их
ТАБЛИЦА 1.5
Номенклатура шарошечных долот, выпускаемых отечественной промышленностью для бурения взрывных скважин
|
Изготовитель |
Типоразмеры долот |
|
П/о Куйбышевбурмаш |
2К-190 ОКП; Ш215, 9Т-ПВ, Ш215, 9ТК-ПВ*, Ш215, 9ТКЗ-ПВ, Ш215, 9ТЗ-ПВ*, Ш215К-ПВ, Ш215, 90К-ПВ |
|
Верхне-Сергинский долотный завод |
1В-145К (Ш146ТЗ-ПВ, Ш14ТЗ-ПВ, 1Ш46К-ПВ, Ш1460К-ПВ)**; В-190СТП, В-190ТП, В-190ТКП, В-190ТЗП, В-190КП, IB-243KП* (Ш244, 5К-ПВ 1В-2430КП (Ш244, 50К-ПВ) |
|
Дрогобычский долотный завод |
2У-243ТП (Ш243Т-ПВ); 1У-243ТЗП (Ш244, 5ТЗ-ПВ). 1У-243КП* (Ш244, 5К-ПВ); ЗУ-2430КП Ш244 50К-ПВ); 1У-2690КП (Ш269, 9К-ПВ), Ш269, 90К-ПВ). |
|
Востокмашзавод |
2Ш-1450К (Ш146К-ПВ; Ш1460К-ПВ); Ш3200КП (Ш320К-ПВ, Ш3200К-ПВ) |
|
Поваровский опытный завод |
Ш222, ЗК-ПВ, Ш222, ЗОК-ПВ, Ш244, 5К-ПВ, Ш-244, 50К-ПВ, Ш250, 8К-ПВ Ш250, 80К-ПВ, Ш269, 9K-IIB, Ш209, 90К-ПВ Ш320К-ПВ, Ш3200К-ПВ |
*Опытно-промышленные партии долот. ** В скобках указаны новые типоразмеры долот в соответствии с ГОСТом 20692-75
При вращении долота под большим осевым усилием зубцы шарошек разрушают породу, перекатываясь по забою. Если зубцы выполнены из одного материала с шарошкой, долото
Называется зубчатым, если зубцы выполнены в виде запрессованных или запаянных цилиндрических вставок твердого сплава с клиновой, сферической или другой рабочей поверхностью, то долото называется штыревым.
Область применения долот обозначена буквой в конце его марки: М — для мягких, С —для средних, Т —для твердых, К —для крепких, ОК— для очень крепких пород.
Для долот, имеющих в лапах каналы для подачи в подшипники сжатого воздуха и смазки, в марке содержится буква П Кроме того в марке долота указывается его диаметр в миллиметрах и буквой обозначен завод-изготовитель (табл. 1.5).
Выпущены опытные партии комбинированных зубчато-штыревых долот с чередующимися в венцах стальными зубцами и штырями твердого сплава. Такие долота предназначены для бурения
Рис. 1.22. Принципиальная схема бурового става для принудительной смазки подшипников опор шарошечных долот и пылеподавления в стволе скважины:1 — емкость с маслом; 2 — резервуар с маслом; 3 — центральный канал для подачи воздуха; 4 — компрессор; 5—насос установки
перемежающихся по крепости пород и имеют индекс ТК. Шарошечные долота с клиновыми штырями имеют индекс ТЗ. Таким образом, в марке долота указываются все необходимые сведения для их выбора.
При бурении серийные зубчатые долота выходят из строя в результате износа зубцов, а штыревые — в основном (80 % и более) вследствие заклинивания подшипников опор долот при работоспособном породоразрушающем вооружении.
Особенно часто происходит заклинивание подшипников опор при попадании в них жидкой суспензии буровой мелочи, образующейся в результате подачи на забой воздушно-водяной смеси для удаления продуктов разрушения и пылеподавления.
Продукты разрушения из скважины удаляются сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью.
При бурении в обводненных массивах в период наращивания бурового става смесь воды и буровой мелочи поднимается в скважине и попадает в продувочные каналы опор. Преждевременный выход долот из строя снижает технико-экономические показатели бурения. Поэтому разрабатываются устройства, исключающие попадание буровой мелочи в опоры, за счет чего увеличена стойкость подшипников опор и долот.
С этой целью в долотах устанавливаются обратные клапаны различных конструкций, препятствующие попаданию смеси буровой мелочи с водой в каналы опор; герметизированные опоры долот, в которых используются уплотнительные соединения специальных конструкций; лубрикаторы, маслоотражательные втулки и буровые ставы различных конструкций, обеспечивающие при бурении принудительную подачу смазки в опоры долот (рис. 1.22); забойные наддолотные амортизаторы, снижающие динамические нагрузки на опоры долот и на станок. Пылеподавление осуществляется диспергированной водой, подаваемой в затрубное пространство скважины на расстоянии 0,6—1 м от забоя.
В результате применения пылеподавления в затрубном пространстве и принудительной смазки опор стойкость долот увеличивается в 2—3 раза.
Шарошечные буровые станки. В настоящее время серийно выпускаются станки 2СБШ-200Н (рис. 1.23,а), СБШ-250МН (рис. 1.23,6), СБШ-320 (рис. 1.23, б). На объектах дорожного и гидротехнического строительства широко применяются автономные станки на тракторе типа БТС-150 (рис. 1.23, г). Характеристики станков приведены в табл. 1.6. Для подземного бурения скважин диаметром 145 мм выпускается станок БШ-145М (рис. 1.24).
Созданы опытные модели шарошечных станков для бурения скважин диаметром 76—95 мм, их внедрение в промышленность обусловливает необходимость серийного выпуска работоспособных шарошечных долот соответствующего диаметра.
Шарошечные станки для карьеров выпускаются на гусеничном
ходу, они достаточно маневренны при большой массе, необходимой
для создания высоких осевых усилий
на долота (10
20) кН на
Рис. 1.23. Шарошечные станки для карьеров
ТАБЛИЦА 1.6 Техническая характеристика шарошечных станков для бурения скважин на карьерах
|
Показатели Диаметр скважин, мм |
2СБШ-200 214 |
2СБШ-200Н 190; 214 |
СБШ-250МН 243; 269 |
СБШ-250К 400 |
СБШ-320 320 |
Руслан 320 |
БШ-145М 145 |
|
Глубина скважин, м |
32 |
40 |
32 |
19 |
40 |
30 |
100 |
|
Направление бурения к горизонту, градус |
90 |
60, 75, 90 |
90—60 |
90 |
90 |
90 |
Верхняя полусфера |
|
Осевое усилие, 104 Н |
22 |
30 |
30 |
30 |
60 |
70 |
17 |
|
Частота вращения долота, об/мин |
15—316 |
15—240 |
30—152 |
0—150 |
30—130 |
0—200 |
146 |
|
Производительность компрессора, м3/мин |
20 |
20 |
25 |
25 |
50 |
40,5 |
— |
|
Ход подачи, м |
1,1 |
1,1 |
8 |
9,5 |
19,5 |
1,0 |
0,75 |
|
Мощность привода, кВт |
28—40 |
40 |
60 |
60 |
100 |
100 |
30 |
|
Установленная мощность, кВт |
168 |
282 |
386 |
351 |
712 |
458 |
|
|
Основные размеры, м: высота с поднятой мачтой |
12,2 |
13,8 |
15,3 |
25,5 |
25,2 |
24,7 |
1,8 |
|
высота с опущенной мачтой |
8,4 |
5,65 |
5,6 |
6,07 |
7,83 |
6,1 |
|
|
длина с поднятой мачтой |
5,6 |
10,25 |
8,6 |
8,6 |
12,5 |
11,3 |
2,8 |
|
ширина |
4,2 |
4,88 |
4,9 |
4,96 |
5,4 |
5,6 |
0,8 |
|
Масса станка, т
|
30 |
34,9 |
65 |
68,5 |
ПО |
98 |
1,5 |
1 см диаметра долота, и принципиально отличаются расположением мачты и кинематической схемой основного рабочего органа станка вращательно-подающего механизма.
Привод вращателя станков осуществляется от электродвигателя с тиристорным приводом или от системы генератор-двигатель. Спуско-подъемные операции: свинчивание и развинчивание штанг и установка их в кассеты полностью механизированы.
Станки, предназначенные для бурения взрывных скважин глубиной до 20 м, оборудованы соответствующей высоты мачтой. Станком СБШ-320 можно бурить скважину на глубину до 18 м без наращивания штанг, что резко снижает затраты времени на вспомогательные операции. Бурение без наращивания бурового става обеспечивает лучшие условия работы долот и увеличение их стойкости.
Для удаления буровой мелочи с забоя на всех станках устанавливаются винтовые компрессоры. Для пылеулавливания на станках 2СБШ-200 установлены рукавные фильтры, или емкости с водой, а на станках СБШ-250 МН и СБШ-320— емкости с водой, необходимой для создания воздушно-водяной смеси, используемой для очистки скважины и пылеподавления.
В Гипроникеле создается мощный высокопроизводительный станок массой более 120 т для бурения скважин диаметром до 380 мм. Станок установлен на пневмоколесном ходу, что обеспечивает хорошую маневренность.
Для снижения вибраций, возникающих при работе на повышенных частотах вращения (более 100 об/мин) и проходки трещиноватых пород, рекомендуется применять наддолотные амортизаторы (рис. 1.25).
Упругие элементы (резиновые шары, гуммированные конические поверхности и т. п.) амортизатора снижают вибрации, возникающие при бурении, в 2—5 раза. Чем выше уровень вибраций, тем эффективнее применение наддолотных амортизаторов. При использовании амортизаторов чистая скорость бурения не изменяется, а стойкость долот увеличивается в 1,3—1,5 раза. Наддолотные амортизаторы дают возможность бурить на повышенных частотах вращения (120— 150 об/мин), в результате чего повышается скорость бурения и производительность станка. Новым направлением является использование на станках магнитострикционных генераторов, устанавливаемых над шарошечным долотом. При работе магнитостриктора на мощности 60 кВт генерируются вибрации с амплитудой несколько миллиметров и частотой 400 Гц, которые резко улучшают динамику взаимодействия долота с породой и повышают в 1,2—2,6 раза эффективность разрушения пород долотом. Для получения тока повышенной частоты на станке монтируется преобразовательная подстанция.
Вибрирующий
магнитостриктор отделен от станка амортизатором, устанавливаемым в буровом
ставе. При испытаниях на карьере Оленегорского ГОКа в породах с f = 1216 скорость бурения с магнитостриктором
увеличилась в 1,5—2 раза при одновременном снижении осевого усилия на долото с
300 до 200 кН.
Однако при длительной эксплуатации станков СБШ-250 МН с магнитострикторами их средняя производительность возросла всего на 10—15 %. Анализ показывает, что пока низка надежность и высока стоимость магнитострикторов и преобразовательных
станций, сложна защита станка от высокочастотных вибраций.
МГИ, ИГДМЧМСССР и Специальным конструкторским бюро самоходного горного оборудования (СКВ СГО) разработаны научно-технические основы создания нового поколения шарошечных буровых станков, применение которых позволит превысить достигнутую скорость бурения серийными станками в 2 раза и более.
Росту показателей нового поколения шарошечных станков в основном будет способствовать: применение высоких мачт и длинных буровых ставов для бурения скважин без наращивания штанг; увеличение стойкости шарошечных долот путем принудительной смазки опор долот и пылеподавления диспергированной водой в затрубном пространстве скважины; применение системы автоматического управления работой станка, обеспечивающей его эксплуатацию на предельно допустимых по уровню вибраций частотах вращения и максимально возможных осевых усилиях на долото; механизация выполнения основных и вспомогательных операций при бурении.
Реализация перечисленных прогрессивных решений создает научно-техническую основу для разработки буровых станков-роботов.
Закономерности разрушения пород при шарошечном бурении. При вращательном движении долота породоразрушающие элементы (зубцы или штыри) внедряются в породу, как при ударном бурении (рис. 1.26). Некоторые долота для бурения вязких пород сконструированы таким образом, чтобы зубки в момент их внедрения в породу еще смещались на некоторое расстояние параллельно забою скважины (долота со скольжением). При этом движении они разрушают выступы породы, т. е. процесс разрушения происходит как при вращательно-ударном бурении.
Выбор рациональных режимов шарошечного бурения представляет собой технико-экономическую задачу определения зоны работы станка, где при высокой его производительности обеспечивается минимальная стоимость бурения. Эта зона определяется на основе экспериментов с учетом изменения скорости бурения при различных режимах бурения, а также с учетом коэффициента использования станка и стойкости шарошечных долот.
Под режимами шарошечного бурения понимают величину осевого усилия на долото, частоту его вращения и количество воздуха, подаваемого для очистки забоя скважины. На конкретных станках производительность компрессоров постоянна, а потому определяются только осевое усилие и частота вращения.
Осевое усилие на долото определяет объем разрушения при единичном цикле взаимодействия инструмента с породой. При малых осевых усилиях (рис. 1.27) эффективность разрушения весьма незначительна, происходит так называемое поверхностное разрушение породы (зона I). При нормальных осевых усилиях (зона II) происходит пропорциональное увеличение объема разрушения с ростом осевого усилия. В зоне III при чрезмерно больших осевых усилиях наступают условия, когда зубцы (штыри) полностью внедряются в породу или разрушенная порода не успевает выноситься с забоя. В этом случае темп роста скорости бурения (объема разрушения) снижается. При недостаточной очистке забоя эффективность разрушения породы ниже, и максимум скорости достигается при меньшем осевом усилии (пунктирная кривая на рис.1.27).
Бурение ведется, как правило, в средней зоне, где скорое пропорциональна осевому усилию.
Установлено, что с увеличением осевого усилия до предельно допустимого для данной конструкции долота скорость бурения растет, а проходка на долото остается примерно постоянной, т. е. в определенном диапазоне осевых усилий проходка на долото зависит только от свойств пород. Поэтому для достижения максимальной эффективности разрушения целесообразно принимать
при
бурении максимально допустимое осевое усилие на долото (на 1см диаметра) исходя
из его прочности. Эта величина составляет:4
6кН/см
для долот типа С, СТ; 6
8 кН/см для долот типа
Т; 812 кН/см для долот типа К; 12
20 кН/см
для долот типа ОК.
С увеличением диаметра долото выдерживает большие осевые усилия. На эти величины осевых усилий и рассчитываются станки шарошечного бурения. В крепких породах эффективно применение долот большого диаметра (269, 320 мм). С увеличением крепости пород рациональные значения осевых усилий возрастают, а частоты вращения снижаются.
Частота вращения долота определяет частоту воздействия его зубков на забой, и с ее увеличением скорость бурения растет (рис. 1.28). Увеличение частоты вращения имеет следующие недостатки: необходимо соответствующее увеличение расхода сжатого воздуха для очистки забоя, без этого порода не успевает удаляться с забоя и эффективность разрушения снижается; резко снижается стойкость опор шарошечных долот (в 3—5 раз) из-за перегрева и заклинивания подшипников (при n>150 об/мин); увеличиваются вибрации на станке, и бурение на таких режимах становится невозможным. Для принятой технологии шарошечного бурения рекомендуются ориентировочные значения частот вращения, приведенные на рис. 1.29.
При определении рациональных частот вращения на карьере проводится отработка трех-пяти долот на различных частотах вращения (например, 60, 100, 150, 200 об/мин) и определяются скорость бурения, сменная производительность станка, стойкость долот, расходы на 1 м бурения по статьям « машино - смена » и «шарошечные долота» и строится график рациональных значений частоты вращения шарошечных долот при минимальной стоимости бурения (рис. 1.30). Обычно они находятся в пределах 80— 150 об/мин.
Рациональную частоту вращения долота можно определить и аналитически.
Зависимость механической скорости бурения (м/ч) от частоты вращения n
м= К nх,
где 1>К>0; 1>х>0—эмпирические коэффициенты, зависящие от типа долота, свойств пород, величины осевого усилия.
Сменная производительность бурового станка (м)
П
= Tr
м =Tr К nх,
где Т—продолжительность смены, ч; r — коэффициент использования станка на бурение в течение смены.
Стоимость бурения 1 м скважины по статье машино- смена (руб)
См = С'м/( Tr К nх),
где С'м — стоимость машино - смены станка, руб.
Стойкость долота (м) в зависимости от частоты вращения
Sд = K'/(ny),
где К', у — эмпирические коэффициенты.
Стоимость бурения 1 м скважины по статье инструмент (руб)
Си = Сд/Sд = Сд ny/ K',
где Сд — стоимость долота, руб.
Общая стоимость бурения 1 м скважины (руб)
Сб = См' /(ТrКnх) + Сд ny/ К';
по условию минимума dCб/dn = O, откуда после несложных вычислении получили:
n опт
= 
.
Применение принудительной смазки опор долот, пылеподавления водой на некотором расстоянии от забоя, наддолотных амортизаторов, центраторов и других устройств обеспечивают работу долот на повышенных частотах вращения (150—250 об/мин) без снижения их стойкости и превышения допустимого уровня вибрации на станке. При этом производительность станков растет, а стоимость бурения экспоненциально снижается с увеличением п (рис. 1.30,6), т. е. станки эксплуатируются надежно на предельно допустимых частотах вращения долот при максимальной их производительности. На такой режим эксплуатации станка должна быть рассчитана система автоматического управления его работой.
В результате внедрения на станках указанных средств их производительность увеличится на 30—35 %, стойкость долот, а также надежность работы станков повысится в 1,6—2 раза, снизится стоимость бурения 1 м скважины.