книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

ТЕХНИКА

БУРЕНИЯ

ПРИ РАЗРАБОТКЕ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ПОЛЕЗНЫХ

ИСКОПАЕМЫХ

МОСКВА «НЕДРА» 1974

ВВЕДЕНИЕ

СССР занимает первое место в мире по разведанным запасам железных руд, многих руд цветных металлов и угля, по добыче товарной железной руды и второе место по выплавке чугуна и стали.

Основой черной и цветной металлургии является минеральносырьевая база, развитие которой имеет важное значение.

В процессе решения этой задачи основное внимание уделяется совершенствованию технологии разработки рудных залежей, осно­ ванной на максимальном увеличении концентрации и интенсифи­ кации горных работ на базе технического перевооружения рудников с широким применением комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

Добыча руды увеличится в результате освоения новых месторо­ ждений и расширения производственной мощности действующих рудников. Особое внимание будет уделяться открытым горным раз­ работкам.

Разработка крепких руд связана с большими затратами труда, времени и средств на бурение скважин и шпуров, так как взрывной метод отбойки крепких руд остается пока единственным и от его эффективности зависят технико-экономические показатели и темпы ведения горных работ.

Открытые разработки развиваются в направлении создания круп­ ных механизированных карьеров с объемом годовой добычи 35— 60 млн. т. Основной задачей в области механизации горных работ является создание комплексов непрерывного действия, успешное

иэффективное применение которых определяется интенсивностью

иравномерностью дробления горных пород взрывом.

Для эффективного бурения скважин в карьерах созданы новые буровые станки шарошечного и термического бурения, а также станки с пневматическими ударниками, которые позволяют увели­ чить производительность труда и снизить стоимость буровзрывных работ. В последние годы предпочтение отдается тяжелым станкам шарошечного бурения, позволяющим производительно бурить сква­ жины большого диаметра даже в самых крепких породах.

Повышению эффективности буровзрывных работ способствует применение более мощных взрывчатых веществ и новых методов взрывания.

Глава I

СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

Процесс образования цилиндрических полостей (выработок) в гор­ ной породе носит название бурения, этот процесс заключается в последовательном разрушении горных пород на забое выработки и удалении продуктов разрушения наружу. Цилиндрическую гор­ ную выработку диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м называют шпуром; если диаметр такой выработки более 75 мм при глубине до 5 м или любой диаметр при глубине более 5 м, то выработка назы­ вается скважиной. Начало шпура (скважины) называется устьем, дно — забоем, а внутренняя цилиндрическая поверхность — стен­ ками.

Шпуры бурят, как правило, для разрушения горных пород взрывчатым веществом; скважины бурят как для взрывных работ, так и для других целей, например разведки полезных ископаемых, дренажа подземных вод и газов, для спуска закладки в выработан­ ное пространство, прокладки кабелей и труб, спуска крепежных материалов.

Способы бурения шпуров и скважин можно подразделить на две большие группы. К первой группе относится механические способы бурения, ко второй — теплофизические способы (огневой, термо­ механический, плазменный, электротермический) [79, 112].

При механическом способе бурения разрушение породы на забое шпура или скважины осуществляется за счет внедрения в породу под действием механических усилий специального инструмента, энергии взрыва (взрывное бурение), а также электрогидравлического, гидравлического и ультразвукового воздействий. В настоя­ щей работе рассматриваются только наиболее распространенные механические способы бурения — способы бурения специальными инструментами. Эти способы назовем механическим бурением.

По характеру работы инструмента в забое и приложению сило­ вых нагрузок механическое бурение шпуров и скважин можно под­ разделить на следующие четыре способа (рис. 1): вращательный, вращательно-ударный, ударно-вращательный, ударный.

5

Механическое бурение шпурод и скЗажин

Рис. 1. Классификация способов механического бурения

При вращательном бурении разрушение породы на забое сква­ жины происходит за счет движения инструмента, имеющего форму резца, по винтовой линии. Такое движение является результатом сочетания вращательного и поступательного движений. Вращатель­ но-поступательное движение инструмента в забое шпура или сква­ жины осуществляется за счет приложения к буровому инструменту большого крутящего момента (М ) и больших осевых усилий (Р). Ударные нагрузки при этом отсутствуют.

Бурение долотами шарошечного типа многие исследователи относят к ударному бурению [78, 99, 149], так как зубья долота, перекатываясь по забою скважины, имеют движение, сходное с удар­ ным инструментом.

Однако в горной практике скважины бурят долотами, вращаю­ щимися с небольшой скоростью (80—150 об/мин), а следовательно, с малыми скоростями приложения нагрузок (менее 0,6 м/с). При этом порода разрушается в результате статического раздавливания, характерного для вращательного бурения. Это дает основание впредь до проведения специальных исследований шарошечное буре­ ние отнести к вращательному способу.

При ударном бурении инструмент, заточенный в виде клина, внедряется в породу под действием кратковременной ударной на­ грузки, направленной по оси скважины. При этом осевая статиче­ ская нагрузка отсутствует или очень незначительна. Эта нагрузка необходима для того, чтобы инструмент находился в контакте с за­ боем скважины.

Инструмент после совершения удара отскакивает от забоя и должен быть повернут на некоторый угол для нанесения удара по новому месту на забое. Крутящий момент, необходимый для поворота инструмента, имеет незначительную величину.

Ударная масса может быть совмещена с инструментом (долотом, буром) и разъединена. Ударная масса совмещена с инструментом при ударно-канатном бурении, когда долото вместе с ударной штан­ гой падает с некоторой высоты и наносит удар по забою скважины,

иу машин поршневого типа, у которых поршень и бур соединены

иперемещаются вместе.

Машины, у которых ударная масса (ударник) и бур разъединены, носят название молотковых. В этом случае ударник разгоняется под действием силы и наносит удар по инструменту. Если механизм вращения бурового инструмента и ударный механизм совмещены в одном корпусе, то такие машины носят название перфораторов.

Механизм вращения приводится в действие за счет энергии пор­ шня при обратном или прямом его ходе. Перфораторы, у которых вращение инструмента производится с помощью отдельного двига­ теля с редуктором, но.сят название перфораторов с независимым вращением бура.

Ударные механизмы могут следовать в скважину за буровым инструментом, в этом случае перфораторы называются погруж­ ными.

7

По роду подводимой энергии машины молоткового типа подраз­ деляются на пневматические, гидравлические и электрические.

Удаление буровой мелочи из шпуров и скважин при бурении производится сжатым воздухом, водой, воздушно-водяной смесью или вакуумом. Поэтому подразделяют бурение с промывкой, про­ дувкой, с воздушно-водяной смесью и бурение с пылеотсосом.

При бурении шпуров (скважин) с продувкой применяются пыле­ улавливающие устройства. Бурить без пылеулавливания запре­

щается.

Промывка перфораторов может быть центральной или боковой. При центральной промывке вода подается к буру через перфоратор по специальной трубке. При боковой промывке вода подается в бур через муфту, которая встраивается в переднюю часть корпуса перфо­ ратора.

Некоторые авторы [83] считают, что существует еще ударно­ поворотный способ бурения и относят к нему бурение перфораторами. Однако можно показать, что при бурении перфораторами реали­ зуется ударный способ бурения.

А. Д. Пашков [103] приводит распределение энергии у ручно перфоратора ОМ-506 (табл. 1).

Т а б л и ц а 1

Из данных табл. 1 видно, что при бурении шпуров перфорато­ рами 3,5% общей энергии поршня расходуется на преодоление сопро­ тивления трения между головкой бура и породой при его вращении, что составляет 5,3% кинетической энергии поршня за рабочий ход (ударной забойной мощности).

"Ударная забойная мощность

8

Забойная мощность от вращателя

ствия, так как у него ударная забойная мощность составляет 95% всей мощности, расходуемой на забое.

Условимся относить в группу машин, реализующих ударный способ бурения, все машины, у которых ударная забойная мощность составляет 90% и более общей мощности, расходуемой на забое, т. е. у них

N y ^ i 0 N B.

При вращательно-ударном бурении режущая часть коронки внедряется в породу под действием осевого усилия и ударной на­ грузки с одновременным вращением инструмента, за счет чего про­ исходит скалывание породы.

Такой вид бурения позволяет подвести к забою наибольшее количество энергии, в силу чего вращательно-ударное бурение отличается высокой производительностью. В машинах вращательно­ ударного действия мощность механизма вращения значительно больше ударного. Для такого вида бурения справедливо соотноше­ ние N B> N y.

Вращательно-ударное бурение применяется для пород кре­ постью от 6 до 14*.

При бурении пород более высокой крепости разрушение проис­ ходит преимущественно за счет ударной нагрузки. На вращение инструмента при этом затрачивается меньшая мощность, а осевое усилие приходится уменьшать, так как большое осевое усилие в таких породах не способствует внедрению в нее инструмента и вызы­ вает повышенный его износ. Таким образом, вращательно-ударное бурение в крепких породах становится ударно-вращательным далее ударным.

При ударно-вращательном бурении буровой инструмент за счет энергии вращения производит очистку забоя от разрушенных, но не отделившихся от массива частиц породы и разрушение небольшой части породы резанием.

Типичной машиной ударно-вращательного действия является станок НКР-100М. У него мощность ударного механизма равна 3,1 кВт, а мощность вращателя 2,8 кВт. Учитывая, что 30% мощ­ ности тратится на вращение штанг и коэффициент передачи равен 0,8, забойная мощность вращателя N B составит 1,57 кВт. Таким образом, N y >7VBи машину НКР-100М следует отнести к классу машин ударно-вращательного действия.

* Здесь и далее по тексту коэффициент крепости пород приводится по шкале проф. М. М. Протодьяконова.

9