9.3. Буріння свердловин і шпурів

Процес буріння свердловин для підривних робіт включає безпосереднє руйнування порід у їхніх вибоях буровим інструментом та допоміжні операції.

Основний процес буріння – безпосереднє руйнування в торці свердловини під дією бурового інструменту на вибій. До допоміжних операцій відносяться: переїзд станка, установлення і вирівнювання його для забезпечення необхідного напрямку буріння, піднімання і опускання, збирання і розбирання бурового поставу, перехоплення гідропатрона (для патронної схеми механізмів) та ін.

Тривалість основних і допоміжних робіт залежить від стану масиву, типу застосованого устаткування та організації робіт на кар’єрі.

Основні види бурових робіт на кар’єрах виконуються спеціальними породоруйнівними (буровими) машинами, які за способом впливу на вибій свердловин розділяються на на три групи:

механічного впливу (ударний, обертальний та ударно-обертальний), фізичних методів впливу (термічного, гідравлічного, вибухового та ін.) і комбінованого впливу. До першої групи відносяться верстати ударно-канатного буріння (СБК), обертального буріння шарошковими долотами типу (СБШ) і коронками, що ріжуть, станки з потужними пневмомолотками (типу СБУ).

До другої групи відносяться станки вогневого (типу СБО), плазмового, вибухового, гідравлічного і електрогідравлічного буріння.

Ударне буріння шпурів діаметром до 75 мм і глибиною буріння до 5 м у кар’єрах здійснюється ручними і колонковими бурильними молотками. Живляться бурильні молотки від пересувних компресорів продуктивністю 3...9 м 3 /хв стиснутого повітря з максимальним тиском

600...700 кПа.

Шарошкове буріння свердловин здійснюється шарошковими долотами, армованими твердими сплавами. Руйнування породи відбувається внаслідок проникнення зубів чи штирів долота шарошки в поверхню вибою свердловини. Глибина проникнення залежить від осьового тиску. Процес руйнування вибою свердловин може бути поверхневим і об’ємним. При поверхневому руйнуванні вибою контактний тиск нижчий межі міцності породи, а при об’ємному – досягає межі міцності породи. Найбільш ефективним руйнуванням вибою свердловини є об’ємне руйнування. У цьому випадку величина проникнення штирів у 3...7 разів менше дійсної глибини руйнування.

Швидкість буріння в значній мірі залежить від осьового тиску, швидкості обертання долота і стійкості долота. Однак, якщо осьовий тиск досягає критичної величини, то швидкість буріння практично не збільшується через інтенсивне шламоутворення. Практично швидкість обертання бурового інструмента складає 35...120 об/хв при осьовому тиску 18...7 кН на 1 см діаметра долота.

Залежно від осьового зусилля і маси, верстати шарошкового буріння поділяють на три типи: легкі (СБШ-160, СБШ-200), середні (2СБШ-200Н, СБШ-250МН, СБШ-250), і важкі (СБШ-320, БАШ-320). Понад 60 % бурових робіт у породах з П Б від 6 до 15 виконуються верстатами шарошкового буріння. Недоліки цих верстатів: велика маса і мала стійкість доліт у важкобуримих породах.

Підвищення ефективності буріння досягається також застосуванням комбінованого бурового інструменту, розробленого на основі гіпотези, висунутої акад. М. В. Мельниковим. Сутність її

полягає в тім, що процес руйнування породи при ударному бурінні міцних порiд найбільш ефективний у тому випадку, якщо породи знаходяться в попередньо напруженому стані. Технічно це можливо при об’єднанні ударного і шарошкового доліт в одному буровому інструменті, що дозволяє скласти ресурси шарошкового і швидкоударного долота для збільшення швидкості буріння і стійкості 202 інструменту і використати кожний з породоруйнівних органів для підготовки вибою до більш продуктивної роботи.

Станки шнекового буріння виконується до 22 % обсягу бурових робіт у породах з П б від 1 до 6. При бурінні розвідувальних свердловин для одержання керна у в’язких абразивних породах застосовуються станки алмазного і дробового буріння.

Шнекове буріння найбільш продуктивне при високих швидкостях обертання бурового поставу й осьовому тискові. При цьому необхідно перевищення визначеної критичної швидкості обертання

(П ВКР .60...80 об/хв), що забезпечує транспортування бурового дріб’язку шнеком. Осьовий тиск на буровий інструмент і подача його на вибій здійснюється як під дією маси бурового поставу (станок СБР-125), так і примусово (СБР-160). Станок СБР-125 доцільно застосовувати для буріння порід із П Б < 4, а станки СБР-160 й СБР-200 – для порід з П Б <6.

Станки пневмоударного буріння застосовуються для буріння свердловин діаметром 85...200 мм у породах iз П б > 10. Робочим органом станків є пневмомолоток. На сьогодні на кар’єрах

використовують станки з заглибними пневмомолотками СБМК-5, СБУ-125, “Урал-1”, “Урал-64” та ін. ГОСТом встановлено три типорозміри станків пневмоударного буріння СБУ-125, СБУ-160 і

СБУ-200.

Робота станка полягає в наступному: стиснене повітря, що надходить по буровій штанзі, за допомогою клапанного пристрою приводить у зворотно-поступальний рух поршень з бойком, який у свою чергу наносить удари по хвостовику бурової колонки. Одночасно пневмомолоток разом зі штангою обертається. Буровий дріб’язок видаляється зі свердловини повітряною сумішшю.

Основними технологічними операціями є: запалювання пальника, власне буріння, розширення й очищення свердловини. Як пальне використовують газ або дизельне паливо, окиснювачем є газоподібний кисень або ж стиснене повітря. На сьогодні як окислювач усе більше

застосовують стиснене повітря, що більш ніж 1,5 рази знижує витрати

на буріння, спрощує організацію робіт і робить більш безпечними умови праці.

Режим термічного буріння характеризується двома показниками: температурою і швидкістю газового потоку. Максимальна швидкість буріння досягається при руйнуванні порід “лущенням”, що є наслідком зміни теплового потоку при обертанні та подачі термобура на вибій у результаті виникнення в породі термостійких напруг. При цьому оптимальна швидкість обертання термобура при різних теплофізичних властивостях гірських порід складає 15...30 об/хв., а оптимальна відстань між зрізом сопла пальника і вибоєм свердловини 100...150 мм. Швидкість газового потоку, створюваного пальниками, при застосуванні як окиснювача стисненого повітря та кисню складає

1600...2000 м/с, а температура, відповідно, від 1800...2000 до 3200 °С. Буровий дріб’язок видаляється зі свердловини повітряно-газовим потоком, створюваним пальниками.

Крім перерахованих методів проходки вибухових свердловин значно рідше застосовуються, або ще знаходяться в стадії експериментальної перевірки, наступні фізичні методи: гідравлічне буріння, що ґрунтується на дії тонкого високонапірного струменю води, який подається на вибій свердловини; електрогідравлічне буріння, ґрунтується на явищі гідравлічного удару; вибухове буріння, здійснюване за допомогою імпульсних чи твердих зарядів ВР; плазмобуріння – за допомогою нагрівання вибоїв свердловини плазмовим смолоскипом; застосування ультразвуку, що ґрунтується на спільному впливовi на крихку породу ультразвукових коливань бурового інструмента і кавiтаційного ефекту в промивній рідині.

Продуктивність бурового станка визначається за формулою: