Бурильные машины и установки. Общие сведения о бурении и классификациях бурильных машин
..docxБУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН
Интенсивное развитие техники буровых работ началось во второй половине XIX в. с появлением машинного бурения. В 1857 г. была сконструирована первая пневматическая бурильная машина, а в 1859 г. пробурена первая нефтяная скважина паровым станком проф. Г.Д. Романовского. В 1862 г. начинается бурение скважин алмазными коронками и в 1899 г. — дробью.
В 1923 г. в СССР создается турбобур и затем электробур А. Л. Островского и Н.В. Александрова, в 1939 г. — высокочастотный перфоратор. В конце 20-х годов широкое применение на карьерах Урала и Днепростроя получают станки канатно-ударного бурения и с 1940 г. на угольных карьерах — станки вращательного бурения.
В настоящее время вскрытие месторождений, подготовительные и очистные работы, разведка месторождений и другие работы по добыче полезных ископаемых, связанные со взрывным способом разрушения, который наиболее эффективен в породах повышенной крепости, обычно основаны на бурении шпуров и скважин машинным способом.
Шпурами принято называть цилиндрические углубления в горной породе глубиной до 5 м при диаметре до 75 мм. Шпуры большого диаметра (до 250 - 300 мм) называют скважинами, а при длине, большей 5 м,- глубокими скважинами.
Горные машины, предназначенные для бурения шпуров и скважин, называют бурильными машинами. Бурильные машины по области применения могут быть для открытых и подземных работ; по назначению — машины для бурения шпуров и для бурения скважин; по роду потребляемой энергии — пневматические, электрические, гидравлические, термические и комбинированные; и по способу разрушения горной породы подразделяются на широко применяемые в настоящее время машины с механическим (непосредственным) воздействием разрушающего инструмента на породу и со специальными физическими методами воздействия.
Бурильные машины с механическим воздействием разрушающего инструмента на породу подразделяют по способу бурения на машины вращательные, ударные, ударно-вращательные и вращательно-ударные.
К новым физическим методам воздействия относят огневое (термическое), электрофизическое, ультразвуковое, высокочастотное и другие виды бурения.
При вращательном бурении порода разрушается спиральными слоями под действием резцов, которые одновременно вдавливаются в породу значительными осевыми усилиями и вращаются вокруг оси шпура или скважины. Вращательный режим бурения применяют в основном для пород слабых и средней крепости (f < 8) и используют в таких бурильных машинах, как горные сверла — для бурения шпуров глубиной до 4—5 м при диаметре 40—45 мм; станки глубокого бурения — для бурения скважин глубиной до 100 м и диаметром до 100 мм и гезенко-бурильные и буросбоечные. машины — для бурения скважин глубиной до 150 м при диаметре, достигающем 1000-1500 мм.
При ударном способе бурения порода разрушается под действием ударов по инструменту, выполненному в виде клина, который после каждого удара отскакивает от забоя и поворачивается на некоторый угол для нанесения удара по новому месту на забое. Ударный способ применяется в перфораторах для бурения по породам f = 20 и выше. С помощью перфораторов бурят шпуры и скважины в подземных условиях и на поверхности глубиной до 5 м и более и диаметром до 150 мм.
Ударно-вращательное бурение характеризуется такими же параметрами, как и ударное, однако в отличие от него, удар наносится по непрерывно вращающемуся буровому инструменту. Этот способ бурения применяется для бурения скважин диаметром до 150 мм и глубиной до 100 м в крепких породах (с коэффициентом крепости 6-20) тяжелыми бурильными машинами и буровыми агрегатами.
При вращательно-ударном способе бурения к породоразрушающему инструменту прикладываются значительные осевое усилие, крутящий момент и ударные импульсы.
Вращательно-ударное бурение наиболее эффективно для бурения шпуров и скважин диаметром до 100 мм в породах с коэффициентом крепости 6-12 тяжелыми бурильными машинами.
Физические способы разрушения горной породы относятся к новым методам бурения и в настоящее время находятся в процессе исследований, промышленных экспериментов и внедрения отдельных типов машин. Наиболее широкое распространение из физических способов разрушения горных пород получило термическое бурение, с помощью которого прожигаются скважины глубиной до 25—30 м и диаметром до 250 мм на открытых горных работах.
Из электрофизических способов разрушения породы наиболее известны: ультразвуковой, электроимпульсный и высокочастотный.
При ультразвуковом способе горная порода разрушается за счет высокочастотных колебаний, которые создаются магнитострикционным вибратором.
В основе электроимпульсного способа лежит использование электрогидравлического эффекта, который позволяет превращать энергию электрического разряда в механическую.
При высокочастотном способе разрушения создаются электрические или магнитные поля высокой частоты, под действием которых горная порода нагревается и растрескивается с отделением тонких чешуек, что и может быть использовано для бурения скважин.
Приложение 1.2
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Основные свойства горных пород можно подразделить на следующие две группы:
1. Физические свойства — плотность, пористость, влагоемкость, теплопроводность, проводимость звука, электрического тока и др.
.2. Механические свойства — прочность, упругость, пластичность, крепость, твердость, контактная прочность, абразивность.
Наибольшее влияние на конструкцию бурильных и горных машин оказывают механические свойства горных пород. Прочность — одно из основных механических свойств горных пород, она характеризует их способность в определенных условиях воспринимать те или иные силовые воздействия, не разрушаясь. Критериями прочности являются временные сопротивления одноосному сжатию (ОСЖ), растяжению (0р), сдвигу (т). Наибольшее сопротивление горные породы оказывают сжатию, меньшее — сдвигу и наименьшее — растяжению.
Упругость — свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия внешних сил. Упругие свойства характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона.
Пластичность в противоположность упругости — свойство породы сохранять остаточную деформацию после прекращения действия внешних сил.
Крепость — способность породы сопротивляться разрушению от действия внешних сил при различных технологических процессах разрушения (бурение, резание, взрывание и др.). Крепость зависит от прочности, твердости, вязкости, упругости, минералогического состава и структуры породы, трещиноватости и других факторов. Впервые необходимость совокупной количественной оценки сопротивляемости пород разрушению для целей ведения горных работ была обоснована проф. М.М. Протодьяконовым (старшим), создавшим известную шкалу относительной крепости горных пород. За единицу крепости (F = 1) была выбрана порода с временным сопротивлением одноосному сжатию, равным 10 МПа, при раздавливании на прессе породного кубика; а все горные породы разделены на десять категорий: с коэффициентом крепости от F = 20 для первой категории (наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты и др.) до F =0,3 для десятой категории (плывуны, разжиженный грунт и др.).
Коэффициент относительной крепости F есть интегральная характеристика прочностных свойств горных пород.
Были предложены и другие методы количественной оценки сопротивляемости пород разрушению, более соответствующие конкретным способам их механического разрушения. Для нормирования буровых работ используют шкалы буримости горных пород, под которой понимается обычно степень трудности их разрушения (скорость бурения) в определенных условиях и определенными типами бурильных машин. Шкалы буримости пригодны обычно для использования только в пределах определенного района.
Твердость — это способность горной породы сопротивляться местному разрушению при вдавливании в нее инструмента или индентора.
Для характеристики сопротивляемости горных пород разрушению инструментами породопроходческих комбайнов (резцами, шарошками) в настоящее время используют показатели контактной прочности и абразивности пород.
Контактная прочность породы рк (МПа) определяется по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана путем вдавливания цилиндрического индентора (штампа) диаметром 2 — 5 мм в естественную (не шлифованную, как при определении твердости) поверхность образца породы.
По контактной прочности породы относятся к шести категориям: слабые (до 400 МПа), ниже средней крепости (400—650 МПа), средней крепости (650-1250 МПа), крепкие (1250-2450 МПа), очень крепкие (2450-4500 МПа), крепчайшие (более 4500 МПа).
Абразивность — свойство горной породы изнашивать при трении о нее металлы, твердые сплавы и другие твердые тела. Она определяется по методу, предложенному Л.И. Бароном и А.В. Кузнецовым, путем истирания торцов стального стержня-эталона диаметром 8 мм о необработанную поверхность образцов породы при постоянной частоте вращения стержня 6,7 с-1 и осевой нагрузке 150 Н. Время истирания каждого торца стержня-эталона составляет 600 с. За показатель абразивности породы а принимается уменьшение массы истираемого стержня в миллиграммах, определяемое взвешиванием стержня до и после его истирания на аналитических весах.
Авторами метода предложена шкала абразивности, согласно которой все горные породы разбиты на восемь классов с показателями абразивности от а < 5 мг — весьма мало абразивные породы (известняк, мрамор, апатит, каменная соль и др.) до а > 90 мг - в высшей степени абразивные (корундосодержащие породы).
Для целей расчета нагрузок на рабочем инструменте машин, производящих разрушение углей, ИГД им. А.А. Скочинского предложено определять сопротивляемость углей резанию непосредственно в забоях с помощью специальных приборов. В качестве показателя сопротивляемости угля резанию А.И. Бероном и Е.З. Позиным принято приращение силы резания на единицу глубины резания установкой ДКС в эталонном режиме (резание с выровненной поверхности резцом шириной 20 мм с параллельными боковыми режущими кромками и углом резания 50°) А = Zh , где А — показатель сопротивляемости угля резанию, кНм; Z - средняя сила резания, кН; h — глубина резания, м.
Для проведения массовых замеров сопротивляемости углей резанию в шахтных условиях ИГД им. А.А. Скочинского было создано также динамометрическое сверло СДМ-1.
Показатели сопротивляемости угля резанию, определенные с помощью СДМ-1, обозначаются А в отличие от А для установки ДКС и находятся из выражения:
А = М/(2rсрh),
где М — среднее значение момента сопротивления, зафиксированное на ленте самописца динамометрического сверла, кНм; rср = 0,026 м — средний радиус резца; h — глубина резания (толщина среза), м.
Различают: сопротивляемость угля резанию в неотжатой зоне массива пласта — А, кН/м; сопротивляемость угля резанию в зоне работы исполнительных органов выемочных горных машин (с учетом отжима угля) — Ав, кН/м; сопротивляемость пласта резанию с учетом породных прослойков и включений — А , кН/м.
Согласно классификации, предложенной ИГД им. А.А. Скочинского, различные типы углей подразделяют на восемь классов по сопротивляемости резанию - от 1-го (А до 60, кН/м) до VIII-го класса (А = 421 и более кН/м) и на семь категорий по разрушаемости, учитывающей величину сопротивляемости резанию и вязкость углей, весьма слабые (ВС), слабые (С), средней крепости (СК), выше средней крепости (ВСК), крепкие (К), весьма крепкие (ВК) и особо крепкие (ОК) угли.