книги из ГПНТБ / Кутузов, Б. Н. Взрывные работы учебник

Т а б л и ц а 3

Классификация юрных пород (проф. М. М. Протодьяконова)

жиженный лёсс и другие разжижен­ ные породы, грунты

20

стандартных условиях взрывания. При этом в результате взрыва порода должна получаться в кусках определенной крупности. Однако эта классификация не получила широкого распространения.

Для определения трудности разрушения горных пород при различных производственных процессах чл.-корр. АН СССР

В. В. Ржевский предлагает исходить из базовых свойств горных пород, таких как прочность пород на сжатие, растяжение, сдвиг, их плотность. В различных процессах эти свойства могут проявляться по-разному, однако совокупное их влияние на трудность разрушения породы очевидно.

§ 3. Общая оценка сопротивления горных пород разрушению (по В. В. Ржевскому)

Разрушение породы происходит в результате возникновения в определенных объемах под действием внешних сил напряжений сжатия асж, сдвига асдв и растяжения страст, превышающих ее пре­ делы прочности.

Суммарное действие разрушающих сил при разной степени уча­

21

Значения коэффициентов К ѵ К 2 и К 3 не одинаковы для различ­ ных процессов разрушения. Для относительной оценки сопротивле­ ния пород разрушению (трудности разрушения) можно принять условие равного участия пределов прочности на сжатие, сдвиг и ра­ стяжение в сопротивлении разрушению, т. е.

Предельное сопротивление разрушению породы в массиве сгр, м отличается от сопротивления разрушению образца ор и зависит от его трещиноватости и от плотности породы у:

рого не одинакова для различных процессов разрушения; К ѵ — степень влияния плотности породы;

I — путь преодоления силы тяжести кусками породы (м), численно равный средней ширине развала.

При общей относительной оценке сопротивления массива породы

Пределы прочности горных пород на сжатие изменяются в диа­ пазоне от 1 до 4500 кгс/см2, на сдвиг — от 0,1 до 750 кгс/см2, на растяжение — от 0 до 430 кгс/см2, плотность пород — от 1,2 до 4,8 кг/дм3. Какая-либо определенная связь между данными показа­ телями пока не установлена.

22

На основе обработки экспериментальных данных более 500 типов горных пород чл.-корр. АН СССР В. В. Ржевским все породы по трудности разрушения разделены на пять классов:

V класс — весьма трудно разрушаемые скальные породы (ІІхр =

Достаточная строгость расчета показателя Я тр и широкий диа­ пазон категорий позволяют достичь высокой точности классифика­ ции пород по трудности разрушения. Ошибка на одну категорию ведет к ошибке в определении технических и экономических показа­ телей не более 4—5% , что не выходит за пределы точности инженер­ ных расчетов.

Буримость горных пород чл.-корр. АН СССР В. В. Ржевским характеризуется следующим образом. Эффективность бурения шпу­ ров и скважин определяется скоростью бурения, которая зависит от физико-технических характеристик горной породы, определя­ ющих ее способность разрушаться под действием бурового инстру­ мента на забое скважины (основной фактор); формы бурового инстру­ мента и способа его воздействия на забой (ударное, вращательное, ударно-вращательное и т. д.); скорости вращения, осевого давления и скорости воздействия бурового инструмента на забой скважины; диаметра скважины и в ряде случаев ее глубины; способа и тщатель­ ности удаления из забоя скважины продуктов разрушения, который препятствуют разрушению породы.

Все факторы, кроме первого, определяют технологические пара­ метры буровых станков; они выбираются в соответствии с физикотехническими характеристиками породы, прежде всего, с буримостью данной породы. В свою очередь, буримость одной и той же породы существенно зависит от вида бурового инструмента и других вышеуказанных факторов, так как от них зависят условия разруше­ ния породы в забое: характер развиваемых сжимающих и скалыва­ ющих усилий, крупность и форма отделяемых от забоя частиц породы и т. п.

В качестве физико-технической основы сопоставления пород по буримости (зависящей только от свойств пород) при выборе технических средств бурения для конкретных условий и последу­ ющих технологических и экономических расчетов принимается

23.

24

Взрываемость горных пород чл.-корр. АН СССР В. В. Ржевским характеризуется удельным расходом ВВ (г/м3), необходимым для достижения заданного эффекта дробления.

Сложный процесс взрывания породы не поддается достаточно строгому предварительному расчету, в том числе и расчету удель­ ного расхода ВВ. Из-за этого на карьерах обычно применяют ведом­ ственные классификации взрываемости пород, удовлетворяющие местным требованиям. На карьерах промышленности строительных материалов используют шкалу взрываемости пород треста Союзвзрывпром и др. Местные классификации основываются не на теоре­ тическом расчете, а на конкретном опыте и трудно сопоставимых местных признаках классификации; нри этом идентичные по свой­ ствам породы часто относятся к различным категориям взрываемости, что затрудняет использование полученных показателей при про­ ектировании взрывов. Вместе с тем, многочисленные наблюдения и производственный опыт показывают, что для относительной оценки сопротивления пород взрыванию необходим и достаточен учет показателей, которые могут быть получены экспериментально, большей частью в лабораторных условиях при механических испы­ таниях образцов породы: пределов прочности породы на сжатие, сдвиг и растяжение; плотности породы, что необходимо для учета влияния действия сил тяжести и оценки кинетической энергии взрыва; трещиноватости породы (через коэффициент К т).

Для единой оценки и классификации горных пород по взрываемости вводится теоретический (эталонный) удельный расход ВВ — расход (в граммах) эталонного ВВ (аммонит № 6ЖВ), необходимый для взрывного дробления куба монолитной породы, имеющего шесть свободных поверхностей (свободно подвешенное состояние), с раз­ мерами граней от 1 м до кусков с линейным размером 0,25 м при размещении заряда ВВ в центре куба. Условно можно принять, что такой кубический образец породы дробится на 64 кубика с раз­ мерами граней 0,25 м. При этом площадь общей поверхности новых кусков после взрыва, не считая поверхности переизмельченных частиц, увеличивается в 4 раза по сравнению с площадью началь­ ной поверхности куба, так как она обратно пропорциональна линей­ ному размеру средних кусков.

Приняв равную степень участия во взрывном разрушении сжи­ мающих, сдвигающих и растягивающих усилий, что допустимо для относительной оценки взрываемости, теоретический эталонный удель­

Рассчитанная по формуле (1.10) величина qa для большинства горных пород изменяется от 40 до 1000 г/м3, а для внекатегорных пород достигает 1,5—2,0 кг/м3.

По аналогии с классификацией пород по трудности бурения, выражаемой показателем Пг б, по сопротивлению взрыванию горные породы могут быть разделены на пять классов и 25 категорий:

25

Глава II

СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН

§ 4. Классификация способов бурения и их общая характеристика

Процесс бурения состоит в разрушении породы на забое буро­ вым инструментом и ее удалении из шпура или скважины.

Для бурения скважин и шпуров применяют разнообразные бурильные молотки, буровые каретки, буровые станки и буровые установки, использующие разные принципы воздействия бурового инструмента на забой и очистки скважин или шпуров в процессе бурения от продуктов разрушения.

Однако при всех способах процесс бурения состоит из выполне­ ния следующих основных операций: подготовки и установки буриль­ ной машины для начала работ, бурения с очисткой скважины от продуктов разрушения (буровой мелочи), наращивания буровогостава для достижения требуемой глубины бурения и его разборки после окончания работ, смены изношенного бурового инструмента

ипередвижения машины на новую точку бурения.

Внастоящее время на карьерах получили распространение вращательные, ударно-поворотные, ударно-вращательные и враща­ тельно-ударные способы бурения шпуров и скважин, которые иногда называют механическими способами бурения, и огневое бурение.

Проходит экспериментально-промышленную проверку взрывное

иэлектроимпульсное бурение.

Впоследние 10—15 лет в области буровых работ на карьерах

произошли коренные изменения, приведшие к полному обновлению парка применяемых станков и инструмента. Вместо низкопроизво­ дительных ударно-канатных станков с 60-х годов применяются станки для бурения скважин шарошечными долотами, погружными пневмоударниками, горелками ракетного типа. Внедрение этих буровых машин обеспечило увеличение производительности труда на бурении в 2—5 раз при некотором снижении стоимости работ.

Механические способы бурения делятся на вращательные и удар­ ные.

П р и в р а щ а т е л ь н о м б у р е н и и инструмент вра­ щается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины и одно­ временно с определенным усилием подается на забой. Величина

27

усилия задается из расчета превышения предела прочности породы на вдавливание на площади контакта режущих лезвий инструмента, с породой. При этом происходит последовательное скалывание частиц породы и углубление инструмента по винтовой линии. Про­ дукты разрушения удаляются с забоя с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин) или очисткой забоя водой или воздухом.

К вращательным способам бурения относятся: бурение резцами шпуров с помощью ручных и колонковых сверл; бурение резцами (долотами режуще-скалывающего действия) скважин с помощью буровых станков; бурение алмазным инструментом.

На карьерах применяют только вращательное бурение скважин с механическим удалением продуктов разрушения штангами-шне­ ками, из-за чего этот способ бурения иногда называют ш н е к о в ы м .

При у д а р н о м б у р е н и и инструмент наносит удар по забою и разрушает породу под лезвием. В промежуток времени между смежными ударами инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая таким образом получение круглого сечения шпура или скважины.

К ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение сква­ жин. В некоторых конструкциях перфораторов инструмент повора­ чивается в период нанесения удара поршнем по хвостовику бура.

При у д а р н о - в р а щ а т е л ь н о м бурении погружными пневмоударниками и перфораторами с независимым вращением удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту. При названных двух способах бурения порода разрушается только в результате ударов.

При в р а щ а т е л ь н о - у д а р н о м бурении специальными машинами удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым давлением инструменту. Разрушение происходит в результате ударов и вращательного движения инструмента.

Бурение шарошечными долотами относится к ударному при долотах чистого качения и к вращательно-ударному при долотах, в которых зубцы наряду с перекатыванием срезают породу сколь­ зящим движением по забою (долота со скольжением).

При огневом бурении разрушение породы происходит за счет термонапряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности породы потоками раскаленных газов (t = 2000° С), вылетающих из сопел со скоростью до 2000 м/с и более.

Для обеспечения долговечности работы горелки она изготавли­ вается из меди и охлаждается водой или воздухом.

При взрывном бурении скважин порода разрушается последова­ тельными взрывами на забое небольших зарядов ВВ. Известно два метода взрывного бурения: с помощью патронов жидких или твердых ВВ, взрывающихся на забое от удара, и струйный, при котором

28

из взрывного бура, расположенного над забоем, производится подача жидких компонентов ВВ (горючего и окислителя) на забой и формирование плоского заряда,взрыв которого вызывается впрыски­ ванием инициатора (сплава калия и натрия). Опытные работы послед­ них лет показали, что при взрывном бурении на забое может быть достигнута чрезвычайно высокая мощность и получены скорости проходки 30—60 м/ч, недоступные для механических способов буре­ ния, особенно в крепких породах.

При электроимпульсном бурении разрушение породы происходит за счет электрического пробоя участка забоя скважины высоко­ вольтным (до 200 кВ) разрядом. Мгновенно выделяемая энергия в канале пробоя разрушает породу, которую с забоя удаляют с по­ мощью солярового масла или воды.

ИГД им. А. А. Скочинского, НИИКМА им. А. Д. Шевякова проведены работы по созданию и исследованию комбинированного ударно-шарошечного инструмента для бурения скважин диаметром 160—200 мм. Перспективные работы проводятся институтом Гипромашобогащение, МГИ, НИПИГормаш по созданию комбинирован­ ных станков для термо-шарошечного способа бурения скважин. Рядом организаций создаются станки для расширения заряжаемой части скважин комбинированными способами, а также станки для взрывного бурения.

§ 5. Вращательное бурение шпуров

Вращательный способ применяется только при бурении шпуров в некрепких породах (в угольных пластах, глинистых и песчанистых сланцах) с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова до 6. В более крепких породах бурение производят удар­ ными способами.

Машины вращательного бурения в мягких породах работают с высокой производительностью, издают значительно меньший шум, чем ударные. По роду потребляемой энергии они делятся на пневма­ тические, электрические и гидравлические, а по мощности и спо­ собу установки — на ручные и колонковые.

Ручные машины массой до 20 кг предназначены для бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 2 м в мягких породах при осевом давлении до 30 кгс и имеют мощность двигателя до 1,5 кВт. Сверление ими производится с руки или со вспомогательной легкой распорной колонки.

Колонковые сверла являются более мощными буровыми маши­ нами массой 100—120 кг с двигателем мощностью от 2,5 до 5 кВт. Они применяются при сверлении шпуров и скважин диаметром до 50 мм, глубиной до 5 м и более в породах с коэффициентом крепости до 8.

Ручные электросверла ЭР-15, ЭР-16, СЭР-19М (рис. 3) принци­ пиально выполнены одинаково и отличаются только некоторыми

29