книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие

и количеством сжатого воздуха или воздушно-водяной смеси, расхо­ дуемых на продувку скважины.

Как показывают результаты исследований, все указанные пара­ метры взаимосвязаны и оптимальное их сочетание зависит от размера и конструкции долота, характеристик станка и конкретных условий бурения. В совокупности они определяют технико-экономические показатели работы бурового станка.

Осевое усилие. С увеличением осевого усилия при постоянной частоте вращения увеличивается глубина внедрения зубьев долота

а б

Рис. 39. Зависимость скорости бурения шарошечного долота от осевого давления

при очистке забоя:

1 — нормальной; 2 — недостаточной

и объем разрушенной породы и соответственно возрастает скорость бурения. Однако в случае недостаточности расхода продувочного сжатого воздуха прирост скорости бурения замедляется, а после достижения некоторой критической величины скорость буренпя начинает снижаться. Типичная зависимость скорости бурения шаро­ шечного долота от осевого давления показана на рис. 39.

Ряд исследователей различную интенсивность изменения ско­ рости бурения в зависимости от величины осевого усилия объясняют характером напряженного состояния пород и вызываемого им про­ цесса разрушения и выделяют следующие три зоны (рис. 39, а): поверхностное истирание (/), усталостное {II) и объемное {III) разрушение. Однако, исходя из анализа возникающих напряжений, другие исследователи показали, что во всех этих зонах разрушение связано с объемным напряженным состоянием, охватывающим, вследствие различия по глубине внедрения зуба долота, соответ­ ственно различную по размерам зону.

В ряде случаев различная интенсивность прироста скорости бурения объясняется изменением условий очистки забоя от буровой мелочи (рис. 39, б).

На основе изучения режимов шарошечного бурения в различных условиях рекомендуемые величины удельного, осевого усилия на долото составляют от 200 до 1500 кгс/см. Они соответствуют также

400

и конструктивным характеристикам долот, обеспечивающим возмож­ ность реализации удельных усилий в зависимости от типа и раз­ мера долот от 600 до 2000 кгс/см.

Частота вращения долота. С увеличением частоты вращения долота скорость бурения растет. Однако среднее углубление забоя за один оборот долота при этом снижается. Для объяснения этого выдвигаются различные гипотезы: влияние изменения времени кон­ такта зубьев долота с породой, различная скорость приложения нагрузки и т. д. Однако детальный анализ не подтверждает указан­ ные предположения. Так, например, установлено, что прн имеющих место максимальных скоростях приложения нагрузки до 3 м/с прочностные характеристики пород практически одинаковые. Что же касается временного параметра, то установлено, что контакт зуба долота с породой в процессе бурения продолжается в течение многих десятков миллисекунд (по данным Л. И. Барона и Л. Б. Глатмана — от 56 до 132 мс), в то время как для завершения процесса разрушения достаточно 0,1—0,2 мс.

Изменение эффективности бурения в зависимости от частоты вращения долота может быть связано также и с неодинаковой сте­ пенью удаления разрушенной породы. Показательно, что в случае, когда обеспечивается полное удаление буровой мелочи, например при бурении восходящих скважин, не зафиксировано снижение эф­ фективности в широком диапазоне изменения частоты вращения долота.

Важно также подчеркнуть, что увеличение частоты вращения долота ограничивается также и уровнем возникающих при этом вибраций бурового станка, усиливающихся по мере увеличения крепости породы.

Расход сжатого воздуха определяется условиями эффективного охлаждения долота и интенсивного удаления буровой мелочи. На большинстве применяемых станков производительность компрессо­ ров недостаточна и увеличение расхода воздуха против обычно при­ меняемого приводит к существенному увеличению скорости бурения.

Экспериментальные данные показывают, что при быстром и пол­ ном удалении продуктов разрушения увеличение частоты вращения долота не приводит к снижению интенсивности прироста углубления скважины.

Для современных станков шарошечного бурения скважин диа­ метром от 214 до 269 мм рекомендуемый расход воздуха от 20 до

30 m Vmhh.

Оптимальные режимы бурения. Шарошечным буровым станком можно бурить при максимальной скорости за счет увеличения ча­ стоты вращения долота и осевого усилия. Однако при этом будет происходить усиленный износ долота. Возможен также режим со сниженной частотой вращения и осевым усилием, при котором бу­ дет достигнута максимальная стойкость долота при малой скорости бурения. Оптимальным является режим, обеспечивающий минималь­ ную стоимость общих затрат на бурение.

101

Проф. Б. Н. Кутузов рекомендует для инженерных расчетов с точностью до 10—15% определение оптимального режима произво­ дить, исходя из двух основных составляющих затрат иа бурение — стоимости долота Сд и стоимости всех затрат иа машиио-смену Ссн:

c = i f+т. vym.

где 1а — стойкость долота, м; П — производительность станка в смену, м.

Прп этом осевое давление соответствует свойствам горных пород и типу долота и вводится в аналитические зависимости как неза­ висимое переменное. Следовательно, определение оптимального ре­ жима сводится к определению оптимальной частоты вращения до­ лота.

Функции, связывающие скорость бурения и стойкость инстру­ мента с частотой вращения долота п принимаются вида:

уб = /т я; /д■=:B/nV,

где к — эмпирический коэффициент, зависящий от типа долота, свойств горной породы и осевого давления на забой; B u y — эмпи­ рические коэффициенты.

Сменная производительность

JI = Ti]v6 = Ti]knx, м,

где Т — продолжительность смены, ч; г| — коэффициент исполь­ зования станка при бурении.

Затраты на бурение 1 м скважины по статье «машино-смена»

ПТт\кп*> руб.

Затраты на бурение 1 м скважины по статье «инструмент»

Сд _ СяпУ

In в

Полная стоимость затрат на бурение 1 м скважины

р С См | СдпУ

~~ Тг\кпх " г в '

Оптимальная частота вращения долота по условию dC/dn = О минимума затрат на бурение

СсмВх ^опт ТУ\кСру

Расчеты показывают, что для ряда типичных условий примене­ ния современных шарошечных станков оптимальная частота враще­ ния долота составляет 120—180 об/мин.

102

§ 28. Инструмент и станки для вращательного бурения скважин

Резцы для вращательного бурения скважин изготавливают из стали с наплавкой твердого сплава, с армировкой твердосплавными штырями и пластинами, а также со сменными режущими элементами.

Бурение крепких и крепчайших пород в некоторых случаях про­ изводится с помощью алмазных резцов.

1 — вращатель; 2 — электродвигатель; 3 — распорная колонка

Для обеспечения выноса бурового шлама при вращательном бу­ рении применяют штанги со шнеками (спиралями) на наружной по­ верхности.

Станки вращательного бурения широко применяют на угольных разрезах: БСН-1 (СВР-125) — для бурения скважин в породах с / = 2-^3 диаметром 110 мм на глубину до 30 м и СВБ-2 (СБР-160) для

ции, обеспечивают высокую производительность и экономичность бурения: по углю — до 150 м/смену и по породам с / = 4-^-6 — до

50м/смену.

Внастоящее время СКВ ИГД им. А. А. Скочинского разрабаты­

вает станок вращательного бурения со сменными шарошечным и бу­ рошнековым органами СБШК-200 для бурения скважин диаметром 214 мм на глубину до 50 м в угле и породе с / до 8.

103

Бурение скважин вращательным способом в подземных условиях ведется специальными станками СБ-1, СБВ-1, АБ-1, НИГРИ-4 н другими (табл. 24). Могут быть использованы также и некоторые машины, предназначенные для бурения шпуров. Так, например, бурильная электровращательная установка БУЭ-2 позволяет бу­ рить по углю скважины диаметром до 500 мм.

В качестве бурового инструмента применяют резцы с твердо­ сплавными режущими элементами, а в крепких породах — с алмазами.

На рис. 40 показан станок НИГРИ-4, предназначенный для бу­ рения скважин под любым углом и при промывке водой. Его устана­ вливают на распорной колонке. Вращатель станка оборудован элект­ родвигателем мощностью 5,8 кВт.

Станки с инструментом большого диаметра предназначены для бурения восстающих скважин на угольных шахтах.

Преимущества вращательного способа — высокая производитель­ ность в слабых горных породах, простота работы буровых станков и рабочего инструмента, небольшое пылеобразование позволяют считать его перспективным для бурения пород мягких и ниже сред­ ней крепости.

Совершенствование технических средств вращательного бурения ведется на основе создания резцов торцового резания, резцов со смен­ ными рабочими элементами, комбинированного шарошечно-враща­ тельного инструмента. Ведутся работы и по созданию для станков вращательного бурения бурового инструмента фрезерного типа с режущими рабочими элементами.

§ 29. Огневое бурение скважин

Огневое (термическое) бурение основано на интенсивном воздей­ ствии на породу высокотемпературной газовой струи, обладающей сверхзвуковой скоростью.

В результате возникающего при нагреве температурного гради­ ента в породе образуется поле термических напряжений, вызыва­ ющих разрушение ее поверхностного слоя на глубину до 3—5 мм отдельными мелкими частицами — чешуйками. При непрерывном действии газового потока происходит последовательное отделение все новых и новых частиц породы и формирование скважины.

Эффективность термического бурения зависит от температуры газов, их скорости и массового расхода, а также от характеристик горных пород — главным образом минералогического состава, стру­ ктуры, упругих и теплофизических свойств.

Термическое бурение наиболее эффективно в тех породах, где разрушение происходит путем шелушения с образованием мелкой крошки, т. е. без плавления. Примером таких пород являются оки­ сленные и неокисленные монолитные железные руды Криворожского бассейна с более или менее равномерной вкрапленностью рудных минералов. В трещиноватых породах того же состава при термиче­ ском бурении наблюдается их частичное плавление при значительном

105

висящем положении в пределах некоторого определенного диапазона расстояний от забоя, для поддержания которого станок снабжен специальным механизмом, регулирующим осевое перемещение буро­ вого става (его подачу). В процессе бурения частота вращения става составляет до 40 об/мин.

Способ термического бурения скважин получил в настоящее время практическое применение на карьерах ЮГОКа и ИнГОКа в Кривом Роге. Термобуры, кроме того, находят применение для резки и обра­ ботки камня в промышленности стройматериалов, при бурении скважин в районах многолетней мерзлоты, для разделки негаба­ ритов и т. д.

107

10S

(называемые иногда долотами с опережающим лезвием) и многосту­ пенчатые. На рис. 43 показаны наиболее распространенные типы долот.

Для ударно-вращательного бурения скважин применяют погруж­ ные пневмоударники, получившие в последние 15—20 лет широкое распространение на открытых и в особенности на подземных раз­ работках. Один из них — пневмоударник М-1900 с долотом диа­ метром 105 мм — показан на рис. 44.

Рис. 44. Пневмоударник М-1900 с долотом:

К настоящему времени создан ряд погружных пневмоударников для бурения скважин диаметром от 75 до 214 мм с числом ударов до 2000 в 1 мин и энергией удара до 20 кгс-м, работающих при давлении сжатого воздуха 5 кгс/см2. В табл. 26 приведены техни­ ческие характеристики наиболее распространенных пневмоударников.

1C9