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

пелюшннковым, Н. И. Куличихнным, Б. И. Воздвиженским,. В. К. Бушевым и др.

Современные представления о механизме н процессе разрушения

О. Д. Алимова, Р. М. Эйгелеса, Н. И. Мельникова, Б. И. Кутузова. Расчет процесса передачи энергии от ударника к породе для удар­

§ 5. Классификация и краткая характеристика способов бурения

Существующие в настоящее время способы бурения по природеразрушающих напряжений разделяются на механические и термиче­ ские.

При механических способах бурения разрушение происходит вследствие развития в породе механических напряжений. При терми­ ческих способах бурения разруше­ ние происходит вследствие развития

впороде температурных напряжений.

Кмеханическим способам бурепия относятся ударно-поворотное, вращательное, ударно-вращательное, вращательно-ударное, ультразвуко­ вое, взрывное, электрогидравличе-

мента по поверхности забоя шпура (скважины). После каждого удара инструмент поворачивается на некоторый угол и вновь внед­ ряется в породу, образуя круглое сечение шпура или скважины. Величина внедрения инструмента в породу (глубина разрушения) за каждый удар зависит от энергии удара, физико-механических свойств разрушаемой породы и геометрии инструмента. Продукты разрушения удаляются из забоя шпура (скважины) водой или воздухом.

Ударно-поворотное бурение применяют в основном в крепких породах. Бурение производят ручными и колонковыми бурильными машинами и погружными пневмоударниками. Для эффективного

30

разрушения породы необходимо, чтобы контактные напряжения под лезвием инструмента превосходили прочность буримой породы.

(давления) и вращения резца (рис. 1, б). Вращательное бурение при­ меняется по углю, мягким и средней крепости породам. Шпуры бурят ручными и колонковыми машинами вращательного действия. Осевое усилие должно обеспечивать раздавливание и смятие породы под резцом и внедрение его в породу иа определенную глубину.

бурении, только за счет ударов, но по непрерывно вращающемуся инструменту. Раздробленная порода удаляется из забоя шпура (скважины) водой или воздухом. Этот способ бурения получил широ­ кое распространение в горнодобывающей промышленности и наиболее эффективен в породах выше средней крепости и крепких.

Соотношения скоростей бурения для бурильных машин ударноповоротного, вращательного н вращательно-ударного действия пока­ заны на рис. 2. В испытанных горных породах (/ = 5 19 по шкале проф. М. М. Протодьяконова) наибольшую скорость бурения имеют вращательно-ударные машины (кривая 3). Колонковые вращательные (кривая 2) и ударно-поворотные (кривая 1) бурильные машины обладают меньшей скоростью. В интервале пород/ = 5 15 скорость

31

§ 6. Классификация бурильных машин для открытых и подземных горных работ

Буровые станки, предназначенные для проходки скважин, на открытых и подземных горных работах, различаются: по способу бурения; по виду вращателя; по виду силового привода; по тран~ портабельности.

32

П о с п о с о б у б у р е н и я буровые станки подразделяются на: буровые станки механического бурения (вращательные, ударные, ударно-вращательные, пенетрационные);

на буровые станки шпиндельные, роторные, с забойной буровой ма­

подразделяются на станки с двигателем внутреннего сгорания, электродвигателем, дизель-электрическим приводом.

П о т р а н с п о р т а б е л ь н о с т и буровые станки подпазделяются на: самоходные (установки, смонтированные на авто­ мобилях, тракторах, самоходных тележках, плавучих средствах); передвижные (установки, смонтированные на одной общей или не­ скольких рамах и перемещаемые с помощью тяжеловозов, на спе- 'циальных тележках на гусеничном ходу, пневмошинном и санном ходу); стационарные (установки, разбираемые на отдельные блоки, которые перемещаются авиамобильным, железнодорожным, воздуш­ ным транспортом) и переносные (на колонках для подземных усло­ вий).

Буровые станки механического бурения породы являются в на стоящее время наиболее распространенными.

Буровые станки ударного действия обеспечивают разрушение породы инструментом, энергия которому передается поршнемударником или собственно буровым снарядом при свободном паде­ нии.

В конструкциях ручных бурильных машин ударного действия предусмотрен механизм вращения бурового инструмента, который совмещен в одном корпусе с ударным механизмом. Механизм враще­ ния приводится в движение при обратном или прямом его ходе

спомощью геликоидальной пары. Однако имеются бурильные машины, у которых вращение передается от отдельного двигателя

средуктором.

Буровые станки вращательного бурения имеют только механизмы вращения и подачи и не имеют ударного узла. Вращательные буро­ вые станки изготовляют с электро- и пневмоприводами.

Наибольшее распространение получили буровые станки с элект­ рическим приводом.

Буровые станки с пневматическим приводом применяются в усло­ виях, где имеется сжатый воздух.

Буровые станки вращательно-ударного и ударно-вращательного действия изготовляют с механизмами, которые позволяют осущест­ влять раздельно вращение и удар по инструменту.

В буровых станках первого типа мощность вращательного меха­ низма значительно больше ударного, что обеспечивает интенсивное разрушение породы за счет резания. Ударная нагрузка при высоком осевом давлении на инструменте в бурильных машинах второго типа

расширяет возможности силового вращательного бурения в креп­ ких породах. В связи с этим их монтируют на тележках, жесткость конструкции которых обеспечивает долговечность работы инстру­ мента и бурильных машин повышенной мощности.

Производительность буровых работ зависит от способа буре­ ния, режима работы бурильной машины, качества и геометрии породоразрушающего инструмента, физико-механических свойств

горных пород.

Буровые станки используют для проходки разведочных, эксплуа­ тационных, дренажных и взрывных скважин на открытых и под­

земных горных выработках.

Бурильные машины, предназначенные для проходки шпуров, по принципу воздействия инструмента на породу и способу его подачи на забой делятся на три класса:

ударно-поворотные бурильные машины (с ручной подачей и с ме­ ханической подачей); вращательные бурильные машины (с ручной подачей и с механической подачей); вращательно-ударные буриль­ ные машины (с механической подачей).

В подземных горных выработках применяют в основном машины ударно-поворотного, вращательного и ударно-вращательного дей­ ствия. Для бурения шпуров используют пневматическую, электри­ ческую или гидравлическую энергию.

Классификация современных бурильных машин по виду энергии, области применения, способам подачи исполнительного органа

иустановки машины приведена в табл. 4.

§7. Условия применения современных средств бурения

шпуров и скважин

Буровые станки и машины ударного действия (ударно-поворот­ ного действия) предназначены для бурения шпуров и скважин в крепких и средней крепости породах различной абразивности. Основными факторами, определяющими эффективность ударного бурения, являются: энергия удара, число ударов и угол поворота бура между ударами. Для эффективного разрушения породы необхо­ димо, чтобы прочность лезвия инструмента превосходила прочность буримой породы.

Станками ударно-поворотного бурения на открытых работах бурят скважины диаметром от 76 до 250 мм и глубиной до 50 м.

На подземных работах преобладающий объем буровых работ выполняется ручными и колонковыми бурильными машинами, которые позволяют бурить шпуры и скважины любого направления диаметром от 32 до 75 мм на глубину до 30 м. При проведении подго­ товительных выработок шпуры бурят на глубину до 30 м. Легкие компактные конструкции бурильных машин получили широкое распространение при производстве буровых работ в угольной и рудной промышленности.

Буровые станки и машины вращательного действия предназначены для бурения шпуров и скважин в породах ниже средней крепости, мягких, а также при бурении по углю.

Станки вращательного бурения обеспечивают проходку вертикаль­ ных и наклонных скважин различного назначения, глубина которых достигает нескольких тысяч метров при диаметре от 300—360 мм. При производстве буровых работ иа карьерах этими средствами бурят взрывные скважины диаметром до 350 мм иа глубину 40— 60 м.

На подземных работах при добыче полезных ископаемых станками вращательного бурения бурят взрывные скважины диаметром от 36 до 95 мм и длиной до 60 м, реже до 150 м. При проведении подгото­ вительных выработок бурильными машинами вращательного дей­ ствия бурят шпуры глубиной до 3 м диаметром 40—43 мм.

Буровые станки вращательно-ударного действия предназна­ чены для бурения шпуров и скважин в породах любой крепости и абразивных свойств при разработке угольных и рудных место­ рождений.

Бурение ведут породоразрушающим инструментом специальной формы. Основными факторами, определяющими эффективность стан­ ков этого типа, являются: энергия единичного удара, число ударов, величина осевого усилия и крутящего момента вращателя станка. По мере увеличения крепости породы следует применять ударные машины большой мощности.

Современные станки вращательно-ударного бурения обеспечи­ вают проходку вертикальных и наклонных скважин различного назначения, глубина которых достигает 100—150 м, а диаметр —

65—85 мм.

На открытых работах с помощью станков этого типа проходят скважины на глубину до 40—50 м диаметром 65—85 мм. На под­ земных работах глубина взрывных скважин, проходимых станками вращательно-ударного действия, достигает 50 м.

При проведении подготовительных выработок буровые станки вращательно-ударного действия позволяют бурить шпуры диамет­ ром 40—43 мм на глубину до 5 м.

Буровые станки ударно-вращательного действия предназначены для бурения шпуров и скважин в породах крепких и весьма крепких любой абразивности. Так же как и при вращательно-ударном буре­ нии, основными факторами, определяющими эффективность станков этого типа, являются: энергия удара, число ударов и частота враще­ ния бура.

Буровые станки ударно-вращательного действия позволяют бурить вертикальные и горизонтальные скважины для производ­ ства взрывных и специальных работ на открытых разработках и в подземных условиях. В подземных горных выработках легкие станки этого типа крепятся на распорных колонках. Ими бурят скважины диаметром от 85 до 150 мм на глубину до 50 м под любым углом.

36

Г л а в а III

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ ШПУРОВ

Для бурения шпуров в породах мягких, реже средней крепости и крепких, по малоабразивных применяют вращательные бурильиые машины (см. табл. 4). В зависимости от мощности и массы они под­ разделяются на ручные и колонковые. Удаление буровой мелочи производится витыми буровыми штангами или промывкой водой.

В районах многолетней мерзлоты применяют вращательные ма­ шины с приспособлением, обеспечивающим отсос буровой мелочи из забоя или от устья шпура.

По роду потребляемой энергии машины подразделяются на электрические и пневматические. В последние годы разработаны вращательные бурильные машины с гидроприводом.

Бурильные машины вращательного действия имеют примерно одинаковую принципиальную схему и состоят из двигателя (электри­ ческого, пневматического или гидравлического) с редуктором и шпинделя, в патроне которого крепится хвостовик штанги с резцом. Режим работы вращательных бурильных машин характеризуется толщиной снимаемой стружки, усилием подачи, крутящим моментом и энергоемкостью процесса бурения.

§ 8. Основы теории вращательного бурения

При вращательном бурении разрушение горных пород произво­ дит резец, который под действием осевого давления внедряется в породу, перемещается поступательно и, вращаясь, производит разрушение ее по площади забоя шпура. Таким образом, резец движется по винтовой поверхности (сочетание поступательного и вращатель­ ного движения).

Движение точки В лезвия резца (рис. 5), отстоящей от оси вращения на расстоянии радиуса вращения R, определяется уравне­ ниями вида:

x = R cos сой;

уR sin со£;

к юг

37

Возведя два первых уравнения в квадрат и сложив результаты, получим

^ + =

Стрелкой Д на рис. 5 показано направление бурения шпура. При t = 0, х — R, у = 0, z = 0 движущаяся точка находится на пло­ скости хоу в месте пересечения цилиндра с положительным напра­ влением осп х. При времени t координата х убывает, а координаты у н z — возрастают, т. е. точка В движется по поверхности цилиндра, как показано на рис. 5 стрелкой Е. При значении t = Т {Т — про­ межуток времени, равный 2л), при котором Ы = 2я (к — коэффици­ ент пропорциональности), ползшим х = В, у = 0, z = б, где б = В гВ (движущаяся точка вернется на прежнюю образующую цилиндра, но переместится от плоскости хоу на расстояние б п попадет в точку В ^ . После каждого промежутка времени Т — 2я точка будет воз­ вращаться на прежнюю образующую, но в новое положение, отстоя­ щее от прежнего положения на расстояние б. Таким образом, траектория точки представляет собой винтовую линию с шагом б.

Если обозначим угол поворота резца вокруг оси через у, то

где и — скорость поступательного движения.

Отношенпе поступательной скорости к угловой будет равно

При вращательном бурении А является постоянной величиной, так как этот случай аналогичен ввинчиванию винта в неподвижную гайку. Тогда, интегрируя выражение с?б = Ай у в пределах от О до у п от 0 до б, получим

б = Пу,

т. е. при постоянном параметре винта А поступательное переме­ щение резца вдоль винтовой оси (внедрение) пропорционально углу поворота резца вокруг этой оси.

Если предположить, что у = 2л, а величину поступательного перемещения — толщину срезаемого слоя породы за один оборот резца, соответствующий этому углу поворота, обозначить через б, то

б = 2яА и А = 4~.

Если путь, проходимый точкой В при перемещении ее на вели­ чину б = В гВ, обозначить через s, то d8/ds — А В этом выражении величина А х аналогична А, но отиесенна к линейной величине.

Произведя интегрирование, получим

8

S Л -

38

Из рис. 6 видно, что s = 2nR cos у, тогда

б

Аг = 2пЯ cos у

С некоторым приближением cos у можно принять равным еди­

нице, тогда

б

Ai = 2nR *

Таким образом, при повороте резца радиусом 1 см на единицу длины окружности он будет внедряться в породу на величину А г Вертикальному перемещению рез­ ца — внедрению препятствует со­ противление породы. Чтобы прео­ долеть это сопротивление, необ­ ходимо приложить силу

ос — угол приострения лезвия резца, градус; б — величина внедре­ ния, см.

В качестве критического сопротивления породы внедрению резца проф. В. Г. Михайлов принимает

0 = &чтсм, кгс/см2,

где к — коэффициент, учитывающий хрупкость буримого материала, к = 0,5 0,7; сгсм — сопротивление материала смятию, кгс/см2.

Наиболее приемлемым является сопротивление внедрению штампа определяемое по методике Шрейнера, поскольку она отражает су­ щество физического процесса внедрения вращающегося резца в по­ роду. Внедрение вращающегося резца при бурении в каждый момент происходит на малую величину.

В общем случае при невращающемся резце сопротивление вне­

При вращении резца возникает сила трения, QfT, где /т — коэф­ фициент трения; Q — нормальная составляющая силы трения.

Усилие внедрению при вращающемся резце

G=Pi — QU-

39