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

иизменении крепости горной породы скорость подачи инструмента автоматически меняется: увеличивается при бурении мягких пород

иуменьшается при бурении крепких пород.

Втабл. 8 приведены характеристики колонковых электросверл

ивращательных бурильных машин с электроприводом, применяю­ щихся в горной промышленности.

Вращательные бурильные машины КБМ-3 и БУЭ-2 представляют собой длинноходовые сверла, в литой корпус которых вмонтирован планетарный редуктор с вращателем, имеющим гнездо под штангу. Бурильная машина КБМ-3 имеет электродвигатель мощностью 7 кВт. Корпус двигателя, защищенный от попадания воды и масла, снизу имеет прилив с гайкой под ходовой винт податчика. При ра­ боте машины расходуется воды 16—18 л/м при давлении 8—10 кгс/см2. Бурильные машины КБМ и БУЭ устанавливаются на буровых ка­ ретках, предназначенных для проведения горизонтальных выработок площадью 8—17 м2 по крепким породам.

50

Г л а в а I V

УДАРНОЕ БУРЕНИЕ ШПУРОВ И СКВАЖИН

Пневматические бурильные машины (перфораторы) предназна­ чены для бурения шпуров, реже скважин преимущественно в крепких и очень крепких породах. Бурильные машины ударно-поворотного действия различаются:

по частоте ударов — на обычные с числом ударов до 2000 1/м и быстроударные — с числом ударов более 2000 1/мин.

по принципу вращения — с зависимым и независимым приводом; по способу применения — на ручные, колонковые и телескоп­

ные; по весу — на легкие (до 18 кг), средние (20—25 кг) и тяжелые

(более 30 кг); по способу очистки шпура — с осевой промывкой, с боковой

промывкой, с отсосом пыли.

Режим работы перфораторов характеризуется энергией одиноч­ ного удара, числом ударов в минуту, углом поворота бура и уси­ лием подачи.

§ 11. Основные сведения из теории ударного бурения

При ударном способе бурения энергия поршня бурильной ма­ шины, совершающего поступательно-возвратные движения, пере­ дается разрушаемой породе через бур и твердосплавный инструмент за время, исчисляемое тысячными долями секунды. В течение этого времени породоразрушающий инструмент внедряется на некоторую глубину.

При достаточной энергии, переданной в виде ударного импульса, внедряющееся лезвие бура оставляет на поверхности забоя шпура разрушение в форме лунки (см. рис. 1, а). Следующий удар наносится под некоторым углом к предыдущему. При определенных соотноше­ ниях энергии удара и утла поворота бурового инструмента прои­ сходит скалывание секторов породы между соседними лунками. Выбуренная порода транспортируется из забоя шпура водой или сжатым воздухом.

Процесс ударного (ударно-канатного) бурения скважин в крепких породах заключается в следующем. Буровой снаряд, состоящий из долота и ударной штанги или из желонки с ударной штангой (при тяжелых желонках ударная штанга не применяется), ударным меха­ низмом бурового станка периодически поднимается на некоторую высоту (обычно до 1,2 м) над забоем и сбрасывается, совершая при падении разрушение породы.

Чтобы в породе получалось отверстие круглого сечения, после каждого удара долото поворачивается на некоторый угол (25 до 35°). Угол поворота должен быть тем меньше, чем больше диаметр сква­ жины, чем тверже и вязче порода и чем слабее удар снаряда.

Разрушенная при бурении порода извлекается на поверхность периодически с помощью желонки или вымывается непрерывно циркулирующей водой пли глинистым раствором.

При бурении в неустойчивых породах стенки скважины закреп­ ляются обсадными трубами, которые обычно опускаются вслед за инструментом.

Скорость проходки при ударно-канатном бурении зависит от свойств горных пород и режимов бурения, массы снаряда, высоты его сбрасывания на забой и частоты ударов.

Массу снаряда ориентировочно определяют по относительной массе инструмента q, представляющей собой массу снаряда, прихо­ дящуюся на 1 см длины лезвия долота. Относительная масса прини­ мается для мягких пород 20—25, для твердых 30—40, для крепких 40—50 и для весьма крепких 50—70 кг/см. Масса снаряда опреде­ ляется по формуле

Q = qD,

где D — длина лезвия долота, см; q — относительная масса инстру­ мента, кг/см.

Высоту сбрасывания снаряда принимают в пределах 0,4—1,2 м. Нижнее значение — для очень твердых пород, верхнее — для менее твердых пород.

Прп ударном механическом бурении высота сбрасывания s и число ударов в 1 мни пу связаны между собой.

Высоту сбрасывания снаряда в скважину определяют по формуле

где Ъ — ускорение падения снаряда в скважине, м/с2; <с — время падения снаряда, с.

В простейшем случае время падения снаряда определяют по формуле

. _ 30

Zr, — Пу •

Тогда

6302 s 2л*

и

На выбор высоты сбрасывания и на число ударов оказывают влияние условия движения снаряда в скважине и, в частности,

52

ускорение движения снаряда Ь, что следует из приведенной выше

формулы.

Удар долота по забою будет более эффективным, если долото перед началом его подъема не касается забоя из расчета 1,5—3,0 мм на 1 м глубины скважины. При падении долота вследствие движения

R = 2F cos ^ -— 2N tg cp cos .

Сила удара расходуется на преодоление реакции со стороны породы и на трение долота при внедрении, поэтому после преобра­ зований получим

Р = У + R = 2N cos - f ( tg | - + tg Ф) .

Если h0 — глубина внедрения долота при ударе; D — диаметршпура; о — сопротивление породы раздавливанию при ударном

5S

бурении, то сила У расходуется на преодоление сопротивления по­ роды сжатию — раздавливанию

У = aS0,

где S 0 — проекция опорной площадки долота на породу при ударе

S0= aD;

и — ширина площадки, равная 2h0tg -тр.

Тогда

Л ^ - Х - ^ В о - Ц . , 2sm-^- cos_2

а выражение для величины удара может быть записано в виде

Р = 2h0Da (tg -у + tg cp) = 2h0Dok,

где

* = tg-|- + tg(p.

Коэффициент трения tg ср при ударном бурении колеблется от

0,15 до 0,4.

Сила, действующая на поршень бурильной машины при рабочем ходе, вычисляется по формуле

Л = т ( d i - d l ) ( Pl~ p 0),

тде P i и р 0 — соответственно давление сжатого воздуха при впуске в цилиндр молотка и противодавление в передней части цилиндра молотка; д.г и d2 — диаметр соответственно штока поршня и гели­ коидального стержня, мм.

Оптимальный угол поворота бура после каждого удара инстру­ мента подсчитывается по эмпирической формуле

Р = а (0,064—0,0060764* + 0.00024А3),

где ку — коэффициент полезного действия удара.

54

Крутящий момент на буре

М = yrljjtg (Y + б), кгс/см,

где dcр — средний диаметр геликоидального стержня, мм; у и б — соответственно угол подъема нарезки поворотного стержня и угол трения гайки о стержень, градус.

Сила удара, которая передается поршнем-ударником через проме­ жуточный элемент (бурильную штангу, наковальню) к инструменту долотчатой формы, подсчитывается по формуле Е. В. Александрова и В. Б. Соколинского

F = 2РС(sf+Sz) v° ^ “ е~Фд<)’ КГС’

Эквивалентный диаметр цилиндра бурильного молотка

£ э = 1/Д 2- $ р ,

где D — диаметр цилиндра бурильного молотка, см; <2ср — средний диаметр геликоидального стержня, см.

Оптимальное усилие подачи (нажатия) на бурильный молоток

Qom = kpD%,

где р — давление сжатого воздуха, кгс/см2; к — коэффициент про­ порциональности; для короткоходовых бурильных молотков к =

=0,32, а для длинноходовых к = 0,345.

Норму выработки бурильщика в шпурометрах в смену подсчиты­

вают по формуле

ТТ__ Уем---(Гп. з~ЬГр. п)

где Ти з и Тр п — продолжительность соответственно подготовитель­ но-заключительных и регламентированных перерывов в работе, мин; котд — коэффициент, учитывающий отдых бурильщиков, котД = 1,1; tBCи г, — вспомогательное и чистое время на бурение 1 м шпура, мин.

§ 12. Режимы ударно-поворотного бурения

Режимы ударно-поворотного бурения определяются эксперимен­ тально или на основании инженерных расчетных зависимостей, обобщающих опыт работы бурильных машин.

При бурении осевое давление на ручные машины создается ра­ бочим (в специфических условиях проходки) или механическим

55

податчиком. Рекомендуется определять оптимальное усилие подачи по следующим эмпирическим формулам;

для бурения горизонтальных шпуров

P — 0,5pF— 2sMn2, кгс;

для бурения наклонных шпуров

Р = 0,5pF — 2sMn\± (?sina, кгс,

где р — давление сжатого воздуха в сети, кгс/см2; F — площадь поршня при рабочем ходе, см2; s — амплитуда отхода корпуса бу­ рильного молотка н бура от забоя шпура, s = 1 3 мм; М — масса бурильного молотка и движущихся с ним деталей, кг; Q — масса бурильного молотка и поршня пневмоподатчика (или приведенная масса пневмоподатчика), кг; ос — угол наклона оси шпура к гори­ зонту, градус.

Масса бурильного молотка и поршня прибавляется при бурении шпуров вверх и вычитается при бурении шпуров вниз.

Усилие подачи можно подсчитать также по формуле, которая учитывает форму и диаметр коронки,

где R — коэффициент, учитывающий диаметр и форму коронки и определяемый по данным, приведенным в табл. 9; Р г и Р% — сила, движущая поршень бурильной машины соответственно вперед и назад.

На рис. 13 показана зависимость скорости бурения от усилия

усилием подачи и низкой скоростью бурения. Амплитуда отскока штанги большая. Общее время контакта лезвия коронки с поверх­ ностью породы непродолжительно; поршень совершает много «холостых» ударов в период отсутствия контакта коронки с породой. Бурильщик испытывает значительную нагрузку из-за больших вибраций машины и быстрее устает, при этом часты поломки бура.

Т а б л и ц а 9

56

II у ч а с т о к к р и в о й характеризуется оптимальным усилием подачи, обеспечивающим максимальную скорость бурения, минимальный отскок машины и лучшую передачу энергии в системе

же глубина шпуров для бурильных машин не оказывают суще-

сжатого воздуха при работе бурильными машинами легкого и тя­ желого типа.

§ 13. Скорость бурения и физико-механические свойства пород

Физико-механические свойства буримых горных пород оказывают существенное влияние на скорость бурения и износостойкость коро­ нок. Скорость бурения в зависимости от классификационного пока­

57

зателя пробы на дробимость утах может быть определена по фор муле Л. И. Барона и Н. С. Родионова

характеризующий сопротивляемость пород динамическому разру­ шению по методу дробимости, см3; к — эмпирический коэффициент, равный 0,003.

Продолядательность бурения 1 м шпура в зависимости от динами­ ческой прочности породы подсчитывают по формуле М. М. Протодьяконова (младшего) и Н. А. Кудри

<*2(/Д + 8,6)

мин,

2900./V

где d — диаметр коронки, мм; /д — показатель динамической проч­ ности породы, определяемый по методике М. М. Протодьяконов а (младшего); N — мощность бурильной машины, кВт.

В указанных формулах используются показатели сопротивля­ емости породы дпнамическому разрушению, которые более точно отражают особенности ударно-поворотного бурения.

§ 14. Скорость бурения, диаметр и глубина шпура

Исследованию механической скорости бурения в зависимости от диаметра шпура посвящены многочисленные теоретические и экс­ периментальные работы.

Проф. Н. С. Успенский показал, что в равных условиях сопро­ тивление разрушаемой буром породы прямо пропорционально ква­ драту диаметра шпура.

В результате проверенных исследований установлено, что изме­ нение скорости бурения от диаметра шпура подчиняется зависимости вида

В этой формуле показатель степени гг = 1,8 был получен в усло­ виях опыта для быстроударного перфоратора, а показатель степени п = 2,5 — для перфоратора с обычным числом ударов.

Изменения значений показателя п в формуле (IV. 1), вычислен­ ные для конкретных условий экспериментов, указывают на много­ образие влияющих факторов; точное значение п может быть устано­ влено только в конкретных горнотехнических условиях экспери­ ментальным бурением при стандартном режиме работы бурильной установки.

58

В равных условиях интенсивность снижения скорости бурения при увеличении диаметра шпура зависит от соотношения техниче­ ских параметров бурильной машины, геометрии коронки, крепости породы и т. д.

Объемную скорость бурения в единицу времени определяют произведением линейной скорости на площадь поперечного сечения

шпура:

Е,пгсм/см г

w = -J устdCT4с”,

где w — объемная скорость буре­ ния, сма/с.

Определение Ударного рас­ хода энергии рекомендуется вы­ полнять по формуле канд. техн. наук Н. С. Родионова

Е = n4tV ,lc’ кгс‘м/см3’(Iv-2)

где Т6ур — время бурения 1 м шпура затупленной коронкой; Т — время бурения 1 м шпура острой коронкой.

Значение At было определено по экспериментальным данным для различных площадок затупления лезвия коронки. Тогда целесо­ образным будет считаться интервал бурения за время At^>T33H, а предельным — равенство At = Гэам.

Опытами установлено, что величина стойкости коронок колеб­ лется от 1 до 10 м и более и зависит от абразивных и прочностных

59