книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

В соответствии с изложенным способы бурения шпуров и сква­ жин можно распределить следующим образом:

N B= f[M(p)] \

_ q I вращательный

N B^>Ny— вращательно-ударный,

N y^>NB— ударно-вращательный,

N у 10N B— ударный.

Картина разрушения пород забоя скважины или шпура при раз­ личных способах бурения показана на рис. 2, на рис. 3 — относи­ тельные значения крутящего момента, осевого усилия и ударной нагрузки на инструмент.

2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ БУРЕНИЯ, ИХ ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

Вращательный способ бурения. Вращательное бурение резанием осуществляется сверлами и станками вращательного действия. Указанное оборудование изготовляется с электрическим, гидравли­ ческим или пневматическим приводом. Наибольшее распространение получили электрические приводы. Электрическая энергия, как более

10

дешевая (в 15—20 раз), предпочтительнее пневматической. Однако применение пневматического привода оправдывается в шахтах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. В особо опасных усло­ виях, например при добыче нефти подземным способом, при необхо­ димости бурения глубоких скважин применяются станки с гидравли­ ческим приводом. Вода под давлением к таким станка* подается по трубам от насосов, которые устанавливаются в местах, опреде­ ляемых правилами безопасности.

Электрические вращательные буровые машины применяются для бурения пород слабых и средней крепости (коэффициент крепости не выше 6—7). Ведутся исследования по применению указанных машин для бурения в более крепких породах.

Буровые машины, применяемые для бурения шпуров резцами в соединении с витыми штангами, называются сверлами. По виду применяемой энергии сверла подразделяются на электрические (электросверла), пневматические и гидравлические.

Электросверла подразделяются на ручные и колонковые. Колон­ ковые электросверла имеют механическую или гидравлическую подачу. Заводы выпускают все электросверла во взрывобезопасном исполнении.

Наибольшее распространение в горной промышленности полу­ чили ручные электросверла, которые применяются для бурения шпу­ ров глубиной 1,5—3 м по углю и слабым горным породам с коэффи­ циентом крепости не более 3 (каменная соль, сланцы). Диаметр шпу­ ров 40—45 мм. Ручные электросверла выпускаются массой от 12 до 24 кг, скорость вращения шпинделя колеблется от 400 до 1200 об/мин. Мощность электродвигателя не превышает 1,6 кВт.

При бурении ручным электросверлом подача инструмента на за­ бой осуществляется рабочим вручную, величина усилия подачи при этом составляет 20—25 кгс. Скорость бурения составляет 200— 1000 мм/мин.

Для бурения шпуров и скважин большей глубины (до 10 м) или в более крепких углях (антрацитах) и породах применяются колонковые электросверла. Масса таких электросверл колеблется от 28 до 140 кг (без колонн и бурового инструмента). Мощность электродвигателя 1,4—4,8 кВт. Скорость вращения шпинделя сверла при наличии сменных шестерен варьирует в широких пределах (50—1000 об/мин). Ход подачи колонковых электросверл с принуди­ тельной подачей колеблется от 0,88 до 2,88 мм на один оборот шпин­ деля. Современные подающие устройства развивают усилие подачи до 1600 кгс.

Заводами выпускаются пневматические сверла массой от 10 до 15 кг, мощность на шпинделе 1,5—2,0 кВт и вращающим момен­ том от 250 до 500 кгс*см. Сверла выпускаются для бурения с руки и с пневмоподдержки.

Для бурения скважин применяются буровые станки.

Станки вращательного бурения применяются для бурения сква­ жин в слабых породах, коэффициент крепости которых не более

11

6—7. Станки выпускаются с электрическим или пневматическим приводом. Масса станка колеблется в пределах от 200 до 400 кг. Скорость вращения шпинделя 150—200 об/мин. Мощность двига­ теля 3—6 кВт. Осевое усилие 60—150 кгс. Глубина бурения скважин диаметром 60—80 мм равна 60—70 м.

Для бурения резцами в мягких породах может быть при необхо­ димости применен любой станок, предназначенный для дробового или алмазного бурения.

Для бурения алмазами применяются специальные станки. Ко­ ронка для сплошного или кернового бурения, армированная алма­ зами, при своем вращении разрушает породу забоя скважины, кото­ рая затем выносится на поверхность водой. Алмазная коронка подается на забой с помощью буровых штанг, вращение и осевое перемещение которым передается от станка. Станки для алмазного бурения отличаются портативностью, большой скоростью вращения (450—3300 об/мин), мощность двигателя равна 2,5—12 кВт, масса станка 50—300 кг. Такими станками бурят скважины диаметром 33—93 мм, глубиной до 100 м.

На открытых горных работах при вращательном бурении реза­ нием применяется инструмент из резцовых коронок с шнековым бу­ ровым ставом. Диаметр скважин 115—160 мм. Для бурения скважин диаметром 115 мм применяются легкие станки массой до 2 т с ходо­ вым устройством шагающего типа. Для бурения скважин диаметром 125—160 мм применяются станки типа 1СБР-125, СБР-160 или СВБ-2М. Станки оборудованы гусеничным ходом, масса станка до 12 т. Мощность вращателя 40 кВт. Скорость вращения бурового инструмента 120—200 об/мин.

Станки для бурения долотами шарошечного типа с воздушной очисткой скважин нашли наибольшее распространение в горной про­ мышленности. На открытых горных работах такими станками бурят скважины диаметром 160—320 мм, глубиной до 40 м, скорость вра­ щения долота 80—200 об/мин. Масса станка колеблется от 20 до 130 т. Применяются такие станки для бурения взрывных скважин

полезных ископаемых наибольшее распространение имеет ударное бурение ручными перфораторами с пневмоподдержками, телескоп­ ными и колонковыми перфораторами. Колонковые перфораторы производительнее ручных, но требуют большего времени на их установку. При проведении горизонтальных выработок колонковые перфораторы монтируются на буровых каретках. Число перфорато­ ров, устанавливаемых на каретках, изменяется обычно в пределах от 2 до 6.

12

13

Ручными перфораторами бурят шпуры диаметром 30—55 мм, глубиной до 4 м. Колонковыми и телескопными перфораторами можно бурить скважины диаметром 40—85 мм глубиной до 25 м. Пер­ фораторами бурят скважины в породах с коэффициентом крепости от 6 до 20 и выше.

В зарубежной практике колонковые перфораторы применяют для бурения скважин диаметром 52—126 мм, глубиной до 30 м на открытых горных работах и в строительстве. Перфораторы уста­ навливаются на каретках с .колесным или гусеничным ходом.

Вращательно-ударный способ. Машины вращательно-ударного действия появились в последнем десятилетии. Однако из-за необхо­ димости создания высокого осевого усилия машины этого типа имеют большой вес и высокую стоимость. Бурение такими машинами ведется с колесных или гусеничных тележек: бурят шпуры диамет­ ром 40—65 мм, глубиной до 4 м. Глубина бурения шпуров опреде­ ляется длиной лафета машин, так как бурение производится цель­ ными штангами. Опыт показывает, что машины такого типа целе­ сообразно применять для бурения в породах с коэффициентом кре­ пости от 6 до 12.

Ударно-вращательный способ. При отбойке руды методом глубо­ ких скважин в подземных условиях бурят скважины глубиной до 50 м, диаметром 85—160 мм. Бурят такие скважины буровыми агре-

14

гатами с погружными пневмоударниками. Агрегат состоит из станка вращательного действия и пневмоударника, подаваемого в сква­ жину при помощи штанг. Благодаря тому, что ударное бурение не требует больших силовых нагрузок, указанные агрегаты имеют небольшой вес. Агрегаты просты в изготовлении, удобны в эксплуа­ тации. Агрегаты широко применяются при бурении скважин диа­ метром 85—105 мм.

На открытых разработках широко применяются станки ударно­ вращательного действия для бурения скважин диаметром 105— 160 мм и глубиной до 40 м в породах с коэффициентом крепости от 10 до 20. Станки с погружными пневмоударниками выполняются как на колесном, так и на гусеничном ходу.

К машинам ударно-вращательного действия относятся и мощные колонковые перфораторы с независимым вращением бура. Такими перфораторами бурят глубокие взрывные скважины диаметром 46—85 мм, глубиной до 30 м в породах с коэффициентом крепости от 6 до 20.

В табл. 2 приведены условия наиболее рационального примене­ ния различных способов бурения и бурового оборудования на под­ земных и открытых разработках.

3. ЗАБОЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ БУРЕНИИ

Исследования с применением методов фотоупругости, скоростной киносъемки, тензометрии и других показали, что механизм разру­ шения породы носит сложный характер.

Процесс бурения характеризуется углублением инструмента в породу под действием нагрузок. Рабочим органом инструмента являются индентеры, или наконечники, которые под влиянием усилий создают местные напряжения, превосходящие предел проч­ ности породы. При вращательном бурении мягких пород разрушение происходит непрерывно, представляя собой процесс резания пла­ стичного материала с образованием стружки. При бурении хрупких горных пород разрушение происходит циклично в виде отдельных сколов.

Картина распределения напряжений в породе, полученная на фотоупругих моделях для вращательного бурения, показана на рис. 4. В зависимости от свойств породы отделение стружки будет происходить по-разному. Если порода пластичная и вязкая, когда ее сопротивление сдвигу значительно ниже сопротивления растяже­ нию, стружка будет отделяться по плоскостям скольжения, возника­ ющим в результате действия тангенциальных (касательных) напря­ жений, превосходящих по величине значения предельных. В хруп­ кой породе стружка отделяется за счет развития трещин от места контакта инструмента с породой к свободной поверхности по некото­ рой траектории.

Эпюра распределения тангенциальных напряжений при осевом усилии Р х = 0,8 Р 2 (Р 2 — окружное усилие) в породе перед резцом,

15