книги из ГПНТБ / Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород учеб. пособие

с последующей добычей обычными способами. За рубежом предложены варианты одновременного дроблс-нчя одним взрывом полезного ископаемого и пустых пород и их выброс для обеспечения последующей добычи (рис. 125).

В США имеется проект использования серии ядерных взрывов для сооруже­ ния второй очереди Панамского канала, сооружения закрытых морских гаваней,

jглубоководных морских портов, регули ­ рования гидрографических систем и т. д.

Подземные ядерные взрывы на боль­ шой глубине без видимого проявления их действия на поверхности могут при ­ меняться для дробления больших объ­ емов породы с целью последующего растворения пли выщелачивания из них ценных полезных ископаемых, добычи раздробленной руды (рпс. 125), обра­ зования полостей для хранения жидких или газообразных полезных ископае­ мых, интенсификации процессов добычи нефти и т. д .

Р а з д е л IT

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ

Г л а в а X

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ

§ 56. Классификация и краткая характеристика способов бурения

Процесс бурения заключается в разрушении породы на забое шпура (скважины) буровым инструментом и ее удалении на поверх­

ние с отбором керна, когда по периферии сечения забоя выбури­ вается кольцевое углубление, а центральная неразрушенная часть породы (керн) с помощью керноподъемников извлекается на поверх­

ханически с помощью витых штанг и шнеков при вращательном буре­ нии, циркулирующим жидким, аэрированным (водовоздушной сме­ сью) или газообразным агентом при вращательных и ударных спосо­ бах бурения.

Процесс бурения включает следующие основные операции: под­ готовку и установку буровой машины для начала работ, бурение, на­ ращивание бурового става для достижения требуемой глубины буре­ ния, его разборку после окончания работ и смену изношенного буро­ вого инструмента.

В горной промышленности распространены вращательное, удар­ но-поворотное, ударно-вращательное, вращательно-ударное и огне-

вое бурение шпуров и скважин. Проходят экспериментально-про­ мышленную проверку взрывное и электроимпульсное бурение.

При в р а щ а т е л ь н о м бурении инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпураилискважины, и одновременное опре­

на площади контакта режущих лезвий инструмента с породой. При этом происходит последовательное скалывание частиц породы и уг­ лубление инструмента по винтовой линии. Удаление продуктов раз­

с помощью ручных и колонковых сверл, бурение резцами с помощью буровых станков, бурение алмазным инструментом и дробовое буре­ ние.

При у д а р н о м бурении инструмент наносит удар по забою и разрушает породу. После каждого удара инструмент поворачи­ вается на некоторый угол, обеспечивая таким образом получение

в промежутках между ударами поворачивается на определенный угол. К ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение

у д а р н о - в р а щ а т е л ь н о е бурение погружными пневмоударниками и перфораторами с независимым вращением, при котором

по непрерывно вращающемуся под большим осевым давлением ин­ струменту. Разрушение происходит в результате ударов и враще­ ния инструмента.

Б у р е н и е ш а р о ш е ч н ы м и д о л о т а м и относится к ударному при долотах, работающих по принципу чистого качения,

При о г н е в о м бурении разрушение породы происходит в ре­ зультате термонапряжений, возникающих при быстром нагреве по­ верхности породы потоками раскаленных газов, вылетающих из со­ пел горелок при температуре до 2000° С со скоростью 2000 м/с и более.

При в з р ы в н о м б у р е н и и скважин разрушение породы происходит последовательными взрывами на забое небольших заря­ дов ВВ.

При э л е к т р о и м п у л ь с н о м бурении порода на забое разрушается в результате электрического пробоя породы высоко­ вольтным разрядом.

Основным способом бурения скважин диаметром 200—300 мм на карьерах в породах с коэффициентом крепости / > 6 с 30-х годов было ударно-канатное, при котором буровой снаряд весом 1,2—2,5 т с частотой 48—50 в минуту поднимается на высоту 0,8—0,9 м и сбра­ сывается на забой, разрушая при ударе породу. Для удаления про­ дуктов разрушения в скважину наливается вода и образованный буровой шлам вычерпывается желонкой. Производительность стан­ ков составляет 4—20 м в смену.

На карьерах с 1958 г. начинают применять шарошечное, огневое и бурение погружными пневмоударниками. Внедрение этих способов обеспечило увеличение производительности труда при бурении в 2— 5 раз при одновременном снижении стоимости работ.

С 1935 г. при подземной разработке руды на комбинате «Апатит» и в Кривбассе применяют отбойку глубокими скважинами, пробурен­ ными мощным перфоратором с набором свинчивающихся штанг. С этого времени штанговое бурение быстро распространяется на подземных рудниках. С начала 50-х годов на рудниках черной и цвет­ ной металлургии внедряется шарошечное и пневмоударное бурение скважин диаметром 100—150 мм и глубиной до 50 м, приведшее к ко­ ренным изменениям в системах с массовым обрушением руды.

На угольных шахтах применяют различные модели ручных и колонковых сверл для бурения шпуров по углю и породам (мягким и средней крепости). В последние годы на основе применения раз­ личного установочно-подающего оборудования для перфораторов и сверл максимально механизируется бурение шпуров на проходче­ ских работах. Разрабатываются принципиально новые способы буре­ ния шпуров и скважин.

К разным типам буровых машин и инструмента применяются неодинаковые названия. Например, идентичны по смыслу понятия: коронка, долото, резец. Название коронка исторически имеет смысл оценки метода ее соединения со штангой. Понятие резец заимство­ вано из практики металлообработки в машиностроении, хотя по кинематике работы он аналогичен сверлу. В практике нефтяного буре­ ния инструмент для вращательного бурения называют долотом (на­ пример, долото Р Х и т. п.). Для алмазного породоразрушающего ин­ струмента в практике геологоразведочных работ введено понятие наконечник, хотя очевидно, что любой буровой инструмент, разру­ шающий породу, является наконечником. В настоящем учебном по­ собии породоразрушающий инструмент для вращательного бурения шпуров и скважин называется р е з ц о м . Инструмент для ударновращательного, шарошечного и вращательно-ударного способов бу­ рения называется д о л о т о м , а для перфораторов — к о р о н - к о й.

Машину для ударного бурения шпуров называют перфоратором, буровым молотком, бурильным молотком. В дальнейшем будем

употреблять исторически укоренившееся название машин этого класса — п е р ф о р а т о р ы .

Различными терминами обозначают и машины для бурения сква­ жин: буровой станок, буровой агрегат, буровая установка, буровая машина. Существенно разные понятия вкладывают при использова­ нии этих терминов в нефтегазовой промышленности и на геологораз­ ведочных работах.

вых машин (например подземные шарошечные станки с маслостанциями) допустимо название по аналогии с геологоразведочной и неф­ тегазовой терминологией б у р о в а я у с т а н о в к а . Машины для вращательно-ударного бурения БУ - 1, СБУ-2, СБУ-4 названы буро­ выми у с т а н о в к а м и .

они отвечают предъявляемым к ним требованиям. В основу математического' описания исследования должна быть положена физическая сущность явления .

При выводе формул необходимы определенные упрощения, чтобы они могли быть использованы в инженерных расчетах. Число эмпирических коэффициентов в формулах должно быть минимальным, а методика их определения четко уста­ новлена. Формулы должны давать результаты, совпадающие с данными экспе­ римента в пределах точности опыта. Получаемые величины должны давать характеристику основным параметрам взаимодействия и эффективности рассма­ триваемого процесса, чтобы с учетом экономических показателей можно было выбрать режим работы и оценить технико-экономическую эффективность машины и процесса бурения .

Исторически вначале получили развитие эмпирические исследования, кото­ рые определяли зависимость скорости бурения от режимов работы буровых ма­ шин,

значения параметров создаваемых машин. Такие исследования для решения конкретных задач выполняются и в настоящее время .

Следующим этапом развития явились аналитические исследования Доле- ж а л и к а и Н . С. Успенского, развитые в работах А. Ф . Суханова и других уче­ ных, которые рассматривали систему сил сопротивления породы внедрению в нее

Рис . 130. Схемы взаи­ модействия инстру­ мента с породой при ударном бурении

инструмента клиновидной формы (рис. 130, о) без учета механизма разрушения породы. Эти исследования, несмотря на чрезмерную схематизацию процесса разрушения, установили правильные качественные зависимости между основ­ ными параметрами процесса (энергией удара, числом ударов, глубиной внедре­ ния, скоростью бурения).

Рис. 131. Схема разрушения мрамора по А. А. Шрейнеру при разных скоростях внедрения:

Новым этапом явились исследования И . А. Остроушко, В . В . Царицына, Л . А. Шрейнера, Р . М. Эйгелеса, в которых рассмотрено взаимодействие инстру­ мента с породой с учетом физики разрушения .

И. А. Остроушко показал, что при внедрении лезвия инструмента, име­ ющего торцовую площадку, под ней образуется главный объем давления

§ 58. Динамическое внедрение инструмента в горную породу

Экспериментами установлены некоторые особенности процесса разрушения породы внедряющимся инструментом.

Время внедрения инструмента на глубину 3—5 мм составляет 200—400 мс. За это время начальный импульс при средней скорости распространения волн в породе 4000 м/с распространяется на зону размером 80—160 см. Следовательно, в каждый момент времени гра­ фик величины напряжений в этой зоне можно представить в видеотносительно пологой кривой с максимумом в зоне контакта, т. е. разрушение породы происходит в результате постепенного увеличе­ ния напряженного состояния в данной точке породы до некоторогокритического состояния.

При малых скоростях внедрения инструмент вначале, касаясь отдельных выступов и кристаллов породы, разрушает их на мелкие фракции, что способствует его плотному контакту с породой. Такое разрушение называют поверхностным. В дальнейшем происходит

диальных трещин, не приводящих к изменению силы сопротивления, вследствие того, что нормальные напряжения при этом не изме­ няются. При дальнейшем внедрении инструмента нормальные на­ пряжения в породе будут увеличиваться до тех пор, пока их крити­ ческие значения не распространятся на слой толщиной, равной сред­ нему размеру кристаллов, образующих данную породу. Одновременно произойдет разделение этого слоя на отдельные кристаллы и кри­ сталлиты, т. е. произойдет о б ъ е м н о е р а з р у ш е н и е слоя породы. При этом контакт инструмента с породой резко умень­ шается, вызывая уменьшение силы сопротивления. При дальнейшем внедрении инструмента напряженное состояние в породе снова уве­ личится до предельного с последующим образованием нового слоя