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

расположением породоразрушающих лезвий, конструктивно анало­

в виде впаянных в тело цилиндрических, круглых или восьмигран­ ных штырей твердого сплава ВК8В. В результате уменьшения общей площади контакта резца с породой удается бурить породы с / = 6. Недостаток этих резцов в однократном использовании;

Рис. 190. Резцы со сменными элементами для вращательного буре­ ния на карьерах

заводского изготовления (более высокого качества) легко заменяются

врезце и им можно пробурить несколько тысяч метров скважин. Различие отдельных конструкций резцов состоит в исполнении

режущих элементов в виде напаянных пластинок, круглых враща­ ющихся дисков из твердого сплава и в виде зубков режущей цепи врубовых машин (рис. 190, в, г), весьма перспективных благодаря их индустриальному изготовлению.

применяют три разновидности алмазов — карбонаты, балласы и борты.

К а р б о н а т ы имеют скрытокристаллическое строение, не­ правильную сферическую форму. Цвет черно-зеленый, черно-желтый со смолистым блеском. Камни плотностью 3,2—3,4 г/см3 вязкие, шарообразной формы.

Б а л л а с ы имеют также шарообразную форму, радиально лу­ чистое кристаллическое строение и весьма твердую оболочку, плот­ ность которой 3,4—3,5 г/см3 . При нарушении целостности оболочки буровые свойства балласов снижаются.

тору -максимальной твердости вставкой алмазов имеют в 2—3 раза более высокую стойкость, чем резцы с произвольной вставкой алма­ зов. В настоящее время выпускают резцы керновые со сплошными режущими кольцами (рис. 191, а), секторные керновые (рис. 191, б), бескерновые вогнутые (рис. 191, в) и ступенчатые (рис. 191, г).

Наиболее широко применяются керновые резцы с плоским тор­ цом и бескерновые — ступенчатые и вогнутые.

Алмазный резец состоит из корпуса и вставок (или матриц), в ко­ торых закреплены алмазы. Различают однослойные и многослойные

матрицы алмазных резцов. Для однослойных матриц применяют более

забою.

Для сухого бурения шпуров применяют витые штанги, изготовля­ емые из полосовых сталей ромбического (рис. 192, а), прямоуголь­ ного (рис. 192, б) и круглого (рис. 192, в) сечений. При бурении в мягких породах с большой скоростью следует применять штанги

/860

в крепких породах — с малым шагом и малой глубиной спирали. При вращательном бурении шпуров с промывкой водой приме­

няют шестигранные или круглые штанги с центральным отверстием диаметром 6—8 мм. Соединение резцов со штангами аналогично соеди­ нениям инструмента для ударного бурения. Воду для промывки обычно подают с помощью муфт, надеваемых на конец буровой штанги.

Штанги изготавливают из труб с ниппельными соединениями с цилин­ дрической или конической резьбой.

Буровую мелочь при вращательном бурении на карьерах удаляют шнековыми штангами (рис. 193), представляющими собой трубы с навитой на них стальной спиралью, армированной по торцу твердо­ сплавной наплавкой.

§ 82. Теоретические основы вращательного бурения

Наиболее значительными в области разработки теоретических основ вращательного бурения являются исследования В. Г. Михай­ лова, О. Д. Алимова, Э. О. Миндели, И- А. Остроушко, В. В. Цари­ цина, М. Г. Крапивина. Ав­ торы стремились определить необходимые величины осе­ вого давления, скорости вра­ щения, крутящего момента при разрушении породы, чтобы дать научное обосно­ вание применяемым режимам бурения и параметрам созда­ ваемых сверл и инструмента.

За каждое вращение резца лезвие с забоя снимает слой толщиной h. Под действием осевого давления Р о с инстру­ мент внедряется в породу,

которая затем разрушается в результате совместного действия кру­ тящего момента Мкр и осевого давления (рис. 194).

Кинематика работы резца может быть представлена следующим образом. Внедрению резца препятствует сопротивление породы в двух направлениях нормально к задней и передней граням резца (соответ­ ственно N-L и N2). Кроме того, имеет место сопротивление сил трения по задней и передней граням (Fx и F 2 ) .

Сила N-L определяется по формуле

где сгск — предел прочности породы на скалывание, кгс/см2 ; SCK — площадь контакта на передней грани, см2 .

Силы трения F1 и F2 определяются по формулам

(XIV.3)

где / = tg ф;

Ф — угол внутреннего трения.

найдем

N2 — Nx cos а - г F\ sin а = О,

или

N2 — Nx cos а - f Nx tg ф sin а = О,

из которой получим

Спроектировав систему сил на вертикальную плоскость, найдем

Рос— Fx cos a — F2 — N1 sin а — О,

или

Рос = Л^і tg ф cos а + N2 tg ф -j- Nx sin а. Окончательно получим

где

g___ cos a cos2 ф

~~ sin (a-f 2ф) '

Скорость бурения найдем по формуле

где т — число резцов;

п— скорость вращения, об/мин.

Вмягких породах резец производит разрушение забоя спираль­ ными слоями, при этом колебания усилий на лезвиях инструмента незначительны.

Механизм разрушения породы при вращательном бурении более крепких пород имеет характер периодического скола с резкими коле­ баниями усилий на лезвиях инструмента — от максимума до мини­

мума (рис. 195). Это объяс­ няется тем, что элементарный цикл разрушения при враща­ тельном бурении состоит из двух периодов: формирование перед режущей гранью зоны объемного разрушения без существенного продвижения резца (при этом усилие и по­ требляемая мощность быстро увеличиваются до максиму­ ма); скол действием этой зоны элемента породы (при этом сопротивление породы и по­ требляемая мощность резко снижаются до минимума).

Резец проходит некоторый участок до встречи с нена­ рушенной породой, нанося при этом удар по породе. Сопротивление

движению резца снова быстро увеличивается до максимума и цикл разрушения повторяется. Если контактное давление на инструмент недостаточно из-за малого осевого давления или большой величины затупления режущих лезвий, то разрушение породы имеет характер усталостного и абразивного истирания.

§ 83. Закономерности и режимы вращательного бурения

Скорость вращательного бурения зависит от усилия подачи, ско­ рости вращения инструмента, его диаметра и геометрических пара­ метров, от свойств горных пород и режима удаления продуктов разрушения.

Качественная зависимость между скоростью бурения v6 и усилием подачи Рос описывается кривой, аналогичной показанной на рис. 173, имеющей четыре зоны: истирания 7, (рис. 196), переходную І7, объ­ емного разрушения 777 и падения интенсивности прироста скорости бурения IV.

с увеличением п значительный рост скорости бурения наблюдается лишь до некоторого предельного значения скорости вращения пкр> после чего интенсивность роста скорости бурения значительно сни­ жается (рис. 197). С увеличением крепости пород значение га^ умень­ шается, а с увеличением Рос — несколько возрастает. Зависимость оптимальной скорости вращения от крепости горных пород для руч­ ных и колонковых электросверл приведена на рис. 198.

Установлено, что при бурении шпуров резцами с увеличением / от 2 (угли и мягкие глинистые сланцы) до 5-^-6 (известняки и песча­ нистые сланцы) удельные осевые давления на инструмент должны возрастать с 10 до 300 кгс/см, а скорости вращения снижаться с 800 до 120 об/мин. Уменьшение скорости вращения особенно важно при бурении абразивных пород. Алмазным инструментом шпуры бурят при скорости вращения 500—900 об/мин. Отдельные эксперименты при смазанных с наружной стороны штангах проведены при вращении алмазных резцов диаметром 36 мм со скоростью 6000—10 000 об/мин.

Вращательное бурение шпуров и скважин имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами бурения: лучшие санитарногигиенические условия труда бурильщика, простота эксплуатации, большая производительность в мягких породах и т. д.

Однако с увеличением крепости и абразивности горных пород резко возрастает износ инструмента, снижается скорость бурения (рис. 199) и вращательное бурение становится неэффективным.

При совершенствовании средств и способов вращательного буре­ ния внимание должно быть сосредоточено на следующих направле­ ниях.

1. Создание высокопрочного бурового инструмента на основе разработки новых, более износостойких марок твердого сплава, раз­ работки оптимальных геометрических параметров режущих лезвий и технологии пайки, исключающей появление остаточных напряже­ ний в резцах, и применение интенсивных способов охлаждения лез­ вий и эффективных способов удаления продуктов разрушения с за­ боя. Перспективны в этом отношении работы по созданию резцов торцового резания и резцов со сменными элементами. Существенное влияние на стойкость оказывает качественное восстановление буро­ вого инструмента: доводка резцов на алмазных кругах после заточки увеличивает их срок службы на 15—20%.

2. Создание компактных, маневренных, высоконадежных буровых машин, легких ручных электро-, пневмо- и гидросверл, особенно с принудительной подачей; создание легких поддерживающих и пода­ ющих приспособлений для механизации ручного труда, легких

повышения коэффициента извлечения буровой мелочи из скважин, из-за низкого значения которого в настоящее время теряется до 15% общей длины_ пробуренных скважин. Б. А. Катановым проведены перспективные исследования по повышению извлечения буровой мелочи из скважины подачей через отверстия в трубах шнека 3 — 4 м3 /мин сжатого воздуха (шнеко-пневматическая очистка). При этом происходит полная очистка забоя скважины, снижается по­ требляемая мощность на вращение шнеков, увеличивается возмож­ ная глубина бурения, особенно в обводненных породах, повышается скорость бурения и стойкость резцов. Необходимо также создавать станки с регулируемыми режимами бурения. Поскольку на карьерах габариты станка не являются лимитирующими, высота мачты и длина штанг должны быть максимальными, это способствует сокращению продолжительности вспомогательных операций.

§ 85. Классификация методов

Вследствие значительной стоимости бурения шпуров и скважин механическими способами, опасности в обращении и применении ВВ для взрывания массивов и вторичного дробления негабарита необхо­ димы изыскания новых способов бурения и дробления, эффективность которых меньше зависела бы от прочности разрушаемых пород. Эти способы изучаются в СССР и за рубежом уже более 25 лет, однако они пока не вышли из стадии лабораторно-промышленного экспери­ мента (кроме огневого бурения).

Наиболее разнообразны методы, предложенные для бурения и дро­ бления негабарита. Отбойка породы от массива зарядами ВВ пока остается единственным методом.

Известные в настоящее время новые способы бурения^ можно клас­ сифицировать следующим образом.

По виду разрушения: с использованием термических напряжений; плавления и частичного испарения; механических напряжений; комбинированного воздействия.

По воздействию на горную породу: взрывами зарядов ВВ; струями раскаленных газов; твердым наконечником, нагретым до темпера­ туры выше температуры плавления породы; электромагнитными волнами; электрическим разрядом большой мощности; лазерным

п е н е т р а т о р н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я , у л ь т р а ­ з в у к о в ы е и и с к р о в ы е установки.

§ 86. Бурение скважин с помощью взрывов зарядов ВВ

Сущность этого способа бурения состоит в последовательной подаче на забой скважины зарядов ВВ и взрывании их. В настоящее время известны два основных способа взрывного бурения: