книги из ГПНТБ / Ударно-канатное бурение И. П. Зорин, А. М. Стороженко. 1960- 12 Мб

станка повышается с увеличением плотности шлама. Процесс этот, однако, имеет свой предел, по достижении которого произ­ водительность начинает падать (рис. 52).

Опытным путем также установлено, что рациональная плот­ ность шлама увеличивается с увеличением крепости буримых пород (рис. 51,2) и ей соответствует рациональное значение высоты шламового столба и удельного расхода воды Нашими исследованиями установлено, что удельный расход воды с уве­ личением крепости пород умень­ шается от 2 до 0,75 дм?1дм? (рис.

51, 3).

Найденные значения удельного расхода воды и известные значения объемного веса пород позволили исследовать формулу (75). На ос­ новании этого исследования со­ ставлен график зависимости плот­

На удаление плотных шламов затрачивается много времени; скорость бурения в этих случаях ниже рациональной. Такая плотность может быть оптимальной только при бурении пород специальными методами (трамбованием, налипанием и др.).

Область графика, лежащая ниже прямой <7 = 2, представлена очень жидкими шламами, плотность которых приближается к плотности воды. В этих шламах не взвешиваются раздробленные частицы даже средних размеров. Они скопляются на забое сква­ жины, образуя «подушку», которая уменьшает силу удара, уве­ личивает объем работы по повторному дроблению, и, в конечном счете, снижает скорость бурения. Плотность жидких шламов может быть оптимальной только при бурении скважин гидрав-^ лическим способом.

Таким образом, при обычном методе бурения и рациональном

1 Под удельным расходом воды понимается количество объемов воды, необходимых для взвешивания одного объема породы.

119

режиме работы ударно-канатных станков проходку скважин в породах различной крепости рекомендуется вести при плотности шлама, соответствующей удельному расходу воды от 0,75 до 2 дм3!дм\ Исключение составляют трещиноватые породы, бу­ рение которых следует вести при плотности, соответствующей удельному расходу воды от 0,55 до 0,65 дм3!дм3.

Рис. 54. Изменение скорости выпадения частиц в зависимости от их размера и плотности шлама

Найденные значения рациональной плотности шлама позво­ ляют оценить способность частиц взвешиваться в среде по ско­ рости их выпадения.

Скорость выпадения частиц в шламовой среде можно опре­ делить по формуле Риттингера

Анализируя характер кривых, можно сделать следующие ос­ новные выводы:

1) с увеличением плотности шлама скорость выпадения час­

тиц уменьшается, а способность их взвешиваться в среде увели­ чивается;

120

2) скорость выпадения частиц размером 0,5 мм из жидкого шлама (1,1 кг/дм?) почти в три раза меньше скорости выпадения частиц размером 3 мм, т. е. малые частицы взвешиваются в жид­ ком шламе значительно легче, чем крупные;

3) с увеличением плотности шлама увеличиваются и разме­ ры взвешенных частиц.

Теоретические исследования способности раздробленных час­ тиц переходить во взвешенное состояние являются основой для определения рациональной плотности шлама при бурении пород различной крепости.

Величина выталкивающей силы, действующей на погружен­ ный в шлам буровой снаряд, может быть найдена по следующей формуле:

7Ш — объемный вес шлама, кг/дм\

Подставляя в формулу (86) значения отдельных составляю­ щих, получим окончательно

Из формулы (78) следует, что гидростатическое сопротивле­ ние шламового столба возрастает с увеличением углубления скважины за операцию долбления, объемного веса буримых по­ род, удельного расхода воды и диаметра штанги. _

Инерционное сопротивление шлама зависит от объема шлама в скважине, диаметра долота и штанги и мгновенного ускорения шлама [53] и определяется по формуле

жины и штангой.

Гидродинамическое сопротивление шлама зависит от гидро­ динамического коэффициента и мгновенной скорости падения бу­ рового снаряда в скважине [53] и определяется по формуле

121

где z — гидродинамический коэффициент сопротивлений, учи­ тывающий в данном случае также силу трения снаряда

о стенки скважины и реакцию бурового каната;

—мгновенная скорость падения бурового снаряда, м/сек.

Величины сопротивления шлама, найденные по указанным формулам, представлены на схеме (рис. 55), из которой сле­ дует, во-первых, что гидродинамическое сопротивление при одной и той же высоте падения бурового снаряда (0,9 м) в 8 раз боль­ ше инерционного и в 4 раза больше гидростатического (рис. 55,а);

Рис. 55. График изменения величины со­ противления (а) и диаграмма работы сил сопротивления (б) за время падения буро­ вого снаряда

и во-вторых, что на преодоление гидродинамического сопротив­ ления затрачивается 450 кгм, а гидростатического — 200 кгм,

т. е. в два раза меньше (рис. 51,6).

График и диаграмма соответствуют случаю бурения сква­ жины снарядом весом 2000 кг с относительным диаметром 0,71. Уровень шлама в скважине при опущенном снаряде составляет 4 м, удельный вес шлама — 2 г/см?, высота падения снаря­ да — 1 м.

Сопротивление шламового столба также не остается постоян­ ным. При бурении мягких пород (кроме вязких), когда объем­ ный вес шлама не превышает 1,3—1,5 кг/л, доминирующую роль играет гидростатическое сопротивление, а при бурении более крепких пород и объемном весе шлама 1,5—2,2 кг/л—гидроди­ намическое (в этом случае весьма значительно и гидростатиче­ ское сопротивление). При бурении мягких вязких пород основ­ ным является гидродинамическое сопротивление, так как высо­ та шламового столба составляет менее одного метра, а плотность шлама приближается к плотности породы.

Расход воды, необходимый для взвешивания объема поро­

122

ды, выбуренной за операцию долбления, определяется по фор­ муле

где D — диаметр скважины, дм;

q — удельный расход воды, дм3!дм3; ^ — коэффициент утечек;

£д — углубление забоя скважины за операцию долбления, дм.

'Расчеты, выполненные по формуле (81), показывают, что

•расход воды на углубление скважины за операцию долбления с увеличением крепости пород уменьшается от 88 л на мягких по­

Формула (81) является универсальной, так как позволяет определить расход воды не только на углубление скважины за операцию долбления, но и на бурение 1 м скважины. Согласно расчетам, произведенным по формуле (81), расход воды на 1 м скважины с уменьшением крепости пород увеличивается от 30 л на крепких породах до 70 на мягких (рис. 56).

Рациональный расход воды на углубление скважины за опе­ рацию долбления позволяет автоматически получить оптималь­ ные высоту и плотность шламового столба. Следовательно, для бурения пород и руд различной крепости при оптимальных значениях высоты и плотности шламового столба достаточно знать только расход воды и нет необходимости замерять высоту и плотность шламового столба.

Формула (81) действительна только при порционном подливе воды, т. е. когда воду подливают в скважину через определен­ ные промежутки времени отдельными порциями, объем которых изменяется от 10—12 л на мягких породах до 3—5 — на креп­ ких.

123

На большинстве карьеров Советского Союза при ударно-ка­ натном бурении применяют в основном .порционный подлив воды.

На основании математического исследования уравнения веса шлама 'построен график зависимости увеличения плотности шлама от времени операции долбления (рис. 57).

Рассмотрим получение рациональной плотности шлама при порционном подливе воды в случае, если объемный вес буримой породы составляет 3 кг/дм3, а ра­ циональная плотность шлама —

2,1 к.г)дм?.

1. Плотность шлама доводят до рациональной величины (2,1 и сразу подливают в скважину оче­

ся дополнительная работа, а это приведет к снижению скорости бурения.

2. Плотность шлама доводят .до величины, превышающей оп­

необходимо увеличить время долбления между соседними подли­ вами воды, а это приводит к увеличению продолжительности операции долбления и к снижению скорости бурения.

Следовательно, как в первом, так и во втором случаях бу­

а непрерывной струей, то плотность шлама не будет снижаться и бурение будет происходить при постоянной и рациональной плотности (2,05 кг/дл<3) (рис. 57,4). В этом случае на то же уг­ лубление расходуется меньше времени, что соответственно уве­ личивает скорость бурения.

124

Эффективность беспрерывного подлива воды была прове­ рена в условиях Магнитогорского и Бакальского рудников. В обоих случаях скорость бурения повысилась в среднем на 10%.

Рис. 57. Изменение плотности шлама и зависимости от времени операции долбления

Беспрерывный подлив воды дает особые выгоды при бурении трещиноватых пород, когда вода уходит по трещинам, а на забое скопляется «подушка» раздробленной породы. Вода, поступающая беспрерывной струей, смывает раздробленные ча­ стицы, освобождая от них забой.

Расход воды в единицу времени при беспрерывном подливе ее в скважину можно определить по формуле

125

где q — удельный расход воды, дм3/'дм3-, d — диаметр долота, дм\

Л — глубина внедрения долота за один удар, дм.-, а — угол приострения лезвия долота, град,

Уп—объем породы, выбуриваемый на 1 сек,дм3\ ky—коэффициент утечек.

На основании расчетов, выполненных по формуле (82), составлен график зависимости расхода воды от крепости бури­ мых пород (рис. 58). Из графика следует, что расход воды при беспрерывном подливе с увеличением крепости пород умень­ шается от 0,4 л!сек для мяг­ ких пород до 0,01—для креп­

ких и очень крепких.

Для беспрерывного подли­ ва воды в скважину можно использовать: трубопровод (особенно на карьерах Юга — Криворожских, Балаклавских, Еленовских, Дашкесанских и других); передвижной бак, смонтированный на салазках, от которого вода по гибкому шлангу через вентиль посту­

(в этих условиях воду в зимнее время следует подогревать). Первые два способа позволяют применять установки группо­

вого обслуживания, обеспечивающие подачу воды к двум, трем и более станкам (рис. 59); последний способ применен для об­ служивания одного станка (рис. 60).

Установки индивидуального обслуживания имеют определен­ ное преимущество. Дело в том, что на зимнее время на станках, как правило, устанавливают железные печки для членов бригады. Так как одна сторона бака одновременно является стороной печки (см. рис. 60), то для подогрева воды не тре­ буется никаких дополнительных затрат. Такая установка по­ зволяет получить воду из снега или льда, что имеет большое практическое значение для тех участков рудника, куда доставка воды затруднена.

В установках группового обслуживания воду также можно подогревать печками, встроенными 'в бак (этот способ приме­ няется на ряде карьеров, но при порционном подливе воды в скважину). Все же этими установками удобнее всего пользо­ ваться в летнее время.

126

При беспрерывном подливе воды создаются благоприятные условия для применения понизителей твердости. Согласно ис­ следованиям П. А. Ребиндера, Л. А. Шрейнера и К. Ф. Жигач, понизители твердости, добавленные к промывочной воде в ко­ личестве от 0,01 до 1,0%, могут повысить скорость бурения

Рис. 59. Установка группового обслуживания при беспрерывном подливе воды:

I — бак для воды емкостью 3 м3- 2 — вентиль 2"; 3 — труба 2"; 4 — трой­ ник; 5 — шланги 1"; 6 — вентиль 1,5"; 7 — скважины; 8 — станки, 9 —шпаль­ ная клетка; 10—подставки

в очень крепких породах на 20—30% и сократить расход инстру­ мента до 36%, так как они размягчают разрушаемую породу в зоне предразрушения [35].

Внедрение беспрерывного подлива воды в скважину в тече­ ние операции долбления, кроме непосредственного увеличения скорости бурения, дает еще два преимущества: во-первых, этот способ означает механизацию подачи воды, что существенно об­ легчает работу помощника машиниста станка. Наблюдения по­ казали, что подноска воды занимает у него около 70% рабочего времени. Во-вторых, бесперерывный подлив воды в скважину поможет организовать автоматическую выдачу шлама из сква­ жины, а это позволит вести бурение без разделения на опера­ ции долбления и желонирования. В результате расход времени на чистку скважины сократится от 30% на -мягких породах до 15% на крепких; соответственно повысится производительность ударно-канатных станков.

127

Один из вариантов такого способа очистки скважин от шлама был предложен в 1949 г. канд. техн, наук Н..Е. Рахваловым и проверен на Джезказганском руднике [55]. Автоматическая очистка скважины от шлама осуществлялась буровым инстру-

Рпс. 60. Установка индивидуального обслуживания при

7 — печка

ментом, который представлял собой стандартный снаряд с внут­ ренним центральным каналом. В штанге диаметром 128мм был просверлен канал диаметром 28 мм, в теле долота заготовлено гнездо для.стального клапана и сделан внутренний канал. 'Буре-

128