книги из ГПНТБ / Ударно-канатное бурение И. П. Зорин, А. М. Стороженко. 1960- 12 Мб
.pdf§ 11. ПРИЧИНЫ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН И СПОСОБЫ
ИХ ИСПРАВЛЕНИЯ
Искривление скважин .происходит в основном из-за (появле ния зияющих и наклонных трещин (последние заполнены более крепкой породой) или трещин, разделяющих менее крепкие по роды от более крепких, а также из-за наличия пласта или жил более крепкой породы, идущих под углом к оси скважины и вы ходов валунов более крепкой породы в сечение скважины.
Бурение в этих случаях является особенно трудоемким и ма лопроизводительным и вести его нужно очень осторожно и вни мательно. Скважину следует бурить строго вертикально. При переходе из менее крепкой породы в более крепкую долото должно быть достаточно острым или заменено вновь заправлен ным. Желательно при бурении таких пород применять долота копытообразной формы, так как они обладают большой засекаю щей поверхностью.
Шлам следует держать густым, создавая наибольшее гид равлическое сопротивление буровому снаряду, чтобы уменьшить его вращение и предупредить отклонение от заданного направ
ления. Высота навески долота должна |
быть наибольшей (5— |
6 см) с тем, чтобы отработать выступающие участки породы и |
|
предотвратить скольжение лезвия по |
наклонной поверхности. |
При желонировании следует удалять только 2/3 шлама, чтобы уменьшить колебания бурового снаряда, а следовательно, и об рушение стенок скважины.
Нельзя оставлять незамеченными признаки, которые указы вают на начавшееся искривление. К ним относятся: скольжение лезвия долота по наклонной поверхности (вибрация верхней части бурового снаряда); раскачивание бурового снаряда в одну и ту же сторону; интенсивный износ одного из углов долота (определяется систематическим осмотром долота по окончании операции долбления); интенсивное вращение бурового снаряда или частые его «прихваты».
Очень важно своевременно ликвидировать замеченное искрив ление. В зависимости от того или иного признака принимают различные меры: 1) заменяют долото, если оно притупилось по углам; 2) искривленную часть скважины заполняют кусками более крепкой породы, и бурение производят сменыпим расходом воды до тех пор, пока не будет пройден искривленный участок (рис. 68,а) ; 3) на очень крепких породах заполняют искривлен ную часть скважины чугунным ломом (в этом случае бурение ведут очень осторожно, чтобы отлетевший кусок чугуна не закли нил бурового снаряда).
Меры борьбы с начавшимся искривлением скважины дают, как правило, удовлетворительные результаты в тех случаях, ■когда они приняты своевременно. Если же с ними опоздали или они оказались недостаточными и скважина получила значитель-
139
ное отклонение от вертикальной оси (4—5 см), искривление исправляют при помощи взрыва (рис. 68,6). Для этого сква жину тщательно очищают от шлама и поднимают буровой сна ряд па рабочую площадку. Взрывчатое вещество (от 200 до
800 |
г) плотно |
заворачивают в |
бумагу. |
В |
заряд ВВ |
помещают два |
капсюля- |
Рис. 68. Способы ликви дации искривления сква жины:
а — повторная проходка иск ривленного участка скважи ны, заполненного более твер дой породой; б—исправле ние искривленной части сква жины взрывом заряда ВВ
детонатора с отрезками огнепроводного, шнура. Вслед за этим с помощью про волоки или веревки заряд ВВ с подож женными концами огнепроводных шну ров опускают вниз и засыпают забой кой (2—3 ведра). После взрыва бурение продолжают с меньшим числом ударов и с небольшим расходом воды. Как только скйажина оказывается исправленной, расход воды и число ударов бурового снаряда принимают опять по норме.
Взрывание приходится иногда произ водить до двух-трех раз. Наблюдения показали, что на каждый метр пробу ренной скважины по трещиноватым квар цитам на руднике им. ОГПУ Бакальского рудоуправления производится дватри взрыва.
Большим недостатком описанного способа исправления ис кривленных скважин является значительное нарушение пород (особенно менее крепких) в районе забоя, происходящее в ре зультате взрыва. Это приводит и нарушению стенок скважин, увеличению объема бурения и снижению производительности.
§ 12. БУРЕНИЕ МЯГКИХ ВЯЗКИХ И МЯГКИХ РЫХЛЫХ ПОРОД
Бурение мягких вязких пород на Магнитогорском руднике производится методом «налипания». Сущность его заключается в том, что разрушенная порода не переводится во 'взвешенное состояние, а выдается из скважины налипшей на долото.
При ударах бурового снаряда о забой скважины порода как бы выдавливается из-под головки долота и налипает на его тело. Вначале порода размещается в шламовых каналах, а за тем — по всей поверхности долота, образуя сплошное глиняное кольцо высотой 0,9—1 м. Налипшую породу удаляют с долота специальной чищалкой, после чего цикл бурения повторяется.
Опытным путем установили следующие основные параметры рационального режима: высота падения бурового снаряда 0,95 м\ число ударов в минуту 53—54; высота навески долота — нуль; Расход воды на углубление скважины за операцию дол бления— 0,5—1,0 дм3 (удельный расход 0,085—0,100 дм3/дм3). При меньшем расходе воды порода плохо налипает на долото,
140
Таблица 28
Оптимальные параметры рационального режима ударно-канатного бурения
|
|
|
|
|
при обычном и специальных методах |
работы |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Породы |
|
|
|
|
|
|
|
|
мягкие |
средней |
трещиноватые |
крепкие |
очень |
мягкие |
мягкие |
|
|
Показатели |
|
невязкие |
крепости |
и разрушенные |
крепкие |
рыхлые |
вязкие |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Метод |
Метод |
|
|
|
|
|
|
|
Обычный метод |
|
|
.трамбо |
„налипа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*вании |
*ния |
Высота падения бурового снаряда, |
м |
0,78 |
0,92 |
0,92 |
1.10 |
1,10 |
0,78 |
0,78 |
|||
Число |
ударов |
в минуту ....................... |
|
58 |
53 |
53 |
48 |
48 |
58 |
58 |
|
Высота навески долота, см ... |
. |
0-0,5 |
1-3 |
1,5-2,5 |
4-6 |
5-7 |
0,0 |
0,1 |
|||
Расход воды, л!сек............................. |
|
0,45 |
0,15 |
0,11 |
0,025 |
0,012 |
0,001 |
0,008 |
|||
Удельный расход воды, дм3/дм3 . |
. |
2,0 |
1,7-1,5 |
1,25 |
1.0 |
0,75 |
0,15 |
0,20 |
|||
Плотность шлама, кг/л................... |
|
1,3-1,5 |
1.5-1,7 |
1.9-2,6 |
1,8-2,1 |
2,0-2,3 |
— |
— |
|||
Высота |
шламового столба, м . . |
. |
3,3 |
2,5 |
2,0-1,5 |
1,8-1,6 |
1,6-1,3 |
— |
— |
||
Продолжительность операции, мин.: |
3-4 |
6-9 |
12-25 |
15-25 |
24-45 |
|
0,5-1 |
||||
долбления . . ............................. |
|
|
|||||||||
|
|
|
ЧИСТКИ .............................................................. |
|
2-3 |
3-4 |
4-5 |
4-5 |
5-6 |
— |
1-2 |
Углубление за цикл бурения, л< . |
. |
1,2-1,0 |
0,9-0,7 |
0,65-0,50 |
0,6-0,5 |
0,4-0,3 |
— |
0,15 |
|||
Число циклов бурения за 8-часовую |
55-45 |
25-20 |
18-12 |
10-8 |
5-6 |
15 |
164 |
||||
смену |
.................................................... |
|
|
||||||||
Категория буримости пород по шка |
1—11 |
I1I-IV |
V-V1 |
VII—VIII |
VIII —IX |
— |
— |
||||
ле |
мжр..................................... |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент |
крепости пород |
по |
|
|
|
|
|
|
|
||
шкале |
проф. |
М. М. Протодьяко |
0,5-1 |
2-4 |
5-8 |
10-14 |
17-20 |
— |
— |
||
нова |
|
|
|
||||||||
......................................................... |
|
|
|
|
|||||||
апри большем отдельные ее куски склеиваются и перемещаются
внаправлении, обратном движению бурового снаряда. Воду под ливают периодически.
Операция долбления продолжается |
0,5—1 мин., скважины |
за это время углубляется на 0,1—0,15 |
м. Если длительность |
операции долбления несколько сократить, на долото будет на липать меньше породы и увеличится расход времени на вспомо гательные операции. При увеличении длительности операции долбления скорость бурения резко уменьшается, так как налип шая на долото порода оказывает большое сопротивление подъе му бурового снаряда. Время очистки, долота от породы состав ляет 1,5—2 мин.
Цикл бурения в общем продолжается 2—3 мин. Применение метода «налипания» позволило повысить смен
ную производительность станков при бурении вязких глин в 2,5—3 раза, а расход воды сократить в 10—15 раз.
Рыхлые породы характерны тем, что имеют значительное ко личество пор (до 30—40% ко всему объему), уменьшающих при уплотнении их объем (это свойство используется для увеличения производительности бурения). Рыхлые породы бурят методом «трамбования», при котором обходятся без подлива воды и об разования шлама. Продукты разрушения забоя в этом случае затрамбовываются и уплотняют стенки скважины.
«Трамбование» применяют при бурении растительного грун та, неплотных суглиников и насыпных грунтов (отвалов). Летом эти породы обычно разрабатывают без применения буровзрыв ных работ, но зимой, чтобы раздробить мерзлый слой, их обуривают. Необходимость бурения может быть вызвана еще и на личием в нижней части уступа более крепких пород.
При бурении способом «трамбования» опытные машинисты станков достигают скорости чистого бурения до 1 м в минуту и сменной производительности до 100 м и больше.
Пределы изменения оптимальных значений основных пара метров рационального режима бурения при обычном и специаль ном методах, в зависимости от крепости и характера пород, пока заны в табл. 28.
Глава IV
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СТАНКОВ УДАРНО-КАНАТНОГО БУРЕНИЯ
§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ
Производительность станка ударно-канатного бурения зави сит от скорости бурения в единицу времени и организации буро
вых работ. |
бурения определяется |
рядом |
факторов, основные |
Скорость |
|||
из которых |
можно выделить в две |
группы: |
технологическую и |
техническую.
Технологические факторы составляют режим бурения
иопределяются машинистом станка в зависимости от физикомеханических свойств буримых пород. К ним относятся: высота подъема бурового снаряда и частота его ударов, высота навески долота над забоем скважины, шламовый режим и расход воды при бурении, наивыгоднейшее сочетание длительности опера ции чистки и долбления. Все эти факторы рассмотрены в преды
дущей главе.
К техническим относятся факторы, определяемые кон струкцией станка: вес, высота подъема и частота ударов буро вого снаряда, диаметр и глубина скважин, форма головки доло та и угол приострения его лезвия.
Работа удара бурового снаряда
mV2 |
(if9 7 |
= 0,102GyS, |
кгм. |
|
—$—= 0.102G |
|
|||
При п ударах в минуту его работа за |
1 мин |
|||
Т' = Tn. = 0,102G/S«, |
кгм. |
(86) |
||
Объем породы, выбуриваемой за 1 мин.,
V'a = ^-L', см,*
143
где -D — диаметр скважины, |
см\ |
минуту чистого буре |
||
|
L' — подвигание забоя скважины в |
|||
|
ния, |
см. |
|
|
Значение |
а = — = 0,102-^^ |
|
||
|
|
0,13G/Sn |
||
|
|
у' |
nD2L' |
D2L' |
|
|
п |
|
|
при |
ударном |
бурении — величина более или менее постоянная |
||
для |
каждой породы. Ею выражена удельная работа бурения, |
|||
т. е. работа, затрачиваемая на выбуривание единицы объема скважины (кгм/см3).
Работа, затрачиваемая на бурение 1 пог. м скважины, опре
деляется по формуле |
|
а = 0,0013-^-, кгм, |
(88) |
где d — диаметр долота, см.
Формула (88) широко применяется на практике при норми ровании работы ударно-канатных станков.
По величине удельной работы бурения на 1 пог. м скважины
все породы подразделяются на |
10 категорий (см. |
табл. |
4). |
||||
Теоретическая скорость подвигания забоя скважин в мину |
|||||||
ту чистого бурения определяется по формуле |
|
|
|||||
т, |
= |
4T' |
4 • 0,102G/S/1 |
„...■.GjSn |
, |
,оп. |
|
L |
|
=----- 1----- -----= 0,13 |
—— , см |
мин, |
(89) |
||
|
|
|
~.d2a |
|
d2a |
|
|
Более точно |
(если учесть влияние коэффициента трения лез |
||||||
вия долота |
о породу; разрушающее |
сопротивление |
породы; |
||||
число лезвий долота; угол приострения и лобовое притупление их) скорость чистого бурения можно определить по формуле, выведенной В. В. Царицыным,
1,9л sinzl.ST |
2 |
. |
а |
\ |
, |
(qqу |
||||
|
|
2 |
(—------- 5,8С{ |
z ctg — I, см] иин, |
||||||
|
а |
\ |
' |
в |
|
|
|
' |
|
|
( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tg у + tg<p I |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где Т = 0,102GJS — работа |
одиночного удара, |
кгм-, |
|
|
||||||
tg ср |
— коэффициент трения лезвия долота о по |
|||||||||
Сг |
|
роду; |
|
|
|
|
|
|
см; |
|
— лобовое притупление лезвий, |
|
|||||||||
г —число лезвий. |
|
|
|
|
|
|
||||
Все величины, |
входящие в |
формулу, |
за |
исключением |
С {, в |
|||||
процессе бурения остаются более или менее неизменными; вели чина же лобового притупления лезвий является переменной и влияет на скорость бурения.
144
Максимальная скорость бурения достигается при Cz=0 и оп ределяется в этом случае по формуле
а |
а |
|
2,85nTsin— |
2,85nG/S sin— |
(91) |
Lo =----------------------- =------------------------ , CM!MUH. |
||
7)2 (Ig T + tg °8 |
7)2 (tg -2- + tg Cb |
|
Это и есть основная закономерность, которую можно сфор мулировать так: скорость ударно-канатного бурения прямо про порциональна произведению постоянного числового коэффициен та на вес бурового снаряда, высоту его подъема, частоту уда ров, ускорение падения и синус половины угла приострения лезвий долота и обратно пропорциональна произведению квад рата диаметра скважины на сопротивление породы раздавлива нию и сумму тангенсов половины угла приострения лезвий и ко эффициента трения их о буримую породу.
Скорость бурения, определяемая по формуле (89), получается несколько выше, чем по формуле (91). Теоретическая скорость бурения всегда несколько выше данных практики, поскольку при теоретическом расчете нельзя точно учесть влияния шлама, оказывающего существенное сопротивление падению бурового снаряда и снижающего его скорость падения и силу удара.
Рассмотрим влияние отдельных факторов на скорость бурения и на производительность станков ударно-канатного действия.
§ 2. ВЕС, ВЫСОТА ПАДЕНИЯ И ЧАСТОТА УДАРОВ
БУРОВОГО СНАРЯДА
Вес бурового снаряда'. Скорость бурения прямо пропорциональна весу бурового снаряда; следовательно, буре ние всегда лучше вести со снарядом, имеющим максимальный вес. Для этого увеличивают вес буровой штанги, доведя ее диа метр до оптимальных пределов. Последние обычно определяются отношением диаметра штанги к диаметру долота е = 0,6—0,8. Следует иметь в виду, что фактический диаметр скважины всегда больше диаметра долота, поэтому необходимо стремиться применять штанги с верхним пределом значения е.
Зависимость скорости бурения от веса бурового снаряда, ускорения его падения, а также частоты ударов и относительного диаметра штанги, найденная по формуле (89), представлена на графике (рис. 69). При расчетах приняли: длину бурового сна ряда 7 = 800 см, диаметр долота </=20 см, угол приострения лезвия долота а=115°, диаметр скважины Z)=22,5 см, ход сна ряда S = 100 см, объемный вес породы уп = 2,5 г)смг, удельный расход воды <7=1,25 дм?1дм\ углубление скважины за операцию долбления £д=80 см, удельную работу бурения а=14 k2m!cmz.
10 И. П. Зорин. А. М. Стороженко |
146 |
По данным графика, от того, как е становится равным 0,75, ускорение падения и частота ударов буровзрывного снаряда остаются .примерно постоянными и скорость бурения быстро воз растает. Затем ускорение и частота ударов быстро уменьшаются
(причем |
это уменьшение |
уже не |
может быть |
компенсировано |
за счет |
увеличения веса |
бурового |
снаряда), в |
результате чего |
скорость бурения резко снижается.
Относительный дцанетр е бурового снаряда
Рис. 69. Скорость бурения L' в зависимости от относительного диаметра е, веса G, числа уда ров п и минуту и ускорения падения / бурового снаряда
Па рис. 70 представлен график зависимости скорости бурения от веса бурового снаряда, полученный при бурении пород кре постью f=8.
Практика Асбестового, Саткинского, Магнезитового, Гороблагодатокого и других рудников показала, что увеличение веса снаряда за счет большего диаметра повышает скорость буре ния на 15—25%.
Высота падения снаряда и частота ударов оказывают большое влияние на производительность бурения, так как скорость чистого бурения пропорциональна произведе нию веса бурового снаряда на высоту его подъема и число уда
ров в единицу времени.
146
Рис. 70. Зависимость ско |
Рис. 71. Кривые пути оттяжного бло |
|
рости бурения от веса буро |
ка и бурового снаряда при различ |
|
вого снаряда при f=8 |
ном количестве шлама в скважине: |
|
|
/ — кривая оттяжного блока; |
2 — кривая |
|
бурового снаряда; а — при малом; в — при |
|
|
нормальном и с — при большом |
количестве |
шлама
Углубление скбажинь! Lg за опе рацию долбленияt см
Рис. 72. Зависимость суммарного вре мени Гс на чистое бурение и чистку
■скважины |
от углубления ЬЛ за опе |
||
1, 3, |
|
рацию долбления: |
|
5 — для станка с регулируемым |
чис- |
||
лом оборотов электродвигателя; 2, 4, |
6 — |
||
для |
станка |
с нерегулируемым числом |
обо |
ротов электродвигателя
После каждой операции чистки буровой снаряд падает с большим ускорением, но в конце своего падения притормажи вается более медленным движением оттяжного блока (рис. 71) и наносит удар по забою скважины только благодаря сжатию на мачте амортизатора, на что затрачивается большая часть его энергии. Ликвидировать такое положение можно путем увеличения на этот период числа оборотов электродвигателя станка.
По мере накопления шлама в скважине падение бурового снаряда становится синхронным (с качаниями оттяжного блока) и он наносит удары по забою скважины с полной силой. В даль нейшем, с увеличением густоты шлама, буровой снаряд начи нает падать с меньшим ускорением, синхронизм его падения вновь нарушается, вследствие чего необходимо либо уменьшить число оборотов электродвигателя, либо прекратить бурение и Очистить скважину.
Таким образом, для получения-рациональных значений высо
ты падения и частоты ударов бурового снаряда надо |
приме |
|
нить регулируемые двигатели. Это также позволит |
увели |
|
чить |
интервал бурения между чистками примерно |
в 1,5 |
раза |
(рис. 72). |
|
Суммарное время, расходуемое на чистое бурение и чистку скважины и приходящееся на 1 см ее глубины, при двигателе с регулируемым числом оборотов на 15—30% меньше, а произво дитель бурения на 20—25% выше, чем при двигателе, не допу скающем регулирования числа оборотов. Наиболее рациональ ными режимами бурения, по данным П. П. Назарова [28], можно считать следующие:
|
Породы |
Число ударов |
Углубление за одну |
|
в минуту |
операцию долбления, |
|
|
|
1( |
|
|
А. Станки с нерегулируемым двигателем |
||
Крепкие..................................................................... |
53 |
0,6—0,7 |
|
Средней |
крепости . .......................................... |
51 |
0,8—0,9 |
Мягкие......................................... |
-........................... |
48 |
1,0—1,3 |
|
Б. Станки с регулируемым двигателем |
||
Крепкие..................................................................... |
59—50 |
0,9 |
|
Средней |
крепости .............................................. |
59—46 |
1,2 |
Мягкие......................................................................... |
|
59 — 43 |
1,5 |
§ 3. ДИАМЕТР И ГЛУБИНА СКВАЖИНЫ
Скорость бурения, а следовательно, и производительность ударно-канатных станков обратно пропорциональны площади по перечного сечения скважины. Если увеличивать диаметр сква жины и оставлять без изменения вес бурового снаряда, то ско рость бурения будет уменьшаться; если же с увеличением