книги из ГПНТБ / Недин В.В. Буровзрывные работы учебное пособие для студентов горных вузов и факультетов

Ударным бурением называется такой способ бурения, при ко­

тором разрушение породы производится при помощи бура, по ко­ торому наносятся удары, или при помощи долота, падающего с буровым снарядом в скважину с некоторой высоты. Под действи­ ем силы удара лезвие головки бура или долота внедряется в по­

роду. После каждого удара бур поворачивается на некоторый угол.

Ударное бурение весьма широко применяется в современной горной промышленности. Вариант этого вида бурения — ударно­

поворотное бурение является пока почти единственным способом бурения шпуров в породах крепких и выше средней крепости.

Широко применяется он также для бурения скважин.

Основным преимуществом ударно-поворотного бурения явля­ ется удобство его применения, экономичность и относительно вы­ сокая производительность в крепких породах. Главный недоста­ ток—необходимость использования сжатого воздуха, что связа­ но с низким общим к. п. д. (не выше 15—17%).

Вращательным бурением называется такой способ бурения,

при котором разрушение породы происходит путем вращения бу­ рового наконечника при определенном давлении на забой шпура или скважины. При бурении скважины кольцевым забоем поро­ да бурится только по кольцу, а в центре остается нетрону­

тый столбик породы, называемый керном. При бурении сплошным

забоем порода бурится по всему сечению скважины. Такой способ широко распространен при бурении шпуров. Бурение коль­ цевым забоем называется колонковым бурением. Этот способ применяют почти исключительно для бурения скважин. При ко­ лонковом бурении керн периодически извлекают из скважин при помощи кернорвателя или путем заклинивания в колонковой трубе битым крепким камнем или стеклом.

жин вращательный способ широко используют в породах любой крепости, вплоть до весьма крепких (алмазное бурение).

Ударно-вращательный способ бурения является комбинацией

двух названных выше способов. При этом способе бурение про­ изводится с помощью ударного механизма при непрерывном вра­ щении бурового инструмента (удары наносятся по вращающему­ ся буру). Этот способ бурения, усиленно разрабатываемый в по­ следние годы, успешно применяют для проходки скважин в креп­ ких породах.

Описание различных способов бурения с механическим разру­ шением породы дается в последующих главах при рассмотрении соответствующих буровых машин.

Изыскание высокоэффективных способов разрушения горных пород, в частности при бурении шпуров и скважин, является од­

ной из наиболее важных проблем современной науки и практики горного дела. Внимание исследователей в области буровой тех­ ники в последнее время привлекают термический способ бурения, бурение с использованием разрушающего действия колебаний высокой частоты и электрогидравлический способ бурения.

Термический способ бурения. При этом способе поверхность

забоя скважины подвергается сильному нагреву специальными

реактивными горелками. В качестве горючего используется смесь керосина или этилового спирта с кислородом. Температура горя­ чих газов при выходе из сопла составляет около 2000°, а на по­ верхности породы 1000—1500°. Скорость истечения горячих газов

•из реактивной горелки сверхзвуковая — 1800—2000 м!сек. Поро­ да растрескивается, разрушается и выносится из скважины от­ работанными газами и паром, в который превращается вода, по­

даваемая для охлаждения горелки.

В США в течение ряда лет ведутся исследования и практиче­ ские работы в области прожигания скважин в крепких породах реактивными горелками, в результате чего созданы промыш­

ленные образцы оборудования для бурения со значительной ско­ ростью как вертикальных, так и наклонных скважин. На некото­ рых карьерах ведут только термическое бурение.

Начавшееся опытное бурение реактивными горелками в СССР

также показало большую скорость бурения в породах высокой крепости. Преимуществом термического способа является высо­ кая производительность, превышающая производительность всех

известных способов бурения весьма крепких пород. Существен­

ное преимущество термического способа — рост производитель­ ности с увеличением крепости пород.

Недостатки: возможность использования лишь для некоторых

пород, большие расходы кислорода и горючего, громоздкость установок и выделение большого количества газов и паров, в свя­ зи с чем возможности его применения в подземных условиях по­ ка крайне ограничены.

Бурение с разрушением породы при помощи высокочастотных колебаний. В последние годы за рубежом делаются попытки ис­ пользовать высокочастотные колебания, в частности ультразвук для разрушения горных пород. Разрушение вибрирующим с ультразвуковой частотой инструментом производится в воде в присутствии суспензии абразивного вещества. Опыты показали, что ультразвуковым методом можно бурить крепкие и весьма крепкие породы, но пока достигнута очень небольшая скорость бурения. По мнению некоторых зарубежных исследователей, для

бурения крепких пород перспективны не ультразвуковые, а инфра­ звуковые частоты, позволяющие развивать высокую энергию еди­ ничного удара при больших амплитудах.

К рассматриваемой группе буровых средств примыкают и в и-

основе. Однако единой общепризнанной теории ударного бурения до настоящего времени еще не выработано.

Рис. 1. Схема разрушения пород при ударном бурении

По данным советских исследователей И. А. Остроушко и др. механизм разрушения горных пород при ударном бурении шпуров представляется сле­ дующим образом.

При действии на породу внешней силы (цилиндрический пуансон) в по­ роде формируются объемы: aob—главный объем давления и пот.—объемы скалывания (рис. 1). При этом развиваются следующие деформации:

1) упругие деформации (формирование главного объема дав­ ления и сферических объемов, напряженных в различной степени);.

2) деформации разделения на части (отделение главного объема давления, отделение объема скалывания и образование трещин на по­ верхности первого сферического объема). Считается, что роль главных объе­ мов давления в разрушении твердых тел одинакова для различных материа­ лов (металлов, горных пород и т. д.) и не зависит от формы тел.

Формирование главного объема давления происходит при нарушении це­ лости тела сдвигами по образующим поверхностям главных объемов в усло­ виях всестороннего сжатия:

Ру sin я0 = a0F0 + Ру ccs а0/г;

1 В. К. Бучнев, Буровзрывные работы, Углетехиздат, 1955, стр. 78. Дальнейшее изложение теории ударного бурения дается по этой книге.

После отделения объема I скалывания инструмент погружается в мате­ риал (рис. 2, а). Вначале будет происходить уплотнение зажатого материала, а затем сформируется новый главный объем давления. Далее отделится ко­ нус обрушения, а затем будут выдавлены объемы II. Выдавливание будет

Рис. 2. Механизм разрушения породы:

а — при первом ударе бура; б — отделение объемов скалывания; в — процессы разрушения породы

сопровождаться смятием как самих объемов, так и некоторого количества породы за пределами внешних граней конуса обрушения. Наибольшее со­

противление, преодолеваемое инструментом при этих деформациях, очевидно, будет соответствовать моменту отделения конуса обрушения.

вторное дробление и преодоление сил трения.

Частным случаем разрушения раздавливанием является разрушение ост­ рым инструментом, рабочая кромка которого (лезвие) может рассматри­ ваться как площадка с закругленными краями. Под лезвием такого инстру­ мента будут формироваться главные объемы давления и происходить отделе­ ние объемов скалывания (рис. 2, б).

После отделения первого объема скалывания и погружения инструмента

произойдет отделение большого объема скалывания. Во время последней де­ формации нижняя часть инструмента, соприкасающаяся боковыми гранями с породой, будет выполнять роль главного объема давления.

Углы cto и фо не зависят от угла заточки инструмента и определяются

только свойствами породы. Угол' заточки инструмента, а следовательно, угол наклона граней инструмента «и могут оказывать значительное влияние на эффект разрушения.

При ап< а0 как после отделения первого, так и последующих объемов скалывания поверхность соприкосновения инструмента с породой будет не­ прерывно возрастать. Погружение будет сопровождаться повторным зажи­ мом разрушенной породы и ее дополнительным дроблением.

При 7и = «о острая часть инструмента в процессе отделения больших объемов скалывания выполняет роль главного объема давления. При даль­ нейшем увеличении угла наклона граней инструмента ( 7и > ио) глубина по­ гружения инструмента увеличивается с каждым циклом разрушения.

Наибольшее усилие в конце цикла погружения инструмента конусообраз­ ной формы при “и> cto составит

поверхности.

Для острого инструмента с длиной рабочей кромки (лезвия) b формула примет вид

--------- (cos q>0 — sin фоУ sin3 Фо

1 — «2

где n2 — постоянная Пуассона.

Объем отделенной породы в этом случае будет равен объему конуса с

диаметром основания d2 и высотой h и объему трехгранной призмы с осно­

Во втором случае объемная работа разрушения будет больше во столько раз, во сколько а0 больше ас , т. е.

г.омч-змьт. =ь05 = —+1

Процесс разрушения породы на забое шпура принимается таким же, как его трактовал проф. Н. С. Успенский (рис. 2, в).

Пренебрегая уменьшением расхода работы из-за перекрытия площадей в центре шпура при повторных ударах, можно считать, что общая площадь скалываемых сегментов с учетом боковых поверхностей будет равна

1 — п2

28 Горные породы и буровые работы

Ру

Сила Р" по величине равна -у. Тогда, произведя соответствующие пре-

2/i

где 7? — число лезвий в головке-бура.

При числе ударов в минуту п скорость бурения в 1 мин. будет

Площадь забоя шпура

гс Ь2

Объем породы, выбуриваемой в 1 мин.

^мин ~ S3l.

Работа одного удара при числе лезвий 7?

Практически расход работы будет больше, так как здесь не учтены вред­ ные сопротивления движению и повторное дробление породы, величина ко­ торого зависит от конструкции инструмента и степени его затупления.

Если принять, что степень затупления учитывается коэффициентом т]з, угол заточки и конструкция инструмента — коэффициентом т]4, а вредные со­ противления — коэффициентом т|В, то расход мощности составит

Работа разрушения, отнесенная к единице объема