
- •Лекция 2 способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин
- •1. Механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок
- •1) При вращательном бурении порода разрушается под действием осевой нагрузки и вращающего момента, передаваемого бурильной машиной нородоразрушающему инструменту в виде резцов или шарошечных долот.
- •2. Немеханических способов бурения
Лекция 2 способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин
1. Механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок
2. Немеханических способов бурения
1. Механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок
Основной способ проведения горноразведочных выработок – буровзрывной. Взрывчатые вещества при этом размещают в специально пробуренных шпурах и реже – в скважинах. Нередко шпуры и скважины при проведении выработок используют и для других целей, например для размещения в них элементов горной крепи, установки контрольно-измерительных приборов, при прокладке энергокоммуникаций, вентиляционных трубопроводов и т. д.
Шпур – это цилиндрическая полость в горной породе, имеющая диаметр до 75 мм и глубину до 5 м. Если один или оба размера полости превышают указанные для шпура, то такую полость называют скважиной. Естественно, граница между двумя этими понятиями в определенной мере условна. Дно шпура называют забоем, а место выхода на поверхность породы – устьем.
Бурение шпуров при проведении выработок по крепким породам – одна из самых трудоемких операций, на которую приходится 25–40% общих трудовых затрат и до 60% стоимости проходческих работ.
Как технологический процесс бурение шпуров представляет собой соединенные в неразрывное целое последовательное разрушение породы на забое шпура и удаление из него продуктов разрушения.
Все способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин делят на механические и немеханические. Соответственно различают механические и немеханические способы бурения. Последние промышленного использования не получили.
На практике применяют следующие механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок: 1) вращательный, 2) ударно-поворотный, 3) ударно-вращательный, 4) вращательно-ударкый и 5) шарошечный.
1) При вращательном бурении порода разрушается под действием осевой нагрузки и вращающего момента, передаваемого бурильной машиной нородоразрушающему инструменту в виде резцов или шарошечных долот.
При использовании резцов осевая нагрузка должна превышать сопротивление породы внедрению режущих лезвий, а вращающий момент – сопротивление сколу (сдвигу) участков породы, прилегающих к передним режущим граням резца. В результате непрерывного вращения под действием момента Мвр и поступательного перемещения под действием осевой нагрузки, или усилия подачи, Рос все точки породоразрушающего инструмента в пространстве движутся по винтовой траектории.
При
вращательном бурении порода разрушается
в одном из трех режимов:
1)
усталостном,
2)
поверхностном и
3)
объемном.
Режим разрушения зависит от соотношения
между величиной осевой нагрузки
и
прочностью породы на вдавливание.
Условия разрушения для всех трех режимов
могут быть записаны следующим образом:
I.
‑усталостное;
II.
‑
поверхностное
III.
‑
объемное,
где
–предел
прочности породы на вдавливание;
–
площадь контакта инструмента с породой;
–
коэффициент пропорциональности.
Наиболее
целесообразно вращательное бурение
вести в режиме объемного разрушения.
Для этого необходимо, чтобы удельное
осевое усилие ()
было больше предела прочности на
вдавливание. На практике, когда осевая
нагрузка у конкретной бурильной машины
– величина ограниченная, объемное
разрушение вследствие износа
породоразрушающего инструмента и
увеличения торцевой площади контакта
его с породой может переходить в
поверхностное истирание, которое, не
говоря уже об усталостном режиме, не
эффективно. Таким образом, чем выше
прочность породы, тем большим должно
быть и осевое усилие. Это предопределяет
очень жесткие требования к прочности
породоразрушающего инструмента.
На
рис. 2.1 приведена принципиальная схема
взаимодействия лезвия резца с породой
при вращательном бурении. Внедрению
резца в породу будет препятствовать
сопротивление породы – силы
и
соответственно на задней и передней
гранях резца. Кроме того, на этих же
гранях будут возникать силы трения
и
.
Проектируя
систему сил на горизонтальную и
вертикальную оси, можно получить решение,
связывающее осевое усилие
и глубину внедрения
:
(2.1)
где
–
длина лезвия;
–
угол заточки резца;
– угол трения породы по материалу резца
(
=15-27°).
Выражение (2.1) позволяет при известном значении осевого усилия рассчитать величину углубления лезвия за один оборот инструмента и, следовательно, механическую скорость бурения:
(2.2)
где
–
число резцов;
–
частота вращения породоразрушающего
инструмента, c-I.
Область
рационального применения вращательного
способа бурения – малоабразивные породы
с коэффициентом крепости
.
В более крепких породах даже армированный
твердым сплавом породоразрушающий
инструмент довольно быстро изнашивается.
К достоинствам вращательного способа бурения относятся непрерывность процесса разрушения породы и возможность обеспечения высокой производительности; невысокие удельные энергозатраты; низкая степень запыленности рабочей зоны; отсутствие опасной вибрации бурильной машины в процессе работы. Недостаток способа – ограниченная по крепости пород область применения.
2) При ударно-поворотном бурении инструмент клиновидной или иной формы внедряется в породу на забое шпура под действием значительной по величине, но кратковременной динамической нагрузки, направленной по оси инструмента. Осевое усилие обеспечивает в момент удара только контакт инструмента с породой, поэтому оно невелико. После каждого удара вследствие упругости инструмента и породы, а также незначительного осевого усилия инструмент отскакивает от забоя и специальным механизмом бурильной машины поворачивается на некоторый угол, обычно не превышающий 10–20°. Тем самым обеспечивается обработка забоя по всей площади. Образующуюся породную мелочь удаляют из шпура водой или сжатым воздухом.
Динамический процесс внедрения инструмента в породу можно представить следующим образом. На начальной стадии внедрения инструмента под лезвием 1 (рис. 2.2) формируется зона 2, в объеме которой порода находится в тонкоизмельченном состоянии. За пределами этой зоны образуется зона трещиноватости, в которой криволинейными трещинами порода разбита на неправильной формы отдельности 3. У свободной поверхности зона трещиноватости проявляется в форме скола отдельных элементов. Толщина зоны трещинообразования и размеры зоны скола определяются свойствами породы, энергией удара, скоростью приложения нагрузки, размерами и формой породоразрушающего инструмента.
При разрушении каждого следующего слоя породы используют эффект частичной разгрузки, т. е. ослабления породы в процессе разрушения предыдущего слоя.
Приближенно скорость бурения (м/с) при ударно-поворотном способе можно рассчитать по формуле
(2.3)
где
– энергия единичного удара, Дж;
–
частота ударов, с-1;
– угол заострения лезвия коронки, град.;
–
диаметр коронки, м;
– предел прочности породы на сжатие,
Па;
–
коэффициент трения стали о породу
(
=0,3–0,5).
3) При ударно-вращательном бурении, как и при ударно-поворотном, породоразрушающий инструмент углубляется в породу только под динамическим воздействием, т. е. в момент удара. Вращение же бурового инструмента осуществляется непрерывно от самостоятельного, работающего независимо от ударного механизма, двигателя. При этом инструмент и после удара по нему остается прижатым к забою статическим усилием, составляющим 0,5–1,0 кН на 1 см длины лезвия инструмента.
Ударно-вращательное
бурение, как и ударно-поворотное,
применяют в породах с коэффициентом
крепости
.
4)
Вращательно-ударное
бурение отличается от ударно-вращательного
тем, что буровой инструмент внедряется
в породу не только в момент удара, но и
в промежутках между ударами под действием
значительного статического осевого
усилия, достигающего 1,5–2,0 кН на 1 см
длины лезвия бурового инструмента. Этот
способ бурения применяют в породах с
.
В более крепких породах осевой нагрузки,
создаваемой вращательно-ударными
машинами, недостаточно для статического
внедрения инструмента в породу и
использования эффекта резания, поэтому
процесс разрушения переходит в режим
ударно-вращательного.
С целью уменьшения абразивного износа инструмента осевую нагрузку в этом случае необходимо уменьшить до значений, соответствующих осевой нагрузке ударно-вращательных машин.
5)
При шарошечном бурении порода
разрушается вследствие перемещения по
забою шарошек – тел в виде конуса,
цилиндра, сферы, диска, оснащенных
зубьями или штырями. При чистом (без
скольжения) качении шарошек порода
разрушается, как при ударном бурении,
правда, с весьма существенным увеличением
роли статической осевой нагрузки. Все
осевое усилие
передается
на породу соседними зубцами (рис. 2.3) и
частично корпусом шарошки через продукты
разрушения. По мере перехода зубца или
штыря в вертикальное положение на него
будет действовать возрастающая сила,
а воздействие на соседние зубцы будет
соответственно уменьшаться, и они
прекратят разрушать породу. При бурении
шарошечными долотами со скольжением
шарошек порода разрушается, как и при
вращательно-ударном бурении.
Средняя
толщина разрушаемого слоя
и скорость шарошечного бурения зависят
от многих факторов, в том числе предела
прочности породы на сжатие, модуля
упругости породы, величины осевого
усилия, конструктивных параметров
инструмента и частоты его вращения.