1.2. Режимные параметры и их влияние на процесс разрушения горных пород при бурении погружными пневмоударниками
Режим ударно-вращательного бурения определяется давлением сжатого воздуха, осевым усилием, частотой вращения инструмента (рис. 1.4).
Рис. 1.4 Изменение скорости бурения в зависимости от осевого усилия, давления сжатого воздуха и частоты вращения инструмента при ударно-вращательном бурении
Давление сжатого воздуха оказывает особенно большое влияние на скорость бурения. С увеличением давления сжатого воздуха с 0,5 до 1,0 МПа скорость бурения увеличивается в два раза.
С увеличением осевого усилия на долото улучшаются условия передачи энергии и эффективность разрушения породы. Большие осевые давления в то же время приводят к увеличению абразивного износа лезвий. Кроме того, с увеличением осевого усилия возрастают силы трения долота с цилиндром пневмоударника. Поэтому изменение скорости бурения с увеличением осевого усилия для погружных пневмоударников со шпоночным соединением долота имеет максимум при значении Ро=0,45-0,5 кН.
3. Рациональные режимы бурения станками с погружным пневмоударнииами
С возрастанием крепости пород оптимальное осевое усилие, обеспечивающее наибольшую скорость бурения, увеличивается. Рекомендуется с увеличением коэффициента крепости пород с 4 до 16 увеличивать осевое усилие с 1,0 до 4,0 кН.
С повышением крепости пород давление воздуха также рекомендуется увеличивать с 0,4 до 0,7 МПа.
Рациональная частота вращения в зависимости от крепости пород меняется в широких пределах: от 20 об/мин для весьма крепких пород до 120 об/мин для слабых пород (рис. 1.5).
Рис. 1.5 Изменение рациональных режимных параметров бурения с увеличением крепости пород
Скорость бурения вращательно-ударными машинами в породах с f=9-11 в несколько раз выше, чем скорость бурения перфораторами. Благодаря этому на обуривание забоя требуется в 2—3 раза меньше времени.
При повышении крепости и абразивности пород скорость вращательно-ударного бурения быстро падает и в породах с f=12-14 и более она становится меньше, чем при бурении перфораторами.
1.4. Механизм разрушения породы при вращательно-ударном бурении
Машины вращательно-ударного бурения наиболее эффективны в породах с коэффициентом крепости f=5-14. Это объясняется повышенным эффектом разрушения в результате значительных по величине осевого усилия и крутящего момента во время резания породы.
При вращательно-ударном бурении в зависимости от осевого усилия различают три режима разрушения.
а) При осевых усилиях — до 1 кН в породах средней крепости и до 2,5 кН в крепких породах процесс разрушения близок к ударному. При вращении коронки лезвия выходят из углублений, образовавшихся при ударе по наклонной плоскости, разрушая резанием некоторый объем породы.
б) В диапазоне осевых усилий от 1 до 7,5 кН в породах средней крепости и от 2,5 до 12,5 кН — в крепких породах бурение выполняется во вращательно-ударном режиме. Коронка, внедрившись в породу вследствие удара, при вращении срезает определенный объем породы. При этом увеличение осевого усилия способствует росту толщины срезаемой стружки,
в) При осевом усилии свыше 12,5 кН коронка в достаточной степени внедряется в породу под действием статического осевого усилия и значение удара на внедрение лезвий в породу уменьшается. Вследствие этого удельные затраты энергии на разрушение значительно возрастают и бурение с энергетической точки зрения становится невыгодным. Вращательно-ударное бурение широко применяется при подземной разработке. Буровые машины для вращательно-ударного бурения состоят из вращателя, ударного и подающего механизмов. Буровые машины устанавливают на буровых каретках.
Контрольные вопросы
1. Перечислите оборудование и средства ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения.
2. Опишите механизм разрушения породы на забое скважины.
3. Перечислите основные факторы, влияющие на показатели бурения.
4. Назовите область применения вращательно-ударного способа бурения.
Работа № 2
Механизм и основные закономерности разрушения породы при вращательном бурении
Цель работы: Изучение механизма и закономерностей разрушения породы при вращательном способе бурения.
2.1 Вращательное бурение шпуров и скважин
Вращательное бурение шпуров диаметром до 50 мм и глубиной до 5 м производится в породах ниже средней крепости с f<6 по шкале профессора М.М. Протодьяконова ручными и колонковыми сверлами.
Машины вращательного бурения в мягких породах показывают большую производительность, чем машины ударного действия, создают значительно меньший шум, меньше пылят. По роду потребляемой энергии их делят на пневматические, электрические и гидравлические, а по мощности и способу установки - на ручные и колонковые.
Ручные сверла предназначены для бурения шпуров диаметром до 50 мм и глубиной до 4 м в мягких породах с f <2 при осевом усилии до 30 кг и имеют мощность двигателя от 1,0 до 1,4 кВт. Имеются ручные сверла с принудительной подачей, развивающие осевое усилие на забой до 3,0 кН, что позволяет бурить более крепкие породы f до 4. Работу этими сверлами производят с руки или с легкой распорной колонки.
Колонковые сверла крепятся на колонках, манипуляторах или буровых каретках, имеют массу 100-120 кг, работают с двигателем мощностью от 2,5 до 5 кВт, применяются при бурении шпуров диаметром до 40 мм, глубиной до 5 м в породах с коэффициентом крепости до 6-7.
Станки вращательного бурения СБР-125, СБР-160 применяются для бурения пород с f<6.
Буровой инструмент для вращательного бурения состоит из набора штанг и резцов. Штанга представляет собой трубу с приваренной к ней спиралью из полосовой стали, армированной по наружной кромке наплавкой твердого сплава. Для разрушения пород наибольшее распространение получили резцы с закругленными лезвиями, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава. Новочеркасским, Кузбасским, Иркутским политехническими институтами разработаны долота со съемными резцами. Эти резцы обеспечивают по породам с f = 4-6 увеличение скорости бурения скважины в 2 раза.
Рис.2.1 Зависимость скорости бурения и удельного износа инструмента от крепости пород |
С увеличением коэффициента крепости пород скорость бурения снижается, а удельный износ инструмента растет (рис. 2.1).
Выбор рационального режима бурения производят с учетом типа применяемых резцов на основе проведения экспериментов с определением производительности станка и стоимости бурения.
Одним из важных недостатков шнекового бурения является значительная потеря глубины скважины (до 15%) из-за неполного удаления шнеками разрушенной породы. Предложена шнеко-пневматическая технология очистки забоя, при которой по трубам шнека в скважину подается сжатый воздух (в количестве 2-5 м3/мин), резко повышающий эффективность очистки забоя, снижающий крутящий момент на вращателе, что позволяет бурить скважины большей глубины.