2.2 Механизм и основные закономерности разрушения породы при вращательном бурении

При вращательном бурении резец под действием осевого и окружного усилий движется по винтовой линии. За каждый оборот с забоя снимается слой породы некоторой толщины.

В породах мягких, пластичных разрушение имеет характер плавного срезания стружки при незначительных изменениях усилий на резце.

Разрушение хрупких пород и углей сопровождается резкими колебаниями усилий вдавливания и скола на лезвиях инструмента. Это объясняется тем, что цикл разрушения состоит из двух периодов: периода формирования перед режущей гранью главного объема давления и периода скола определенного объема породы (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Внедрение резца в породу и ее скол

Р езец в период формирования объема давления существенно не продвигается, а усилие на лезвии увеличивается до максимума. Скол происходит в результате усилия, передаваемого от главного объема давления (определенного объема породы, находящейся перед передней гранью лезвия резца). При сколе сопротивление породы и, следовательно, усилие на лезвии резца снижаются до минимума. Далее резец, пройдя определенный путь до встречи с ненарушенным массивом породы, наносит по породе удар. Сопротивление движению резца быстро возрастает, перед режущей гранью образуется главный объем давления, и цикл разрушения повторяется.

Подтверждением такой последовательности разрушения служит график потребляемой мощности N двигателем сверла с резкими колебаниями во времени t от минимума до максимума (рис. 2.3). В процессе образования объема давления перед передней гранью сопротивление движению лезвия и потребляемая мощность резко возрастают, а в момент скола породы потребляемая мощность снижается до минимальных величин.

Рис. 2.3 Изменение потребляемой мощности двигателем вращателя при бурении

Для осуществления такой схемы объемного разрушения необходимо, чтобы резец под действием осевого усилия вдавливался в породу на определенную глубину h, преодолевая сопротивление породы вдавливанию.

Если контактное давление на лезвии резца недостаточно, то разрушение породы будет иметь характер поверхностного абразивного износа с весьма малой эффективностью разрушения.

В области объемного разрушения (давление под лезвием превосходит контактную прочность породы) скорость бурения можно определить по формуле

где h - глубина внедрения резца, м; n - частота вращения, об/мин; m - число лезвий на резце.

В свою очередь

где Р_ос - осевое усилие, Н;

σ_в - предел прочности породы на вдавливание, Н/м ;

l - длина лезвий резца, м;

α - угол заточки инструмента, градус;

φ - угол трения, градус.

2.3 Режимные параметры и их влияние на процесс разрушения горных пород при вращательном бурении

С увеличением осевого усилия на инструмент для определенной породы скорость бурения увеличивается до некоторого предела, при котором ее дальнейший рост замедляется из-за недостаточного удаления продуктов разрушения с забоя (рис. 2.4).

Рис.2.4 Зависимость скорости бурения от осевого усилия

Наилучшие условия для бурения имеют место на участке II, где скорость увеличивается пропорционально осевому усилию Р_ос - при малых значениях Р_ос (участок I) разрушение носит характер истирания и неэффективно для бурения. При чрезмерно больших Р_ос (участок III) абразивный износ и число поломок лезвий резко возрастают.

С увеличением частоты вращения скорость бурения сначала пропорционально увеличивается, а затем темп роста снижается (рис. 2.5) и возникают сильные вибрации инструмента.

Рис. 2.5 Зависимость скорости бурения от частоты вращения. Р3>Р2>Р1 - соотношение осевых усилий

Рис. 2.6. Рациональные режимные параметры: 1 - осевое усилие; 2 - частота вращения

С увеличением коэффициента крепости породы рациональные значения осевых усилий возрастают, а частоты вращения уменьшаются (рис. 2.6).

Во всех случаях целесообразно применять максимально возможные по техническим характеристикам осевые усилия, а частоты вращения выбирать из допустимого уровня вибраций при бурении.

Контрольные вопросы

1. Перечислите оборудование и средства вращательного способа бурения.

2. Опишите механизм разрушения породы на забое шпура.

3. Перечислите основные факторы, влияющие на показатели бурения.

4. Назовите область применения вращательно способа бурения.

Работа № 3

Алмазное бурение скважин

Цель работы: Изучение механизма и закономерностей разрушения породы при алмазном способе бурения и его отличительных особенностей.

3.1 Общие сведения

В условиях крепких и весьма крепких пород алмазное бурение по сравнению с другими способами обеспечивает более высокую производительность труда и меньшую стоимость буровых работ, создает лучшие условия работы (меньшие шум и пылеобразование, отсутствие сильной вибрации).

Важной особенностью алмазного бурения являются небольшие искривления и потери диаметра скважин, что позволяет строго выдержать их расчетные направления, более равномерно распределить ВВ в массиве и получить хорошее дробление. Алмазное бурение взрывных скважин осуществляется кольцевым и сплошным забоем.

Отсутствие керна при бурении сплошным забоем позволяет применять высокие числа оборотов, (до 3500 в минуту) и повышает производительность бурения, снижает объемную работу разрушения, так как порода находится в менее сжатом состоянии, чем при бурении кольцевым забоем.

Керновые коронки применяют в основном для бурения пород различной крепости и нетрещиноватых, бескерновые - для бурения весьма абразивных и трещиноватых пород. Широкое распространение в зарубежной практике находят импрегнированныe коронки и коронки с ориентированной вставкой алмазов. Последние по сравнению с обычными обеспечивают повышение производительности бурения в 1,5 раза, стойкости коронки в 2 раза, снижение расходов алмазов в 2 раза. Зарубежные алмазные коронки изготавливаются фирмами "Williams", «Truco», «Drilling and Service» (США), «Christensen» (США и Франция). «J К. Smit and Sons» (Канада, Англия), «Craelius» (Швеция), «Diamond tool research Co» и другим для определенных условий и согласуются со стандартами, принятыми в США, Канаде и в Швеции.

За рубежом с 1952 г. применяется ориентированная вставка алмазов по вектору наибольшей твердости, что обеспечивает увеличение скорости бурения и снижение расхода алмазов в два-три раза. Расход алмазов на изготовление коронки зависит от ее диаметра и конструкции и со­ставляет для зарубежных керновых коронок диаметром 47 мм 12—16 карат. Содержание алмазов в отечественных коронках такого же диаметра ниже и составляет 6—8 карат.

Зарубежные фирмы выпускают большое число различных коронок, расширителей и буровых станков. Характерной особенностью зарубежных станков является применение повышенных скоростей вращения 700—3000 об/мин с плавно регулируемым пневматическим приводом, обеспечивающим получение мягких моментных характеристик на вращателе.

Станки для бурения скважин глубиной до 100 м (рис. 3) компактны и имеют относительно небольшой вес — от 30 до 130 кг. Более мощные станки имеют вес до 300 кг. Сменная производительность станков колеблется в следующих пределах:

Породы Объемная скорость, Средняя производительность, м

дм³/смену

f=10+12 38,5 33,5

f=14+16 23,1 20,5

f=18+20 17,5 15,3

Алмазные коронки, выпускаемые фирмами «Truco», «Diamond tool research Co» (США) и «J. К. Smit and Sons» (Англия), приведены в табл. 3.1.

Отечественная промышленность серийно выпускает пока только керновые алмазные коронки наружным диаметром 36; 46; 59 и 76 мм.

Отличительная особенность алмазно-буровых станков, изготовленных за рубежом,- их компактность, небольшой вес (до 250 кг) высокие числа оборотов и возможность бурения скважин любого направления. Наибольшее распространение получили станки с лопастными или поршневыми пневмодвигателями.

Станки с лопастным двигателем весят 70-150 кг, работают при давлении 5-6 атм и применяются в основном для бурения скважин диаметром 38 мм. Такие станки обеспечивают числа оборотов до 3500 в минуту.

Для бурения скважин большого диаметра обычно применяю станки с пневматическими двигателями поршневого типа. Такие станки весят 120-260 кг и работают при 1000-2500 об/мин.

Таблица 3.1

Алмазные коронки, выпускаемые некоторыми зарубежными фирмами

Обозначение размера	Диаметр коронки, мм	Содержание алмазов в коронке, карат
		керновые		Керновая импрегнированная		Бескерновая вогнутая		Бескерновая ступенчатая
Фирма «Truco» (США)
ЕХ	37,3		6,0	-	7,5		8,5
АХ	47,6		9,0	-	12,0		14,0
ВХ	58,8		14,0	-	18,0		21,0
NX	74,8		20.0	-	30,0		34,0
Фирма «Diamond tool research Со» (США)
ЕХ	37,3	8,0		20,0		10,0		10,5
АХ	47,6	11,5		29,0		12,0		15,5
NX	74,8	20,5		48,0		26,0		30,0
Фирма «J. К. Smit and Sons» (Англия)
LM	-	7,0-10.0		-		7,0-8,0		10,0-11,0
EX	37,3	9,0-11,0		-		9,0-11,0		12,0-13,0
АХ	47,6	12,5-16.0		-		13,0-16,0		17,0-19,0
ВХ	58,8	16,0-20,0		-		18,0-22,0		-
NX	74,8	21,0-30,0		-		40,0-45,0		-

Рис.3.1 Алмазы для бурения горных пород

Алмазно-буровые станки в забое обычно монтируются на одной; или двух распорных колонках. Для уменьшения непроизводительных затрат времени на и установку канадская фирма «Лонгер» выпускает станок, установленный на пневмоподдерживающей колонке. Вес станка 37 кг. Предназначен для бурения скважин диаметром 38 мм и .глубигой до 18 м. Мощность пневмодвигателя-10-12 л. с.

Рис. 3.2 Конструкции мелкоалмазных буровых коронок

Для значительного снижения вибраций при бурении, повышения прочности, жесткости и упругости буровой колонки за рубежом широко применяют буровые штанги из легированной стали диаметром на 2-6 мм меньше диаметра коронки.

Рис. 3.3 Легкий станок для алмазного бурения скважин.

Таблица 3.2

Признак классификации	Тип коронки	Алмазное сырье	Тип матрицы и твердость по НRС	Область применения
1. Способ изготовления	Ручной закалки	Карбонаты	Весьма твердая, 45-60	Весьма крепкие породы, специальные скважины
	Изготовленные механическим способом (мелкоалмазные коронки):
	способом литья	Дробленые борты	Обычная, 25-30	Неабразивные породы средней крепости
	способом спекания:
	коронки с поверхностной вставкой алмазов	То же	То же	Неабразивные породы средней крепости и крепкие
	коронки с пропитанной алмазами матрицей (импрегнированные)	Низкосортные мелкие борты	Тверд дя. 35-45	Крепкие породы зернистой структуры и окремненные
			Весьма тверда 45-60	Сильноабразивные породы, весьма крепкие, трещиноватые
2. Конструкция коронок	Керновые:
	со сплошным режущий кольцом:
	с плоским (прямым) торцом	Дробленые борты	Любая	Различные породы
	с овальным торцом	То же	То же	То же
	секторные	Борты	Обычная. 25-30	Крепкие и весьма крепкие породы
			Весьма твердая, 45-60	То же
	Circle Set	Борты	Любая	Различные породы
	Бескерновые:
	Сплошные:
	с вогнутым торцом	Дробленые борты	Обычная. 25-30	Не выше средней крепости и трещиноватые породы
	с выпуклым юрпом	То же	-	Применяются редко
	Ступенчатые	»	Обычная. 25-30 Твердая. 35-45	Породы выше средней крепости и крепкие
	Конусные	»	Твердая. 35-45 Весьма твердая 45-60	Весьма крепкие абразивные породы
3. Способ распределения алмазов на рабочей поверх вести коронки	Однослойные	»	Обычная. 25-30 Твердая. 35-45	Породы с незначительным содержанием кварца
	Многослойные	»	Весьма твердая, 45-60	Весьма крепкие окварцованные породы
	Импрегнированные	Низкосортные мелкие бопты	Любая	Различные породы