- •Содержание
- •Работа № 1 Механизм и основные закономерности разрушения породы при ударно-вращательном и вращательно-ударном бурении
- •1.1 Разрушение горных пород при ударно-вращательном бурении
- •1.2. Режимные параметры и их влияние на процесс разрушения горных пород при бурении погружными пневмоударниками
- •3. Рациональные режимы бурения станками с погружным пневмоударнииами
- •1.4. Механизм разрушения породы при вращательно-ударном бурении
- •2.2 Механизм и основные закономерности разрушения породы при вращательном бурении
- •2.3 Режимные параметры и их влияние на процесс разрушения горных пород при вращательном бурении
- •3.2 Механизм разрушения породы в забое скважины при алмазном бурении
- •4.2 Механизм разрушения пород при шарошечном бурении
- •4.3 Режимные параметры и их влияние на процесс разрушения горных пород при шарошечном бурении
- •5.2 Ударно-канатное бурение скважин
- •5.3 Механизм и закономерности разрушения породы при ударном бурении
- •5.4 Режимные параметры и их влияние на процесс разрушения горных пород при ударном бурении
- •1) По положению:
- •2) По форме:
- •3) По конструкции:
- •4) По характеру действия:
- •6.2 Расчет зарядов выброса, рыхления и камуфлета
- •6.3 Расчет удлиненных зарядов камуфлета, дробления и выброса при одной и двух открытых поверхностях
- •6.4 Вторичное дробление негабаритных кусков накладными и шпуровыми зарядами
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 7 Электротермическое разрушение горных пород
- •7.1 Физические основы электротермического разрушения
- •7.2 Разрушение породы тепловым пробоем
- •7.3 Разрушение горных пород диэлектрическим нагревом
- •7.4 Разрушение горных пород на сверхвысоких частотах
- •7.4.1 Отбойка породы сверхвысокими частотами
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 8 Определение дробимости горных пород
- •Введение
- •1. Испытания с объемным разрушением образцов
- •2. Испытания без объемного разрушения образца
- •Эксперимент
- •Составление отчета по работе
- •Контрольные вопросы
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
|
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
|
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 Рос - осевое усилие, Н;
σв - 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
|
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 |