Технологические основы буровых работ на карьерах

#
Цель бурения—создание в породном массиве скважин и шпуров. Бурение скважин — трудоемкий и дорогостоящий процесс, особенно в скальных весьма трудно- и породах.

Эффективность бурения взрывных скважин определяется скоростью бурения.

Бурение скважин и шнуров на карьерах производится спе­циальными породоразрушающими (буровыми) машинами, раз­деляемыми на две группы: механического воздействия на забой скважины (ударное, вращательное н ударно-вращательное бурение); физических методов воздействия на забой скважины (терми­ческое, гидравлическое, взрывное бурение и др.).

Ударное бурение осуществляется станками ударно-канат­ного и шарошечного бурения. Станки ударно-канатного бурения широко применяли на карьерах для бурения взрывных скважин диаметром 200— 300 мм до начала 60-х годов. В настоящее время они полно­стью заменены более производительными станками шарошечного и пневмоударного бурения и применяются только для бурения водопонизительных и других технологических скважин диамет­ром 300—600 мм и глубиной 60м и более, а также для специ­ального бурения при добывании блоков камня.

Пневматические бурильные молотки (ручные и колонковые) применяются для бурения шпуров диаметром 32— 40 и 50—75 мм в скальных породах. Ручные иногда, а колон­ковые всегда используются в сочетании с пневмоподдержками, колонками, самоходными каретками. Станки шарошечного бурения в последние два­дцать лет получили наибольшее распространение при бурении скважин диаметром 160—320мм и глубиной до 35 м породах с коэффициентом крепости по Протодьяконову f = 8-14. Основные их достоинства—высокая производительность (20—150 м/смену) непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации; недостатки—большая масса станков и ма­лая стойкость долот в труднобуримых породах.

Вращательное бурение скважин осуществляется станками шнекового и алмазного бурения. Бурение шпуров, в основном в негабаритных кусках, мо­жет производиться электросверлами.

Станки шнекового бурения широко применяют для бурения вертикальных н на­клонных скважин диаметром 125—160 мм н глубиной до 25 м в породах сf = 4-6,главным образом на угольных разрезах (уголь, аргиллиты, мягкие известняки) и при разработке непрочных строительных пород (мергель, мягкий известняк и др.). Производительность их 15—120 м/смену. Станки характеризуются простотой эксплуатации, при их работе обеспечиваются благоприятные санитарные и экологические условия. Ударно-вращательное бурение станками с погружными пневмоударниками применяется для бурения скважин диаметром100—200 мм и глубиной до30 м при раз­работке строительных горных пород с f = 8-20 , в гидротехни­ческом строительстве, на рудных карьерах производственной мощностью до 4 млн. м³/год, а также при вспомогательных ра­ботах на крупных рудных карьерах (заоткостка бортов, вырав­нивание подошвы уступов и др.) Эти станки целесообразно применять и при бурении высокоабразивных весьма и исклю­чительно труднобуримых пород с f = 20. Производительность их составляет 10—35 м/смену. Затраты на обуривание 1 м³породы в 1,5—2,5 раза выше, чем при шарошечном буре­нии пород при f<14. Буровые станки конструктивно просты; возможно многошпиндельное бурение. Основные их недостатки; малая стойкость буровых коронок, низкая производительность и большое пылеобразование.

Термическое (огневое) бурение вследствие его избиратель­ности получило распространение при бурении скважин диамет­ром 250—360 мм и глубиной до 17—22 м главным образом в весьма и исключительно труднобуримых кварцсодержащих породах (f >10). Оно может успешно приме­няться в породах с f= 10-16. Хрупкое разрушение пород про­исходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления термических напряжении, превышающих предел прочности минерального образования.

Возможность термического расширения диаметра заряжае­мой части скважин (до 400—500 мм) позволяет сократить объем бурения в сильнотрещиноватых породах за счет увели­чения расстояния между скважинами. Производительность в хо­рошо термобуримых породах достигает 12—15м/ч. В трудно термобуримых породах этим способом эффективно расширение скважин, пробуренных шарошечными станками. Технология бурения обусловливает последовательность вы­полнения операций для образования скважин. При обуривании блока породного массива в общем случае выполняются следую­щие операции: установка станка на заданной отметке, непо­средственно бурение, наращивание бурового става по мере углубления скважины, разборка бурового става, замена изно­шенного инструмента, переезд станка к отметке следующей скважины. Бурение скважины является прерывным процессом и включает ряд повторяющихся операций.

Техническая скорость зависит от буримости горной породы, конструкции и типа бурового инструмента, нагрузки на буро­вой инструмент, частоты вращения его, способа и условий уда­ления буровой мелочи. Режим бурения характеризуется величиной развиваемых усилий, частотой ударов и вращения рабочего инструмента и удалением буровой мелочи. Каждый вид бурения характеризу­ется своими возможными параметрами режима бурения.

Технология ударно-канатного бурения скважин состоит в следующем. Буровой снаряд массой 0,8—3т периодически поднимается и почти свободно падает на забой скважины. После каждого удара снаряд (и лезвие долота) посредством канатного замка поворачивается на некоторый угол, что обес­печивает равномерное разрушение породы но всей площади за­боя скважины. Продукты разрушения смешиваются с водой, периодически или постоянно подливаемой в скважину, и обра­зуют буровой шлам. Последний периодически удаляется из скважины желонкой.

Скорость ударно-канатного бурения определяется прежде всего массой бурового снаряда, величина которой составляет2700—2900 кг. Очистка скважин от шлама производится через 0,6—1м бурения; при этом в весьма труднобуримых породах интервал минимален.

Ударное бурение шпуров в карьерах осуществляется руч­ными и колонковыми бурильными молотками, масса которых соответственно равна 10—30 и 40—70 кг, давление сжатого воздуха 0,5 МПа, диаметр шпура 36—46 и 46—75 мм, глубина бурения 3—4 и 8—15м.

Бурильные молотки снабжаются сжатым воздухом, как пра­вило, от передвижных компрессоров , максимальное давление сжатого воздуха составляет 0,6—0,7 МПа, масса 1—6т. Приводом компрессорных станций являются двигатели внутреннего сгорания или электродвига­тели. Технология шнекового бурения состоит в образовании взрыв­ных скважин коронками режущего типа (резцами) под воздей­ствием усилия подачи и вращения бурового става. Передача резцу крутящего момента и усилия подачи, а также удаление буровой мелочи из забоя обеспечиваются шнековыми штангами с ребордами винтовой формы.

Основными технологическими операциями шнекового буре­ния скважины являются: собственно бурение, наращивание и разборка бурового става, состоящего из отдельных штанг. Усилие подучи на резец и подача последнего на забой сква­жины осуществляются как под действием массы вращателя и бурового става (станок СБР-125), так и принудительно (СБР-160). Ход станка СБР-125—шагающий, а СБР-160 и СБР-200 — гусеничный.

Резцы имеют лезвия, армированные вставками твердого сплава . Форму режущих лезвий вы­бирают в зависимости от буримости пород и диаметра скважин. В плотных пластичных породах применяют резцы типа «рыбий хвост» (рис. а). При f=4 эффек­тивнее резцы со сменными зубьями (рис.б); режущие эле­менты легко заменяются, а стойкость резца достигает 1000 м и более. В породах с f=3-5 успешно применяют резцы с прерывистым лезвием в виде впаянных (рис.в) или сменных (рис. г) элементов твердого сплава. Для бурения хрупких и трещиноватых пород применяют резцы с криволи­нейными режущими лезвиями (рис.д) и иногда кольцевые резцы с двумя режущими элементами (рис.е). Использова­ние резцов торцового резания с передним отрицательным углом (рис.ж), требующих больших усилий и частоты вращения, позволяет расширить область шнекового бурения и применять его в породах сf до7.

Для лучшей очистки скважин от буровой мелочи рекоменду­ется к спиралям шнека по центральной трубе подавать сжатый воздух (шнеко-пневматическая очистка). Режим шнекового бурения характеризуется усилиями по­дачи, частотой вращения бурового инструмента и эффективно­стью удаления продуктов разрушения.

Шарошечное бурение осуществляется долотами, имеющими в качестве разрушающего органа конусообразные шарошки с фрезерованными зубьями (зубчатые долота) или штырями, армированными твердыми сплавами (штыревые до­лота). При вращении долота шарошки наносят зубьями (шты­рями) удары по забою скважины. Отколовшиеся частицы по­роды удаляются из забоя скважины сжатым воздухом или воз­душно-водяной смесью. По массе и развиваемому усилию подачи станки шарошеч­ного бурения подразделяются на легкие (масса до 40 т, усилие подачи до 200 кН, диаметр скважины150—220 мм, ра­циональная область применения—породы с f=6-10), сред­ние (масса до 65 т, усилие подачи до 350 кН, диаметр сква­жины 220—270 мм, f=10—14) и тяжелые (масса до 120 т усилие подачи до 700 кН, диаметр скважины 320—400мм, f>14). К станкам легкого типа относятся СБШ-160, к стан­кам среднего типа—2СБШ-200Н, ЗСБШ-200, СБШ-250МН; к станкам тяжелого типа — СБШ-320, СБШ-400. Станок СБШК-400 предназначен для бурения пород с f<10.

Последовательность и продолжительность операций буре­ния скважин зависят от кинематической схемы вращательно-подающего механизма бурового станка.

Зубчатые долота типа С, СТ и Т имеют фрезерованные зубья клиновидной формы с боковыми гранями, армирован­ные твердым сплавом. В диапазоне типов С—Т постепенно увеличиваются общее число и угол заострения зубьев (от 30— 35 до50—60°) с одновременным уменьшением их шага и вы­соты. Вооружение долот типов ТЗ, ТКЗ, К и ОК выполнено в виде запрессованных в тело шарошек твердосплавных зубьев (штырей) клиновидной формы (ТЗ), полусферической формы (К, ОК) или с чередованием на каждом венце штырей указан­ных форм (ТКЗ). У долот этой группы с переходом от типа ТЗ к типу ОК также увеличивается число штырей, а высота и шаг уменьшаются. Долота типа ТК имеют комбинированное вооружение — с чередованием фрезерованных и твердосплавных зубьев на каждом венце или по отдельным венцам. Стойкость долот ОК составляет 100—150 м в породах сf=14-16.

Доводить долото до полного затупления нецелесообразно, так как при этом средняя скорость бурения снижается на 7— 10 %. Рациональную стойкость долота можно определить по условию минимума затрат на бурение 1м скважины с учетом вспомогательных операций.

В настоящее время на карьерах для бурения скважин диа­метром от 105 до 160 мм применяют различные станки с погружными пневмоударниками (СБУ-125, СБУ-100Г, СБУ-100П, и др.). Рабочим органом станка является погружной пневмоударник. С помощью клапанного устройства сжатый воз­дух, поступающий по буровой штанге, приводит в поступа­тельно-возвратное движение ударник, наносящий удары по хвостовику буровой коронки. Частота ударов составляет 28—41в секунду. Одновременно вместе со штангой вращается пневмоударник; вращатель расположен вне скважины. Буровая ме­лочь удаляется из скважин воздушно-водяной смесью или сжатым воздухом.

Основным показателем работы пневмоударников является эффективная удельная энергия удара (на 1см диаметра до­лота) для достижения постоянной скорости бурения при раз­личном диаметре скважины.

При пневмоударном бурении доля затрат па буровой ин­струмент составляет 30—35%. Буровые коронки имеют диаметр85—105, 155—160 и 160—200 мм. По числу разру­шающих лезвий различают коронки однодолотчатые (зубиль­ного типа), трехперые, крестовые, Х-образные и штыревые, а по расположению лезвий—одно-, двухступенчатые (с опе­режающим лезвием) и многоступенчатые. Коронки армируются призматическими и цилиндрическими вставками твердого сплава и имеют центральную, боковую или периферийную про­дувку.

Наибольшее усилие подачи на породу обеспечивают одно­ступенчатые долотчатые коронки благодаря минимальной длине лезвия. Но эти коронки интенсивно изнашиваются по высоте и диаметру. При бурении малотрещиноватых пород применяют трехперые коронки (рис. а) диаметром 85—105 мм, а трещиноватых пород—крестовые коронки диамет­ром155мм (рис. б); эти коронки имеют опережающие лезвия.

Чтобы предотвратить заклинивание бурового става вслед­ствие обвалов стенок скважины или вывалов отдельных по­родных кусков, применяют конический разбурник с зубьями с наплавленным слоем релита толщиной 3—4мм. Разбурник устанавливают между пневмоударником и штангой широким концом конуса вниз, разбуривание можно вести во время подъема става.

Термическое бурение скважин осуществляется самоходными огнеструйными буровыми станками, имеющими вращающийся термобур с горелкой; вращением термобура достигается пе­риодическое нагревание всей площади забоя скважины диаметром 220—250мм .

Основными технологическими операциями термического бу­рения являются: зажигание горелки; собственно бурение, за­ключающееся в подаче вращающегося термобура на забой; расширение при бурении нижней части скважины (при созда­нии котловой полости) или по всей длине заряжаемой ее ча­сти и очистка скважины.

В огнеструйной горелке смешиваются горючее и окисли­тель и образуются высокотемпературные газовые струи, кото­рые, проходя через сопловой аппарат со сверхзвуковой ско­ростью, направляются на забой скважины. Охлаждение го­релки и пылеподавление осуществляются водой и сжатым воздухом. При использовании в качестве окислителя сжатого воздуха рациональны односопловые горелки , позволяющие повысить концентрацию газового потока. Двух- и трехсопловые горелки применяют при окислителе—газообраз­ном кислороде. Стойкость горелок обычно составляет 800— 1000м.

При термическом бурении хорошо разрушается ограничен­ное количество в основном кварцсодержащих пород. Поэтому его самостоятельное применение оказалось неэффективным. При термическом расширении зарядной части скважины, ра­нее пробуренной шарошечным или другим механическим спо­собом, скорость терморазрушения породы возрастает в 5—10 раз и более, увеличивается число терморазрушаемых пород.