Классификация способов бурения и их общая характеристика

Для бурения шпуров и скважин применяют разнообразные бурильные молотки, буровые каретки, станки и установки. Ис­пользуются разные принципы воздействия бурового инструмента на забой и очистки скважин или шпуров при бурении от продук­тов разрушения. При всех способах при бурении выполняются следующие основные операции: подготовка и установка буриль­ной машины для начала работ, бурение (разрушение породы) с очисткой забоя скважины от продуктов разрушения (буровой мелочи) наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборка после окончания работ, смена из­ношенного бурового инструмента и передвижение машины на новую точку бурения.

В настоящее время на карьерах применяют вращательный и ударные (ударно-поворотный, ударно-вращательный и враща­тельно-ударный) способы бурения шпуров и скважин, которые иногда называют механическими способами бурения, а также ог­невое расширение скважин. Кроме перечисленных способов, про­водятся опытные работы по применению взрывного, электроим­пульсного разрушения пород при бурении, а также различных видов комбинированного бурения: ударно-шарошечного, магнитно-стрикционного, режуще-шарошечного и термошарошечного.

При вращательном бурении инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины и одновременно с определенным усилием подается на забой. Величина усилия задается из расчета превышения предела прочности породы на вдавливание на площади контакта режущих лезвий инструмента с породой. При этом происходят последовательное скалывание частиц породы с забоя и углубление инструмента по винтовой ли­нии. Продукты разрушения удаляются механическим способом с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бу­рении скважин), промывкой забоя водой или продувкой возду­хом.

К вращательным способам бурения относятся: бурение шпу­ров резцами с помощью ручных и колонковых сверл; бурение скважин резцами (долотами режуще-скалывающего действия); бурение алмазным инструментом; дробовое бурение.

На карьерах применяют только вращательное бурение скважин с механическим удалением продуктов разрушения штангами-шнеками, вследствие чего этот способ бурения иногда называют шнековым.

При ударном бурении инструмент наносит удар по забою и разрушает породу под лезвием. После каждого удара инстру­мент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая таким об­разом получение круглого сечения шпура или скважины. Разли­чают следующие виды ударного бурения.

Ударно-поворотное бурение бурильными молот­ками, при котором инструмент поворачивается только в проме­жутках между ударами специальным поворотным устройством. К ударно-поворотному относится и ударно-канатное бурение скважин.

У д а р н о - в р а щ а т е л ь н о е бурение погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вра­щением, при котором удары наносятся по непрерывно вращающе­муся инструменту. Разрушение породы при отмеченных двух спо­собах бурения происходит только за счет его внедрения при уда­рах.

Вращательное ударное бурение специальными ма­шинами, при котором удары наносятся по непрерывно вращающе­муся под большим осевым усилием инструменту. Разрушение про­исходит как за счет внедрения инструмента при ударах, так и за счет скола породы при вращении инструмента.

Бурение шарошечными долотами относится к ударному при долотах чистого качения и к вращательно-ударному при долотах, в которых зубья наряду с перекатыванием по забою срезают ее скользящим движением (долота со скольжением).

При огневом бурении разрушение породы происходит в резуль­тате термонапряжений, возникающих при быстром нагреве по­верхности породы потоками раскаленных газов (I = 2000 °С), вылетающих из сопел горелки со скоростью 2000 м/с и более.

Горелки при бурении охлаждаются водой или воздухом.

При взрывном бурении разрушение породы происходит последо­вательными взрывами на забое скважины небольших зарядов ВВ.

Для промышленного внедрения взрывного бурения нужно решить ряд сложных технических вопросов экологии и безопасности работ на станках.

При электроимпульсном бурении разрушение пород проис­ходит за счет электрического пробоя участка забоя скважины высоковольтным (до 200 кВ) разрядом. Мгновенно выделяемая энергия в канале пробоя разрушает породу, которую с забоя удаляют потоком диэлектрика, циркулирующего в скважине (соляровое масло, вода и т. п.).

При ударно-шарошечном бурении над шарошечным долотом устанавливается пневмоударник, который наносит удары с часто­той 1000—2000 в минуту по долоту, увеличивая в 1,3—1,6 раза чистую скорость бурения по сравнению с обычным шарошечным.

При магнитострикционном бурении над шарошечным доло­том устанавливается магнитостриктор мощностью 60 кВт, с по­мощью которого под действием электрического тока частотой 400 Гц — е такой же частотой и с амплитудой ~1_,5 мм на долото накладываются вибрационные нагрузки. При этом значительно возрастает чистая скорость бурения, особенно при уменьшенных на 25—30 % значениях осевого усилия. Наибольший эффект можно получить в крепких монолитных породах.

При режуще-шарошечном бурении разрушение происходит резцами и шарошками одновременно или попеременно: в мягких породах резцами, а в крепких — шарошками. Этот способ бурения особенно эффективен в перемежающихся по крепости породах и при наличии в мягких породах крепких включений.

При термошарошечном бурении разрушение шарошками производится предварительно ослабленной огневым воздействием породы. Реализация этого способа затруднена из-за высоких тем­ператур на забое, при которых на нем работают шарошки.

УДАРНОЕ БУРЕНИЕ ШПУРОВ

Для ударного бурения шпуров применяют пневматические бу­рильные молотки. Они имеют наименьшую относительную массу на единицу развиваемой мощности, невелики по габаритам и про-

сты в обслуживании, успешно бурят породы любой крепости и применяются для бурения шпуров на карьерах небольшой произ­водственной мощности, а также для вторичного дробления негабарита.Бурильные молотки (табл. 2.1) делят на ручные, телескопные и колонковые. Ручные бурильные молотки могут быть легкими (18—20 кг), средними (20—25 кг) и тяжелыми (более 30 кг). На карьерах для бурения шпуров в негабаритах, подбуривания подошвы уступа применяют легкие и средние, ручные бурильные молотки (рис, 2.1). Работа молотка регулируется ручкой 1, При этом поршень-ударник 5 в цилиндре 3 совершает поступательно-возвратные движения. При рабочем ходе (вправо) поршень нано­сит удар по хвостовику бура 8, удерживаемого в молотке буродержателем 7. При холостом ходе (влево) поршень с помощью геликоидального стержня 4 храпового устройства 2 поворачи­вается вокруг оси на некоторый угол, а через поворотную и соеди­нительную муфты 6 вращает буровой инструмент, Воздухораспределение производится устройством, в которое сжатый воздух по­ступает через крышку. Вода для промывки подается по шлангу 10, авсе узлы бурильного молотка стягиваются болтами 9 (см. рис, 2.1) Колонковые бурильные молотки массой 75 кг и более приме­няют для бурения шпуров диаметром до 70 мм и скважин диа­метром до 300 ммглубиной до 10 м и более на карьерах неболь­шой производственной мощности.

Колонковые бурильные молотки монтируются на подающих механизмах, установленных на буровых станках (рис. 2.2). Бу­рение производится с промывкой шпуров водой. В качестве ин­струмента при ударно-поворотном бурении применяют буры (сплошные и составные). Сплошной бур представляет собой стержень из специальной буровой стали, имеющий с одного конца предназначенную для разрушения породы в забое головку, а с другой — хвостовик, вставляемый в поворотную буксу буриль­ного молотка. Составной бур имеет штангу с хвостовиком и съем­ную коронку, армированную твердым сплавом (рис. 2,3).

Съемные коронки имеют резьбовое или конусное, под углом 3° З0'_, соединение со штангой. Для бурения мягких пород угол приострения лезвия должен составлять 90°, для пород средней крепости — 100—110° и для крепких пород— 120°.

В зависимости от крепости и строения пород применяют ко­ронки различной формы. Наибольшее распространение имеют коронки долотчатой и крестовой форм, армированными пласти­нами твердого сплава (КДП и ККП) (рис. 2.4). Коронки долот­чатой формы обеспечивают наибольшую скорость бурения в моно­литных породах. Коронки крестовой формы применяют для бу­рения шпуров и скважин в трещиноватых породах. Все шире применяются коронки, армированные цилиндрическими шты-

рями (ККШ). Съемные коронки долотчатого и крестового ти­па выпускаются следующих типоразмеров: 28, 32, 40, 43, 46, 52 мм.

Так как при бурении происходит затупление лезвия коронки, износ ее по диаметру, то при замене затупившейся коронки следующую берут несколько меньшего диаметра. Разницу в диаметрах двух последовательно работающих коронок называют шагом. Шаг коронки, армированной твердым сплавом, составляет 1—2 мм.

Набор коронок (при бурении сплошными бурами — набор буров), необходимых для выбуривания шпура, называют ком­плектом. Самый короткий бур в комплекте, которым начинают бурение шпура, называют забурником. Штанги для бурильных молотков изготовляют из стали 55С2 или 28ХГНЗМ шестигран­ными или круглыми с центральным промывочным каналом диа­метром 6—8 мм. Длинные штанги соединяются муфтами с резь­бой веревочного профиля (рис. 2,5).

В последние рады для бурения мощными бурильными молот­ками применяют составные штанги, имеющие наружную поверх­ность в виде резьбы веревочного профиля, что существенно упро-

щаетих восстановление, соединение с коронками и между собой с помощью муфт. Механизм и закономерности разрушения по­роды при бурении состоят в Следующем. При ударе поршня по хвостовику бура энергия удара передается по буру в виде волны напряжений, распространяющейся по штанге со скоростью 5 км/с, и в виде движения самого бура.

Скорость бурения определяется коэффициентом восстановле­ния при соударении с поршнем и соотношением масс бура и поршня. При внедрении лезвия в породу вокруг него образуется зона тонко измельченной породы (рис. 2.6, а). При достаточной энергии кон­тур зоны разрушения в сечении имеет форму элемента окружности. К этой окружности примыкает зона трещиноватости, в которой порода разрушена трещинами на столбики — секторы. Трещины у поверхности забоя изгибаются и, выходя на поверхность, об­разуют зону скола. При внедрении инструмента размеры зон измельчения породы увеличиваются не постепенно, а дискретно, на одно, два, три звена — составные элементы разрушаемой по­роды. При хрупких породах их разрушение может происходить также под влиянием волны напряжений, которая, распространяясь по штанге, при плотном контакте лезвия с породой переходит в породу и разрушает ее. После завершения разрушения лезвие поворачивается на такой угол, чтобы при следующем ударе про­изошли внедрение инструмента и скол секторов породы между двумя смежными ударами (см. рис. 2.6, б).

Скорость бурения зависит от осевого усилия, давления сжа­того воздуха, диаметра и глубины шпуров. С увеличением осе­вого усилия скорость бурения достигает максимума благодаря лучшей передаче энергии от поршня через бур породе, а затем бурильный молоток начинает работать неустойчиво, так как кру­тящий момент на буре становится недостаточным для преодоления силы трения бура о забой, и скорость проходки снижается (рис. 2.7, пунктирная часть кривых). При бурении следует ра­ботать на предельно допустимых осевых усилиях.

С увеличением давления сжатого воздуха увеличиваются сила, действующая на поршень, скорость его перемещения, ча­стота ударов и скорость бурения. Однако вместе с этим увеличи­ваются шум, вибрация и число поломок бурильных молотков и особенно инструмента. Поэтому рекомендуется вести бурение при давлении сжатого воздуха 0,5—0,7 МПа.

С увеличением диаметра коронки в единицу времени требуется разрушить объем породы, увеличивающийся пропорционально площади забоя. Поэтому приближенно можно принять, что скорости бурения υ₀ и υ_х обратно пропорциональны квадратам диа­метров коронок d₀ и d_х т. е.

На практике показатель степени может меняться от 1 до 2,5. С увеличением глубины шпура за счет роста массы бура, ухудше­ния условий передачи энергии к забою и очистки забоя, а также вследствие увеличения необходимой величины крутящего мо­мента скорость бурения снижается. Поэтому в технических ха­рактеристиках приводится максимальная глубина шпуров, при которой скорость бурения снижается незначительно.