Буріння шпурів і свердловин

ГЛАВА VII

ПРОЦЕСИ ПІДЗЕМНИХ ГІРНИЧИХ РОБІТ

Загальні відомості, поняття і терміни

Розрізняють основні та допоміжні процеси підземних гірничих робіт.

Основні процеси підземних гірничих робіт:

1. Відбійка руди.

2. Випуск відбитої руди.

3. Доставка і навантаження відбитої руди.

4. Управління гірським тиском.

Допоміжні процеси підземних гірничих робіт:

1. Доставка людей, матеріалів і устаткування.

2. Монтажні і демонтажні роботи.

3. Ремонт обладнання.

4. Підтримання виробок і т.д.

Відбійка руди

Відбійкою називають відділення руди від масиву з наступним дробленням її на куски. Розрізняють такі види відбійки.

1. Вибухова відбійка:

– шпурова;

– свердловинна;

– мінними або концентрованими зарядами.

2. Механічна відбійка:

– підземними комбайнами і комплексами;

– відбійними молотками;

3. Самообвалення руди.

4. Інші способи:

– гідравлічна відбійка;

– електрофізичні способи (струми високої частоти, ультразвук, лазер);

– ядерними вибухами;

– термічна відбійка.

Механічна відбійка застосовується при відбійці м’яких руд міцністю до f=3-4, у виняткових випадках до f=6-8. Характерним прикладом є розробка марганцевих руд, вугілля та солі.

Механічний спосіб полягає в тому, що на масив діють робочі органи машин, які безупинно руйнують його. Комбайни здійснюють руйнування масиву, прибирання та транспортування зруйнованої породи.

Комбайни з різними робочими органами застосовують для проведення виробок та очисного виймання при відносно слабких і однорідних породах міцністю до f=4.

У перспективі в найближчі 20 років питома вага механічного способу руйнування масиву не буде перевищувати 15-20% загального обсягу робіт.

Самообвалення руди застосовується лише при одній системі розробки, в рудах, схильних до самообвалення.

Гідравлічна відбійка за допомогою струменя води, що викидається з монітора з великою швидкістю, позитивних результатів не дала. Причиною відмови стали дискомфортні умови праці, необхідність створення високого напору води, осідання на ґрунті покладу найбільш важких частинок, збагачених металом.

Електрофізичні способи знаходяться в стадії розробки.

Ядерні вибухи для руйнування гірських порід використовувалися в експериментальному порядку, проте широкого поширення не отримали з екологічних обмежень.

Термічну відбійку руди застосовують на відкритих гірничих роботах. У підземних умовах цей спосіб не застосовують із-за вимог техніки безпеки.

На підставі стислого аналізу різних способів відбійки можна зробити висновок, що найбільше практичне значення у даний час має вибухова відбійка.

Вибуховий спосіб є основним для відбійки руд середньої і вище середньої міцності.

Ефективність відбійки руди оцінюється наступними показниками:

– розміром середнього куска;

– витратами ВР на відбійку, ліквідацію зависань при випуску руди та вторинне подрібнення;

– обсягами буріння шпурів, свердловин або виходом руди з 1 м шпуру, свердловини;

– виходом негабариту;

– продуктивністю і собівартістю відбійки.

Важливим показником відбійки руди, який багато в чому визначає спосіб, параметри та показники цього виробничого процесу, є розмір кондиційного куска.

Кондиційний кусок – це максимально допустимий розмір кусків руди, що видаються з блоків, на який розраховують розміри випускних, перепускних виробок та виробок доставки, навантаження і транспортування руди.

Куски руди, розміри яких більше кондиційного, називають негабаритом і їх кількість визначають у відсотках від загальної ваги відбитої руди.

Таким чином, основним способом руйнування масиву при розробці рудних родовищ залишається вибуховий спосіб, який збереже свою роль ще на невизначено довгий строк. Цей спосіб оснований на використанні для руйнування масиву величезної енергії, яка утворюється в результаті хімічного перетворення вибухових речовин у заряді.

Вибухові речовини (ВР) – хімічні сполуки або частіше механічні суміші різних речовин, які під впливом зовнішніх імпульсів (удар, нагрів та інше) спроможні вибухнути.

Ряд природно горючих речовин у тонко подрібненому стані (мука, цукор та інше) при певному співвідношенні з киснем повітря також можуть вибухнути, але їх не вважають вибуховими речовинами.

До вибухових речовин прийнято відносити так звані промислові ВР, які спеціально виготовлені і відповідають установленим вимогам безпеки і енергетичним параметрам.

Сутність вибухового способу полягає в тому, що BP розміщуються в масиві, в спеціально утворених порожнинах (шпурах, свердловинах, мінних камерах) і внаслідок вибуху цих ВР від масиву відокремлюється і подрібнюється в куски необхідних розмірів певний об’єм породи (руди).

Під вибухом розуміють процес перетворення величезної кількості потенціальної енергії ВР в механічну за дуже короткий час.

Вибух може бути фізичним, коли змінюється тільки фізичний стан речовини (наприклад, вибух парового котла); хімічним, коли за дуже короткий час відбувається хімічне перетворення речовини з виділенням великої кількості тепла і газів; ядерним – з перетворенням атомних ядер початкового матеріалу в ядра інших елементів.

У гірничій промисловості при видобуванні корисних копалин вживають тільки хімічні вибухи, для чого використовують BP.

Заряд ВР – певна кількість ВР, розміщених у вибуховій порожнині і підготовлених до вибуху.

У гірничій промисловості використовують заряди BP різних конструкцій.

Засоби підривання (ЗП) – засоби, які використовують для передачі заряду BP початкового імпульсу для вибухового перетворення.

В якості ЗП використовують детонатори, вогнепровідний і детонуючий шнури, запалювальні патрони та інше. В останні роки, високорозвинуті закордонні та деякі вітчизняні підприємства використовують неелектричний спосіб вибухових робіт за допомогою системи NONEL.

Вибухова відбійка здійснюється шляхом розміщення зарядів ВР в утворені в масиві порожнини (шпури, свердловини, виробки).

Шпур – циліндрична порожнина в масиві діаметром до 75 мм і довжиною до 5 м, призначена для розміщення заряду BP.

Свердловина – циліндрична порожнина в масиві діаметром більше 75 мм і більше і довжиною більше 5 м, призначена для розміщення в ній заряду BP, розвідувальних робіт, дренажу та інше.

Згідно з призначенням свердловини називають: вибуховими, розвідувальними, дренажними, відрізними та іншими.

Процес утворення шпурів і свердловин у масиві називають бурінням, а весь комплекс робіт із включенням допоміжних – буровими роботами.

Машини та інструменти, які застосовуються для буріння шпурів та свердловин, називають буровими машинами або установками і буровим інструментом.

Увесь комплекс робіт, зв’язаний з бурінням шпурів, свердловин і підриванням зарядів BP називають буро-підривними або буро-вибуховими роботами.

Ефективність буро-підривних робіт оцінюють мірою зруйнування одиниці масиву (м³, т) і якістю його дроблення. У свою чергу якість дроблення оцінюють: розміром середнього роздрібненого куска масиву (мм, см) і виходом негабариту – кусків, розмір яких більше установленого, у % до загального зруйнованого обсягу.

Буріння шпурів і свердловин

Способи буріння

На практиці застосовують такі основні способи буріння шпурів і свердловин: обертовий, ударний та їх комбінацію – обертово-ударний.

При обертовому бурінні бурова машина обертає інструмент навкруги осі й одночасно з зусиллям подає його на вибій. Лезо інструменту сколює, зрізає тонкий шар породи, поступово утворюючи циліндричну порожнину.

Цей спосіб розповсюджений при бурінні розвідувальних свердловин коронками, армованими алмазами. В гірничій промисловості обертове буріння шпурів різними різаками застосовують тільки при відносно слабких породах однорідної будови, міцністю до f=4-5 (калійна сіль, марганцева руда та ін.).

При ударному бурінні масив у перерізі шпуру або свердловини руйнується енергією удару великої сили, який наноситься лезом бурового інструмента. Після кожного удару інструмент обертається на деякий кут і новий удар наноситься по новому місцю. Значна сила удару та їх висока частота забезпечують ефективне буріння порід та руд різної міцності до дуже міцних.

Цей спосіб є одним із основних при бурінні шпурів і свердловин.

Сутність обертово-ударного способу буріння полягає в комбінації указаних способів: буровий інструмент обертається навколо осі з додатком значного осьового навантаження (обертовий спосіб) і нанесенням періодичних (до 2000 разів за хвилину) ударів великої потужності (ударний спосіб), що забезпечує ефективне зруйнування навіть у масивах великої міцності.

Буріння шпурів

Буріння шпурів обертовим способом виконується за допомогою бурових машин – свердлами з електричним, пневматичним та гідравлічним приводами.

Найбільш поширені електросвердла, які розподіляють на ручні, масою до 20 кг і колонкові, масою 25-50 кг.

Останні складаються з двигуна, редуктора, напірного механізму і при роботі їх установлюють на розпірній колонці.

Бурові штанги виготовляють з сталі ромбічного перерізу, якій придають форму шнека. Така форма забезпечує ефективне видалення із шпуру бурового шламу під час буріння.

Буровий інструмент – це різної форми різці, армовані пластинками твердого сплаву.

Буріння шпурів ударним способом виконують за допомогою пневматичних поршневих бурових машин, які мають назву – перфоратори. Принципова схема роботи перфоратора показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Принципова схема роботи перфораторів

Поршень з штоком-ударником виконує в циліндрі зворотно-поступові рухи під дією стиснутого повітря, який поперемінно спрямовується то в передню, то в задню частину циліндра спеціальним повітророзподільним пристроєм. При робочому ході «вперед» ударник наносить по хвостовику бура удар. При зворотному ході поршень з муфтою повертається на деякий кут (15-20º) за допомогою поворотного гвинта і хрестового механізму. Лезо коронки наносить новий удар по іншій лінії вибою шпуру.

У сучасних перфораторах енергія одного удару становить 36-90 Дж при тискові стиснутого повітря 0,5 МПа, а кількість ударів у хвилину знаходиться в межах 2000-2800.

Розрізняють переносні (ручні), телескопні та колонкові перфоратори.

Переносні перфоратори марки ПП призначені для буріння горизонтальних і похилих шпурів при проведенні горизонтальних і похилих виробок невеликого перерізу та на очисних роботах. Переносні перфоратори встановлюють, як правило, на пневмопідтримках (рис. 7.1) або на розпірних колонках.

Телескопні перфоратори марки ПТ призначені для буріння вертикальних і круто похилих шпурів при проведенні підняттєвих виробок та на очисних роботах. Особливість їх полягає в тому, що в одній машині поєднані конструктивно власне перфоратор та поршневий подавач-телескоп, за допомогою якого перфоратор під час буріння безперервно подається вгору (хід подачі до 700 мм), створюючи осьове навантаження до 1,8 кН. Зусилля подачі телескопу в процесі роботи можна змінювати рукояткою управління.

Телескопні перфоратори випускають вагою від 30 до 48 кг з числом ударів 2600-2700 за хвилину.

Колонкові перфоратори марки ПК – це потужні бурильні машини вагою до 50-150 кг.

Особливість їх конструкції в порівнянні з переносними є відсутність поворотного механізму, а замість нього вбудований пневматичний реверсивний обертач, який забезпечує незалежне обертання бурового інструмента і робить можливим виконувати буріння ефективним обертово-ударним способом.

Для створення необхідного зусилля подачі на вибій ці перфоратори установлюють на подаючий пристрій, який складається з полозків, автоподавача з пневмоприводом і подаючого механізму ланцюгового, гвинтового або поршневого типів.

Перфоратор разом з подаючим пристроєм установлюють для роботи на бурову установку (бурову каретку) (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема установки колонкового перфоратора на колонці

Такі бурові установки застосовують для буріння шпурів у міцних породах і свердловин діаметром до 80 мм на очисних роботах. Серійно випускаються різні типи бурових установок, наприклад, КБУ-50, КБУ-80. Колонкові перфоратори широко застосовують у самохідних бурових установках.

Самохідні бурові установки – це самохідна платформа, на якій змонтовано 2-4 гідравлічних маніпуляторів, оснащених автоподавачами з перфораторами і гідравлічними маслонапірними станціями. Вони дозволяють суттєво полегшити працю гірника і підвищити її продуктивність.

Самохідні бурові установки виготовляються на рельсовому (типу СБКНС, БУР та ін.), гусеничному (СБУ), пневматичному (БК) ході і оснащуються декількома потужними буровими машинами (типів ПТ, ПК). Їх застосовують при великому обсязі бурових робіт при проведенні горизонтальних виробок та на очисних роботах при деяких системах розробки (рис. 7.3).

За допомогою таких бурових установок можна обурювати вибої шириною від 3,5 до 7 м та висотою від 3 до 7 м.

Буріння шпурів виконують з промивкою водою, яка по спеціальній трубці в перфораторі та осьовому отвору в бурових штангах безперервно подається у вибій шпуру. Це дозволяє суттєво зменшити виділення в атмосферу пилу від буріння й ефективно охолоджувати буровий інструмент.

Рис. 7.3. Бурова каретка для буріння горизонтальних і похилих шпурів: 1 – колонковий перфоратор; 2 – бурова штанга; 3 – коронка; 4 – автоподавач; 5 – маніпулятор; 6 – гідравлічні та пневматичні шланги; 7 – кабіна з пультом керування

Для буріння шпурів використовують змінні бурові коронки, армовані пластинками твердого сплаву.

Типові коронки показані на рис. 7.4.

Для буріння неглибоких шпурів діаметром 35-50 мм застосовують в основному долотчаті коронки. Хрестові бурові коронки використовують для буріння міцних і тріщинуватих порід. Глибокі шпури діаметром понад 50 мм бурять буровими коронками ступінчастої форми з випереджаючим лезом.

Коронки під час буріння затуплюються і їх заточують на корундових кругах.

На сьогоднішній день найбільш ефективним є гідравлічне бурове обладнання. Гірничий інструмент для гідроперфораторного буріння призначений для передачі ударної енергії породі з мінімальними втратами енергії.

а) б) в)

Рис. 7.4. Деякі типи бурових коронок для буріння шпурів: а – долотчаті; б – хрестові; в – ступінчастої форми з випереджаючим лезом

Результатом роботи конструкторів гідравлічних перфораторів є хороше руйнування породи, висока швидкість буріння і, як наслідок, висока продуктивність. Ці чинники разом із стабільною якістю свердловини, високою надійністю і тривалим запасом стійкості дають кращі результати, велику економію бурової стали і знижують сумарні витрати на буріння шпурів.

Буріння свердловин

Експлуатаційні або підривні свердловини діаметром 80-150 мм і довжиною до 40-50 м для відбійки руди при очисних роботах та проходці деяких виробок (відрізні, підняттєві) бурять за допомогою різних бурових установок, станків, агрегатів.

Свердловини відносно невеликого діаметру до 80-85 мм і глибиною до 20-25 м часто бурять за допомогою бурових установок, оснащених потужними колонковими перфораторами вагою 60-70 кг, які були розглянуті вище (наприклад, установка типу КБУ).

Найбільше поширення при відбійці руди одержали свердловини діаметром 105 мм, буріння яких виконують буровими станками з заглибними пневмоударниками обертово-ударним способом. Це дозволяє більш ефективно використовувати силу удару для буріння свердловин і збільшити продуктивність праці.

На практиці для цього широко використовують бурові станки НКР-100М. Власне станок складається з двигуна, редуктора, пневмозахвату штанг, пневмоподавачів, ручної лебідки та пульта управління (керування) (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Буровий станок НКР-100М

Станки випускають з електричними (НКР-100 МА) та пневматичними (НКР-100 МП) двигунами. Стояк (постав) бурових штанг захвачується пневмозахватом і через редуктор обертається з швидкістю 100-150 об/хв. Пневмоподавач створює напір на стояк (постав) штанг до 6 кН. На кінці стояка (постава) штанг у свердловині знаходиться заглиблений пневмоударник з буровою коронкою.

Пневмоударник – це проста за конструкцією безклапанна бурова машина ударної дії, яка працює на повітряно-водяній суміші з тиском не менше 0,5 МПа. Ця суміш утворюється шляхом уприскування ежектором в струмінь стиснутого повітря розпиленої води під тиском. По осьовому отвору стояка (постава) штанг суміш подається в пневмоударник і цим забезпечує зворотно-поступальний рух поршня-ударника. Після вихлопу суміш зрошує вибій свердловини і виносить буровий шлам із свердловини.

Витрати води та стиснутого повітря відповідно дорівнюють 15-20 л/хв, 6-7 м³/хв для станків з електроприводом і до 20 м³/хв для станків з пневмоприводом.

Станки НКР-100М, як і аналогічні інші, дозволяють бурити свердловини у будь-якому напрямку. Продуктивність буріння змінюється від 3-5 м/зміну в дуже міцних породах і рудах до 50-60 м/зміну при відносно слабких породах і рудах.

Більш ефективними є станки для буріння глибоких свердловин ведучих закордонних компаній. Так, наприклад, Atlas Copco пропонує комплексну лінію високопродуктивних бурових установок Simba, які дозволяють бурити глибокі свердловини діаметром 95-178 мм круговим віялом у рудах і породах будь-якої міцності з продуктивністю в 5 раз вищою за НКР-100М. Крім того, бурові установки повністю механізовані та забезпечують комфортні умови праці для бурових майстрів. На рис. 7.6 представлено бурові установи Simba в процесі буріння вертикальних висхідних та горизонтальних свердловин.

а)	б)
Рис. 7.6. Бурові установи фірми «Atlas Copco»: а) Simba M4 C-ITH; б) Simba M6 C-ITH

При відбійці міцних та дуже міцних руд бажано застосовувати свердловини великого діаметру. Буріння таких свердловин діаметром 150-250 мм виконують за допомогою шарошкових коронок і спеціальних станків. Шарошкова коронка – долота має дві-три лапи, на осі яких насаджені конічні стальні шарошки, армовані штирями твердого сплаву. Шарошка вільно обертається на осі. Під час буріння станок обертає (крутить) постав штанг з шарошковим долотом і створює великий осьовий тиск на вибій. Шарошка, обертаючись на вибої, послідовно наносить удари, зруйновуючи масив.

За характером шарошкове буріння відноситься до ударного способу.