Процесс бурения при выемке угля буровзрывным способом

Процесс бурения представляет собой совокупность трех операций: разрушения буримой породы в забое шпура или скважины, удале­ния буровой мелочи (или керна), закрепления пробуренной выра­ботки (обычно скважины) обсадными трубами. Последняя операция необходима при бурении в разрушенных и слабых породах, когда нужно сохранить скважину на определенное время.

По характеру разрушения породы в забое различают механиче­ские и физические способы бурения.

При механических способах бурения разру­шение породы осуществляется в результате механического воздей­ствия бурового инструмента (бура или шарошечного долота) на за­бой шпура (скважины).

К физическим способам бурения относятся: термическое бурение, бурение с помощью ультразвука, инфразвука и с использованием электрогидравлического эффекта. Сущность указанных способов и технология работ рассматриваются в специ­альных курсах.

Удаление буровой мелочи из шпуров производится: под действием собственного, веса (при бурении восстающих шпуров), продувкой сжатым воздухом (сухое бурение) и промывкой (мокрое бурение).

По способу воздействия бурового инструмента на забой шпура различают: ударно-поворотное, ударно-вращательное и вращатель­ное бурение.

При ударно-поворотном бурении буровой инструмент внедряется в породу под действием ударного импульса, создаваемого в буровой штанге ударом бойка по хвостовику бура. После окончания действия ударного импульса происходит упругий отскок бура от забоя шпура и поворот его на небольшой угол. Далее происходит следующий удар бойка по хвостовику и разрушение породы на другом участке забоя шпура. Ударно-поворотное бурение применяют при бурении пород различной крепости.

Таблица 3.6

Тип буровой машины	Вид энергии	Область применения	Подача испол­нительного ор­гана	Способ работы или установки
Вращательные буровые машины
Ручные сверла	Электрическая, пневматиче- ская, гидрав- лическая	Угли и мяг- кие породы	Ручная	Бурение с рук
Колонковые сверла	То же	Породы сред- ней крепости	Механическая или гидрав- лическая	На колонке или манипу- ляторе
Сбоечно-буровые машины	»	Угли разной крепости	То же	На тележке или платформе
Ударно-поворотные буровые машины
Ручные бу- рильные мо- лотки	Пневмати- ческая	Породы раз- личной кре- пости	Ручная	Бурение с рук или пневмо- поддержки
Колонковые бурильные молотки	То же	Крепкие породы	Механическая	На колонке, манипулято- ре или буро- вой тележке
Телескопиче- ские буриль- ные молотки	»	Породы раз- личной кре- пости	»	На телескопи- ческих пневмо- податчиках
Ударно-вращательные буровые машины
Ударно-вра- щательные машины	Электрическая и пневмати- ческая	Породы раз- личной кре- пости	Механическая	На буровой тележке

аблица 3.7

Показатели	СЭР-19М	ЭР-14Д-М	ЭРП-18Д-М	ЭБГП-1	сэк
Диаметр буримых шпуров и скважин, мм	36-42	36—43	36-43	до 50	до 50
Мощность электродвигателя, кВт	1,2	1,0	1,4	2,5	3,3
Глубина бурения, м	—	—	. —	—	—
Основные размеры, мм: длина ширина высота	390 320 300	375 316 230	468 316 230	1750 400 410	1640 445 415
Масса, кг

Продолжение табл. 3.7

Показатели	СР-З	СПР25-700	ПР-20Л	ПР-25Л	ПР-ЗО	ПР-ЗОК
Диаметр буримых шпуров, и скважин, мм	36—52		32—46	32-56	40—52	46—52
Мощность электродвигателя, кВт	2,6; 3,5	2,5	—	-	-	—
Глубина бурения, м	—	—
Основные размеры, мм: длина ширина высота			- -	- -	- -	- -
Масса, кг	13,5

При ударно-вращательном бурении наносятся удары по непрерывно вращающемуся буру, находящемуся под осевым давлением. Этот способ бурения весьма эффективен и применяется при бурении пород различной крепости.

При вращательном бурении режущие грани резца срезают или скалывают тонкую стружку породы. Одновременно с вращением сверло подается на забой. Разрушаемая порода удаляется из шпура по спиральным канавкам витого бура. Вращательное бурение наиболее эффективно при бурении пород крепостью не выше 8 по шкале М.М. Протодьяконова.

Разновидность вращательного бурения является шарошечное бурение. Шарошечное долото вращается вместе со штангой, к которой оно прикреплено. Шарошки, перекатываясь по забою скважины, своими зубьями разрушают породу.

В практике горного дела находит применение вращатель­ное керновое бурение, при котором порода в скважине выбуривается по кольцу с оставлением породного сердечника — керна.

Бурение шпуров и скважин осуществляется буровыми машинами. Классификация буровых машин в зависимости от способа бурения приведена в табл. 3.6, а их основные технические характеристики— в табл. 3.7.

Методы взрывных работ

Работы по отбойке и дроблению полезного ископаемого или породы, выполняемые с помощью взрывчатых веществ, называются взрыв­нымиработами. Взрывные работы широко применяются как при открытой, так и при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

В зависимости от назначения и конкретных условий применяют различные методы взрывных работ. Последние определяются спосо­бом размещения заряда, формой и его величиной. В угольных шах­тах, например, взрывные работы ведут с применением небольших зарядов BB массой в несколько сотен граммов. При разработке рудных месторождений с крепкими породами величина заряда дохо­дит до нескольких десятков килограммов и тонн. Наконец, на карье­рах при так называемых массовых взрывах масса зарядов BB может составлять несколько сотен тонн.

Ниже рассмотрим лишь те методы взрывных работ, которые применяют при подземной разработке пластовых месторождений.

Обычно заряды BB размещают в шпурах или скважинах. В соот­ветствии с этим различают; шпуровой метод и метод скважинных зарядов. При этом в шпуре или скважине размещают необходимое количество BB и забойки и затем произво­дят взрывание зарядов. В результате взрыва происходит чрезвычайно быстрое превращение взрывчатого вещества в газообразные продукты с большим давлением и высокой температурой, которые производят сильный удар по стенкам шпура или скважины. Под действием удара в породе создаются различного рода напряжения, вызывающие разрушение породы.

Величина заряда BB определяется в зависимости от свойств взрываемых пород, работоспособности BB, конструкции и порядка взрывания зарядов, а также от наличия обнаженных поверхностей. Сначала определяется удельный заряд BB q_з т. е. количество BB, необходимое для отбойки 1 м³ обуренной породы в массиве. Со­гласно эмпирической формуле H. M. Покровского,

(3.26)

где q₁ — удельный заряд условного BB, кг/м³;

F_П — коэффициент структуры породы, принимаемый в зависи­мости от структуры породы в пределах от 0,8 до 2;

v₃ — коэффициент сопротивления породы отделению ее от массива (коэффициент зажима);

е_р — коэффициент работоспособности BB.

Величины удельных зарядов BB и коэффициенты структуры по­род определяют опытным путем. Для очень крепких гранитов, гней­сов, базальтов и других кристаллических пород удельный заряд BB колеблется в пределах 1,2—1,5 кг/м³, для трещиноватых и раз­рыхленных известняков, антрацита, крепкого каменного угля этот показатель снижается до 0,15 кг/м³.

Коэффициент зажима v₃ при одной поверхности обнажения опре­деляется по формуле

(3.27)

где S — площадь поперечного сечения выработки, м².

Коэффициенты работоспособности некоторых BB составляют:

83%-ный динамит………………………………. 0,8

62%-ный динамит и алюмит…………………… 1,0

Аммонит АП-1 …………………………………. 1,5

Победит ПУ-2 ………………………………….. 1,7

Общий расход BB Q_ВВ на весь объем взрываемой породы при подвигании забоя выработки на величину l_заб определяется по формуле

(3.28)

l_заб — подвигание забоя выработки, м.

Величина колонкового сосредоточенного заряда BB в шпуре ограничивается соотношением

(3.29)

где l_зар — длина заряда BB в шпуре, м;

l_шп — длина шпура, м;

k_з — максимально допустимый коэффициент заряжания шпура (отношение длины шпура, заполненного BB, к общей длине шпура).

От правильного выбора коэффициента заряжания шпура зависят эффективность работы заряда и безопасность ведения взрывных работ. Для шахт, не опасных по газу или пыли, величину k_з следует принимать исходя из крепости взрываемых пород: чем больше крепость пород, тем больше этот коэффициент. Так, при крепости пород по шкале M, M. Протодьяконова до 3 коэффициент k₃ прини­мают равным 0,6, а при крепости пород свыше 6 его величина увели­чивается до 0,8. Для шахт, опасных по газу или пыли, при длине шпура 0,6—1,5 м заряд BB должен занимать не более половины длины шпура.

Эффективность взрывных работ во многом зависит от правиль­ного расположения шпуров относительно друг друга и по отноше­нию к обнаженным поверхностям, в частности к поверхности забоя. Для придания выработке расчетного поперечного сечения бурят оконтуривающие шпуры.

Диаметр шпуров принимается на 10—15% больше диаметра патронов BB. В угольной промышленности стандартными считаются патроны диаметром 36 мм, которым соответствует диаметр шпуров 40 мм. В последнее время намечается тенденция к более широкому применению шпуров увеличенного диаметра — 45, 55 и 65 мм, что позволяет уменьшить число шпуров в комплекте и сократить время на обуривание забоя. При взрывании заряда обычно часть шпура со стороны массива остается неиспользованной, как говорят, обра­зуется стакан. Эффективность использования шпура оценивается коэффициентом использования шпура (к. и. ш.), под которым пони­мается отношение использованной части шпура к его полной глу­бине. Величина этого коэффициента зависит от физико-механических свойств пород, расположения шпура в забое, типа BB и др. При пра­вильно выбранных параметрах буровзрывных работ величина к. и. ш. достигает 0,85—1,0.

Правилами безопасности запрещается взрывание зарядов в шпу­рах без забойки. В шахтах в качестве материала для забойки обычно используют смесь из трех частей жирной глины и одной части песка. Кроме того, хорошей забойкой является увлажненный песок, кото­рый используют дри применении пневмозабойников. На зарубежных шахтах большое распространение получили забойники, в которых в качестве забойки используется породная мелочь.

Выемка угля буровзрывным способом ведется лентами шириной 0,9—1,2м по всей длине лавы. Шпуры в лаве бурят глубиной 1— 1,2 м. Располагают их в два-три ряда в шахматном порядке. Ленту делят на участки длиной 3—6 м по падению в зависимости от устой­чивости боковых пород.