Технологическая характеристика и режим пневмоударного бурения

В настоящее время на карьерах для бурения скважин диаметром от105 до 160 мм применяют различные станки с погружными пневмоударниками: СБМК-5, 1СБУ-125, 2СБУ-125, СБУ-100Г, СБУ-100П, Урал-64 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 28-41 в секунду. Одновременно вместе со штангой вращается пневмоударник; вращатель расположен вне скважины. Буровая мелочь удаляется из скважины воздушно-водяной смесью или сжатым воздухом.

Основным показателем работы пневмоударников является эффективная удельная энергия удара (на 1 см диаметра долота) для достижения постоянной скорости бурения при различном диаметре скважины. Общая энергия удара обычно составляет 95-140 Дж (у перспективных станков 280 -400 Дж) при давлении воздуха 0.5-0.7 МПа, расходе его (5.4-30)· 10^-2 м³/с и расходе воды (1.3-3.3)·10^-4 м³/с.

При пневмоударном бурении доля затрат на буровой инструмент составляет 20-35%. Буровые коронки имеют диаметр 85-105, 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.

Наибольшие усилия подачи на породу обеспечивают одноступенчатые долотчатые коронки благодаря минимальной линии лезвия. Но эти коронки интенсивно изнашиваются по высоте и диаметру. При бурении малотрещиноватых пород применяют трехперые коронки (рис. 5.2) диаметром 85-105 мм, а трещиноватых пород – крестовые коронки диаметром 155 мм (рис. 4.6, б); эти коронки имеют опережающие лезвия.

Все шире применяются штыревые коронки, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава со сферическими разрушающими породу поверхностями. Такие коронки успешно эксплуатируются при удельных энергиях удара, существенно более высоких по сравнению с долотчатыми и крестовыми коронками.

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

Резервом увеличения срока службы и снижения расхода бурового инструмента является эксплуатация его без чрезмерного затупления лезвий коронок, правильная их заточка, тщательный подбор диаметра коронок при их замене и т.д.

.

Режим пневмоударного бурения характеризуется энергией единичного удара, усилием подачи, числом ударов поршня-ударника в минуту и частотой вращения бурового става, которые определяют угол поворота коронки между смежными ударами. На режим бурения существенно влияют буримость породы, давление сжатого воздуха, полнота удаления продуктов разрушения из забоя, степень притупления и угол приострения лезвия буровой коронки, а также его форма.

Энергия удара зависит от массы поршня-ударника, длины хода его и давления сжатого воздуха. При небольшом давлении воздуха происходит истирание горной породы и буровой коронки. С увеличением давления воздуха буровая коронка эффективнее внедряется в забой, разрушение породы происходит за счет скола, и скорость бурения при этом увеличивается (рис. 4.7). Энергия удара должна соответствовать буримости породы и ограничивается износоустойчивостью коронки. Увеличение энергии единичного удара с ростом давления воздуха достигается применением ударников с большой массой при меньшей скорости движения.

Зависимость скорости бурения от усилия подачи Vб = ƒ(Ро) имеет экстремальный характер (рис. 4.8), что объясняется условиями передачи энергии удара на забой. При постоянном давлении сжатого воздуха чрезмерное увеличение усилия подачи может привести к прекращению процесса бурения. Оптимальное значение Ро составляет 0.2-0.3 кН на см диаметра долота.

Частота вращения бурового инструмента должна соответствовать необходимому числу ударов для предотвращения сопротивления секторов породы между следами смежных ударов коронки. Оптимальная частота вращения в породах с Пб 14—20 составляет от 0.3 до 0.7 с^-1, с Пб 10—14 – от 0.7 до 1 с^-1, с Пб >10 – от 1 до 1.5 с^-1. нижние пределы относятся к диаметру скважин dс = 160-200 мм и числу ударов пневмоударника в минуту 1700-1900, а верхние – к dс = 100-125 мм и числу ударов 2000-2200.

Техническая скорость бурения скважин (м/ч)

Vб 0.5· 10^-3 Wnу/(К₁ Пб d_к² Кф),

Где W— энергия удара, Дж; nу—число ударов коронки в секунду; К1 -коэффициент, учитывающий диапазон изменения Пб (при Пб = 10-14 К1 = 1; при Пб =15-17 К1 = 1.05; при Пб = 18-25 К1 = 1.1).Большое влияние на эффективность пневмоударного бурения оказывает стойкость буровых коронок. Скорость бурения снижается по мере затупления лезвия буровой коронки, однако частая смена коронок приводит к повышенному расходу бурового инструмента и снижению общей производительности станка из-за увеличения удельного объема вспомогательных операция. Рациональный интервал бурения между сменами коронок Нс.к определяется из условии минимальных затрат на проведение 1 м скважины и практически составляет (коронка К100В).

Пб.........................9-10 11-12 13-14 15-16 17-18 19-20

Нс.к....................... 30 20 15 10 5 3

При бурении пород с Пб = 10-12 коронки за период отработки обычно два-три раза подвергаются перезаточке.

5.3 Технологическая характеристика и режим термического бурения

Термическое бурение скважин осуществляется самоходными огнеструйными буровыми станками, имеющими вращающейся термобур с горелкой; вращением термобура достигается периодическое нагревание всей площади забоя скважины. Для бурения скважин диаметром 220-250 мм применяется станок СБТМ-20.

Основными технологическими операциями термического бурения являются: зажигание горелки; собственно бурение, заключающеся 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 огнеупорной горелке смешивается горючее и окислитель, и образуются высокотемпературные газовые струи, которые, проходя через сопловый аппарат со сверхзвуковой скоростью, направляются на забой скважины. Охлаждение горелки и пылеподавление осуществляется водой и сжатым воздухом.

При использовании в качестве окислителя сжатого воздуха рациональны односопловые горелки (рис. 5.3, а), позволяющие повысить концентрацию газового потока. Двух и трехсопловые горелки (рис. 5.3, б) применяют при окислителе – газообразном кислороде. Стойкость горелок обычно составляет 800-1000 м.

Рисунок 5.3 Схемы огнеструйных горелок:

1 – корпус; 2 – камера сгорания; 3 – сопловый аппарат; 4 – защитный башмак.

При термическом бурении хорошо разрушается ограниченное количество в основном кварцсодержащих пород. Поэтому его самостоятельное применение оказалось неэффективным. При термическом расширении зарядной части скважины, ранее пробуренным шарошечным или другим механическим способом, скорость терморазрушения породы возрастает в 5—10 раз и более, увеличивается число терморазрушающих пород. Поэтому необходимо создание комбинированных термомеханических станков, что позволит расширить сетку скважин и снизить расход буровых шарошечных долот.

Для расширения скважин до dc=300-350 мм применяют те же горелки, а до d с= 400-500 мм – специальные односопловые горелки-расширители (рис. 5.3, в) с диаметром критического сечения сопла dкр = 28 - 32 мм и углом наклона соплового канала к оси горелки 25-30°.

Горючее и вода из расходных баков, смонтированных на станке, подаются к горелке посредством насосов по трубопроводам, а окислитель – по гибким шлангам. Для удаления газа и пара из скважины используется газоотсасывающая установка.

Для расширения скважины после достижения проектной глубины, при отсутствии подачи вращающегося термобура в течение 3-5 мин формируется вруб, а затем термобуру сообщается поступательное движение вверх. Далее производится очистка скважины посредством опускания термобура вниз. Время очистки скважины 10-15 мин.

В качестве горючего используют бензин, керосин и дизельное топливо, а окислителем является газообразный кислород или сжатый воздух. При применении кислорода повышаются затраты на бурение и требования к технике безопасности, поэтому в качестве окислителя обычно используют сжатый воздух, что существенно упрощает организацию огневого расширения скважин.

Термическое бурение шпуров глубиной 1-1.5 м и диаметром 50-60 мм производится ручными термобурами с односопловыми горелками. Сжатый воздух подается в термобур под давлением 0.5-0.6 МПа от передвижного компрессора. В качестве горючего применяется бензин. Горелки малого диаметра используют также для термического разрушения негабаритных кусков, резания каменных блоков и обработки их поверхности.

Режим термического бурения характеризуется температурой и скоростью газового потока и регулируется частотой вращения и подачи на забой термобура.

Тепловые потоки, создаваемые горелками, достигают (0.7-1.2) 10⁶ Дж/(м² ·с), скорость их 1600-2000 м/с, температура 3200 и 1800 - 2000°С соответственно при окислителе – кислороде и сжатом воздухе.

Оптимальный режим терморазрушения характеризуется минимальными затратами энергии при высокой скорости бурения, что соответствует разрушению пород путем «шелушения». Оптимальная частота вращения термобура при различных теплофизических свойствах горных пород составляет 0.25-0.5 с^-1. С уменьшением показателя Птб частота вращения уменьшается.

Предотвратить плавление породы возможно посредством прерывистого ее нагревания при периодическом действии на забой горелки с эксцентрично расположенными вращающимися соплами.

Техническая скорость термического бурения Vб= ƒ(Птб, q) для пород ІІ класса по термобуримости (термобуримые породы) может быть приближенно определена (м/ч) по эмпирической формуле (по А.П. Дмитриеву)

Vб 7.5·10^-6q – 17.4,

где q – удельный тепловой поток, поступающий в породу Дж/( м² ·с); при использовании в качестве окислителя кислорода q= (5-5.7) ·10⁶ Дж/( м² ·с), а при окислителе – воздухе q= (2.8-4.65)· 10⁶ Дж/ (м² ·с).

В хорошо термобуримых породах скорость бурения увеличивается в среднем на 20-25%, с увеличением трещиноватости массивов, скорость термического бурения снижается на 25-30% и процесс может полностью прекратиться в сильно трещиноватых породах.