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 υх обратно пропорциональны квадратам диаметров коронок d0 и dх 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.