Виды бурения и их технологическая оценка

Бурение скважин и шпуров на карьерах производится специальными породоразрушающими (буровыми) машинами, разделяемыми на две группы:

- механического воздействия на забой скважины (ударное, вращательное и ударно-вращательного бурения);

- физических методов воздействия на забой скважины (термическое, гидравлическое, взрывное бурение и др.).

Ударное бурение осуществляется станками ударно-канатного и шарошечного бурения.

Станки ударно-канатного бурения широко применяли на карьерах для бурения взрывных скважин диаметром 200-300 мм до начала 60-х годов. В настоящее время они полностью заменены более производительными станками шарошечного и пневмоударного бурения и применяются только для бурения водопонизительных и других технологических скважин диаметром 300-600 мм и глубиной 60 м и более, а также для специального бурения при добывании блоков камня.

Пневматические бурильные молотки (ручные и колонковые) применяются для бурения шпуров диаметром 32-40 и 50-75 мм в скальных породах. Ручные иногда, а колонковые всегда используются в сочетании с пневмодержателями, колонками, самоходными каретками.

Станки шарошечного бурения в последние сорок лет получили наиболее широкое распространение (ими производится 70% объема буровых работ) при бурении скважин диаметром 160-320 мм и глубиной до 35 м в породах с Пб>5. Основные их достоинства – высокая производительность (20-150 м/смену), непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации; недостатки – большая масса станков и малая стойкость долот в труднобуримых породах.

Вращательное бурение скважин осуществляется станками шнекового алмазного и дробового бурения. Бурение шпуров в породах с Пб = 1-2, в основном в негабаритных кусках, может, производится электросверлами.

Станки шнекового бурения широко применяются (22% объема буровых работ) для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 125-200 мм и глубиной до 32 м в породах с Пб = 1-5, главным образом на угольных карьерах (уголь, аргиллиты, мягкие известняки) и при разработке непрочных строительных пород (мергель, мягкий известняк и др.). Производительность их 15-120 м/смену. Станки характеризуются простотой эксплуатации, при их работе обеспечивается благоприятные санитарно-гигиенические условия.

Ударно-вращательное бурение станками с погружными пневмоударниками применяются для бурения скважин диаметром 100-200 мм и глубиной до 30 м при разработке строительных горных пород с Пб = 5—20, в гидротехническом строительстве, на рудных карьерах производственной мощностью до 4 млн. м3/год, а также при вспомогательных работах на крупных рудных карьерах (заоткоска бортов, выравнивание подошвы уступов и др.). Эти станки целесообразно применять и при бурении высокоабразивных весьма и исключительно труднобуримых пород с Пб > 20. Производительность их составляет 10-35 м/смену. Затраты на обуривание 1 м3 породы в 1.5-2 раза выше, чем при шарошечном бурении пород при Пб< 15. Буровые станки конструктивно просты; возможно, многошпиндельное бурение. Основные их недостатки: малая стойкость буровых коронок, низкая производительность и большое пылеобразование.

Термическое (огневое) бурение вследствие его избирательности получили распространение при бурении скважин диаметром 250-360 мм и глубиной до 17-22 м главным образом в весьма и исключительно труднобуримых кварцсодержащих породах (Пб = 16-25; Птб > 0.1). Оно может успешно применяться в породах с Пб = 10-15. Хрупкое разрушение пород происходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления термических напряжений, превышающих предел прочности минерального образования.

Возможность термического расширения диаметра заряжаемой части скважины (до 400-500 мм) позволяет сократить объем бурения в сильнотрещиноватых породах за счет увеличения расстояния между скважинами. Производительность в хорошо термобуримых породах достигает 12-15 м/ч. В трудно термобуримых породах этим способом эффективно расширение скважин, пробуренных шарошечными станками.

Станки вибрационного бурения находятся в стадии испытаний; достоинства их – относительно небольшая масса, простой буровой инструмент, возможность бурения скважин в разном направлении, высокая производительность.

Технология бурения обуславливает последовательность выполнения операций для образования скважин. При обуривании блока породного массива в общем случае выполняются следующие операции: установка станка на заданной отметке, непосредственное бурение, наращивание бурового става по мере углубления скважины, разборка бурового става, замена изношенного инструмента, переезд станка к отметке следующей скважины. Бурение скважины является прерывным процессом и включает ряд повторяющихся операций.

Техническая скорость зависит от буримости горной породы, конструкции и типа бурового инструмента, нагрузки на буровой инструмент, частоты вращения его, способа и условий удаления буровой мелочи.

Режим бурения характеризуется величиной развиваемых усилий, частоты ударов и вращения рабочего инструмента и удалением буровой мелочи. Каждый вид бурения характеризуется своими возможностями параметрами режима бурения.

4.3 Технологическая характеристика и режим шнекового бурения

Технология шнекового бурения состоит в образовании взрывных скважин коронками режущего типа (резцами) под воздействием усилия подачи, а также удаления буровой мелочи из забоя обеспечивается шнековыми штангами с ребрами винтовой формы.

Основными технологическими операциями шнекового бурения скважины являются: собственно бурение, наращивание и разборка бурового става, состоящего из отдельных штанг.

Усилие подачи на резец и подача последнего на забой скважины осуществляется как под действием веса вращателя и бурового става ( станок СБР-125), так и принудительно (СБР-160). Ход станка СБР-125 – шагающий, а СБР-160 и СБР-200 – гусеничный.

Резцы имеют лезвия, армированные вставками твердого сплава (ВК6, ВК8, ВК8В и др.). Форму режущих лезвий выбирают в зависимости от буримости пород и диаметра скважин.

При Пб< 2—3 в плотных пластинчатых породах применяют резцы типа «рыбий хвост» (рис. 4.1, а). При Пб = 2-4 эффективнее резцы со сменными зубцами (рис. 4.1, б); режущие элементы легко заменяются, а стойкость резца достигает 1000 м и более. В породах с Пб = 3—5 успешно применяют резцы с прерывистыми лезвиями в виде впаянных (рис. 4.1, в) или сменных (рис. 4.1, г) элементов твердого сплава. Для бурения хрупких и трещиноватых пород (Пб <4) применяют резцы с криволинейными режущими лезвиями (рис. 4.1, д) и иногда кольцевые резцы с двумя режущими элементами (рис. 4.1, е). Использование резцов торцевого резания с передним отрицательным углом (рис. 4.1, ж), требующих больших усилий и частоты вращения позволяет расширить область шнекового бурения и применять его в породах с Пб до 7.

 

При бурении плотных влажных пород шаг спирали шнеков hс = (0.5-0.7)D (D- диаметр шнека), а при бурении сухих полускальных пород hс = (0.85- 1.0) D. Стойкость штанг 1000-4000 м.

Для лучшей очистки скважин от буровой мелочи рекомендуется к спиралям шнека по центральной трубе подавать сжатый воздух с расходом его, равным 0.08 м3/с, при давлении 0.2 МПа (шнеко-пневматическая очистка).

Режим шнекового бурения характеризуется усилиями подачи, частотой вращения бурового инструмента и эффективностью удаления продуктов разрушения.

Зависимость между скоростью бурения Vб и усилием подачи Ро (рис 4.2) характеризуется зонами истирания I, переходной ІІ, объемного разрушения ІІІ и падения скорости ІV. Для пород различной буримости зависимость Vб=ƒ(Ро) в зоне объемного разрушения остается линейной, изменяется лишь угол α. Величина минимального (критического) усилия (кН), при котором начинается объемное разрушение породы.

Ро.кр 5ПбFк,

Где Fк – площадка затупления лезвий резца, см2 (Fк =0.5—3 см2; нижний предел относится к бурению легкими станками пород с Пб =1—2, а верхний – к бурению тяжелыми станками пород с Пб = 3—4).

Скорость бурения зависит также от частоты вращения nв бурового става (рис. 4.2) . Для транспортирования буровой мелочи шнеком необходимо превышение критической частоты вращения nв.кр 1 - 1.2 с-1. Частота вращения и усилие подачи ограничиваются в трещиноватых полускальных породах – необходимостью удаления продуктов резания из скважины. Предельно допустимая частота вращения по интенсивности износа бурового инструмента и транспортирования буровой мелочи из скважины составляет 3.7-4.2 с-1.

 

Рисунок 4.2 Графики зависимости скорости вращательного бурения Vб от усилия подачи Ро и частоты вращения бурового става nв при Пб= 1—4.

Техническая скорость шнекового бурения (м/ч) приближенно может быть определена по формуле

Vб 7.5· 10-2 Ро nв/( П2 бd2р),

Где Ро – усилие подачи, кН; nв- частота вращения бурового става, с-1;dр- диаметр резца, м.

Оптимальный режим бурения определяется так же, как при шарошечном бурении. При увеличении показателя Пб от 1 до 5 усилие подачи на инструмент возрастает с 0.4-0.5 до 4-5 кН на 1 см диаметра резца, а частота вращения снижается до 2 с-1 и менее. У выпускаемых станков шнекового бурения частота вращения бурового става изменяется от 1.5 до 3.7 с-1.