6

Лекция 2 Способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин

Лекция 2 способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин

1. Механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок

2. Немеханических способов бурения

1. Механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок

Основной способ проведения горноразведочных выработок – буровзрывной. Взрывчатые вещества при этом размещают в специально пробуренных шпурах и реже – в скважинах. Нередко шпуры и скважины при проведении выработок используют и для других целей, например для размещения в них элементов горной крепи, установки контрольно-измерительных приборов, при прокладке энергокоммуникаций, вентиляционных трубопроводов и т. д.

Шпур – это цилиндрическая полость в горной породе, имеющая диаметр до 75 мм и глубину до 5 м. Если один или оба размера полости превышают указанные для шпура, то такую полость называют скважиной. Естественно, граница между двумя этими понятиями в определенной мере условна. Дно шпура называют забоем, а место выхода на поверхность породы – устьем.

Бурение шпуров при проведении выработок по крепким породам – одна из самых трудоемких операций, на которую приходится 25–40% общих трудовых затрат и до 60% стоимости проходческих работ.

Как технологический процесс бурение шпуров представляет собой соединенные в неразрывное целое последовательное разрушение породы на забое шпура и удаление из него продуктов разрушения.

Все способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин делят на механические и немеханические. Соответственно различают механические и немеханические способы бурения. Последние промышленного использования не получили.

На практике применяют следующие механические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок: 1) вращательный, 2) ударно-поворотный, 3) ударно-вращательный, 4) вращательно-ударкый и 5) шарошечный.

1) При вращательном бурении порода разрушается под действием осевой нагрузки и вращающего момента, передаваемого бурильной машиной нородоразрушающему инструменту в виде резцов или шарошечных долот.

При использовании резцов осевая нагрузка должна превышать сопротивление породы внедрению режущих лезвий, а вращающий момент – сопротивление сколу (сдвигу) участков породы, прилегающих к передним режущим граням резца. В результате непрерывного вращения под действием момента М_вр и поступательного перемещения под действием осевой нагрузки, или усилия подачи, Р_ос все точки породоразрушающего инструмента в пространстве движутся по винтовой траектории.

При вращательном бурении порода разрушается в одном из трех режимов: 1) усталостном, 2) поверхностном и 3) объемном. Режим разрушения зависит от соотношения между величиной осевой нагрузки и прочностью породы на вдавливание. Условия разрушения для всех трех режимов могут быть записаны следующим образом: I. ‑усталостное; II. ‑ поверхностное III. ‑ объемное, где –предел прочности породы на вдавливание; – площадь контакта инструмента с породой; – коэффициент пропорциональности.

Наиболее целесообразно вращательное бурение вести в режиме объемного разрушения. Для этого необходимо, чтобы удельное осевое усилие () было больше предела прочности на вдавливание. На практике, когда осевая нагрузка у конкретной бурильной машины – величина ограниченная, объемное разрушение вследствие износа породоразрушающего инструмента и увеличения торцевой площади контакта его с породой может переходить в поверхностное истирание, которое, не говоря уже об усталостном режиме, не эффективно. Таким образом, чем выше прочность породы, тем большим должно быть и осевое усилие. Это предопределяет очень жесткие требования к прочности породоразрушающего инструмента.

На рис. 2.1 приведена принципиальная схема взаимодействия лезвия резца с породой при вращательном бурении. Внедрению резца в породу будет препятствовать сопротивление породы – силы и соответственно на задней и передней гранях резца. Кроме того, на этих же гранях будут возникать силы трения и . Проектируя систему сил на горизонтальную и вертикальную оси, можно получить решение, связывающее осевое усилие и глубину внедрения :

(2.1)

где – длина лезвия; – угол заточки резца; – угол трения породы по материалу резца (=15-27°).

Выражение (2.1) позволяет при известном значении осевого усилия рассчитать величину углубления лезвия за один оборот инструмента и, следовательно, механическую скорость бурения:

(2.2)

где – число резцов; – частота вращения породоразрушающего инструмента, c^-I.

Область рационального применения вращательного способа бурения – малоабразивные породы с коэффициентом крепости . В более крепких породах даже армированный твердым сплавом породоразрушающий инструмент довольно быстро изнашивается.

К достоинствам вращательного способа бурения относятся непрерывность процесса разрушения породы и возможность обеспечения высокой производительности; невысокие удельные энергозатраты; низкая степень запыленности рабочей зоны; отсутствие опасной вибрации бурильной машины в процессе работы. Недостаток способа – ограниченная по крепости пород область применения.

2) При ударно-поворотном бурении инструмент клиновидной или иной формы внедряется в породу на забое шпура под действием значительной по величине, но кратковременной динамической нагрузки, направленной по оси инструмента. Осевое усилие обеспечивает в момент удара только контакт инструмента с породой, поэтому оно невелико. После каждого удара вследствие упругости инструмента и породы, а также незначительного осевого усилия инструмент отскакивает от забоя и специальным механизмом бурильной машины поворачивается на некоторый угол, обычно не превышающий 10–20°. Тем самым обеспечивается обработка забоя по всей площади. Образующуюся породную мелочь удаляют из шпура водой или сжатым воздухом.

Динамический процесс внедрения инструмента в породу можно представить следующим образом. На начальной стадии внедрения инструмента под лезвием 1 (рис. 2.2) формируется зона 2, в объеме которой порода находится в тонкоизмельченном состоянии. За пределами этой зоны образуется зона трещиноватости, в которой криволинейными трещинами порода разбита на неправильной формы отдельности 3. У свободной поверхности зона трещиноватости проявляется в форме скола отдельных элементов. Толщина зоны трещинообразования и размеры зоны скола определяются свойствами породы, энергией удара, скоростью приложения нагрузки, размерами и формой породоразрушающего инструмента.

При разрушении каждого следующего слоя породы используют эффект частичной разгрузки, т. е. ослабления породы в процессе разрушения предыдущего слоя.

Приближенно скорость бурения (м/с) при ударно-поворотном способе можно рассчитать по формуле

(2.3)

где – энергия единичного удара, Дж; – частота ударов, с-¹; – угол заострения лезвия коронки, град.; – диаметр коронки, м; – предел прочности породы на сжатие, Па; – коэффициент трения стали о породу (=0,3–0,5).

3) При ударно-вращательном бурении, как и при ударно-поворотном, породоразрушающий инструмент углубляется в породу только под динамическим воздействием, т. е. в момент удара. Вращение же бурового инструмента осуществляется непрерывно от самостоятельного, работающего независимо от ударного механизма, двигателя. При этом инструмент и после удара по нему остается прижатым к забою статическим усилием, составляющим 0,5–1,0 кН на 1 см длины лезвия инструмента.

Ударно-вращательное бурение, как и ударно-поворотное, применяют в породах с коэффициентом крепости .

4) Вращательно-ударное бурение отличается от ударно-вращательного тем, что буровой инструмент внедряется в породу не только в момент удара, но и в промежутках между ударами под действием значительного статического осевого усилия, достигающего 1,5–2,0 кН на 1 см длины лезвия бурового инструмента. Этот способ бурения применяют в породах с . В более крепких породах осевой нагрузки, создаваемой вращательно-ударными машинами, недостаточно для статического внедрения инструмента в породу и использования эффекта резания, поэтому процесс разрушения переходит в режим ударно-вращательного.

С целью уменьшения абразивного износа инструмента осевую нагрузку в этом случае необходимо уменьшить до значений, соответствующих осевой нагрузке ударно-вращательных машин.

5) При шарошечном бурении порода разрушается вследствие перемещения по забою шарошек – тел в виде конуса, цилиндра, сферы, диска, оснащенных зубьями или штырями. При чистом (без скольжения) качении шарошек порода разрушается, как при ударном бурении, правда, с весьма существенным увеличением роли статической осевой нагрузки. Все осевое усилие передается на породу соседними зубцами (рис. 2.3) и частично корпусом шарошки через продукты разрушения. По мере перехода зубца или штыря в вертикальное положение на него будет действовать возрастающая сила, а воздействие на соседние зубцы будет соответственно уменьшаться, и они прекратят разрушать породу. При бурении шарошечными долотами со скольжением шарошек порода разрушается, как и при вращательно-ударном бурении.

Средняя толщина разрушаемого слоя и скорость шарошечного бурения зависят от многих факторов, в том числе предела прочности породы на сжатие, модуля упругости породы, величины осевого усилия, конструктивных параметров инструмента и частоты его вращения.