lukyanov-взрывные работы

Исходя из баланса энергии, подведенной к бурильной машине и израсходованной на разрушение, механическая скорость бурения

υмех = 240 · η · N / π · d2 · Fуд

(1.4)

Из формулы (1.4) следует, что для повышения механической скорости бурения нужно увеличивать мощность на единицу сечения скважины N (с учетом ограничений по прочности инструмента), повышать КПД η буровой машины и снижать удельную энергоемкость разрушения породыFуд, применяярациональныйспособбуренияприоптимальномрежиме.

С увеличением глубины бурения механическая скорость несколько снижается в связи с дополнительными затратами энергии на трение инструмента о стенки шпура (скважины), а также в связи с ухудшением условий очистки забоя от разрушенной породы при бурении горизонтальных и нисходящих шпуров и скважин. В первом приближении зависимость между механической скоростью и глубиной бурения можно принять линейной – с ростом глубины скорость снижается.

При рассмотрении процесса разрушения следует учитывать волновые явления при передаче энергии и разрушении породы.

В процессе разрушения время внедрения инструмента на глубину 3…5 мм составляет 200…400 мс. В течение этого времени начальный импульс распространится в породу на 80…160 см при средней скорости распространения волн в породе 4 км/с.

На рис. 1.2 приведён график изменений усилий в зоне разрушения.

При динамических воздействиях максимальная глубина внедрения инструмента значительно меньше глубины разрушения, поскольку в процессе разрушения между породой и инструментом образуется зона разрушенной породы, через которую передается энергия.

При малых скоростях внедрения инструмента картина несколько меняется, поскольку инструмент, внедряясь, разрушает отдельные выступы и кристаллы породы, дробит их на мелкие частицы и тем самым создает хороший контакт инструмента с породой. Постепенно происходит нагружение породы под всей рабочей поверхностью инструмента. При его дальнейшем внедрении нормальные напряжения в породе будут увеличиваться до тех пор, пока их критическое значение не распространится на слой толщиной, равной среднему размеру кристаллов, образующих породу.

11

Рис. 1.2. График изменения усилий	Рис. 1.3. Схема разрушения породы
с увеличением глубины внедрения ин-	при вращательном бурении:
струмента в породу при малых (1)	а – внедрение резца в породу и её скол;
и больших (2) скоростях	б– колебание потребляемой мощности
	двигателем вращателя при бурении

Рис. 1.4. Схема разрушения породы при ударном бурении:

1 – зона дробления;

2 – зона скола; Руд – усилие удара

Рис. 1.5. Схемаразрушенияпород приударно-вращательном(а) и вращательно-ударном (б) бурении; F – крутящий момент; P – статическое усилие;

h – углубление внедрения резца

Процесс разрушения породы на забое вращающимся резцом включает два повторяющихся цикла: вдавливание режущих лезвий под действием осевого усилия Рос с образованием перед ними определённого объёма тонкоизмельченной породы и скола породы под действием крутяще-

12

го момента Мкр в виде стружки перед режущим лезвием (рис. 1.3, а). В процессе разрушения породы перед передней гранью резца сопротивление продвижению лезвия и потребляемая мощность двигателя сверла N увеличиваются до максимума, а после скола породы – снижаются до минимума. Цикличность этого процесса во времени и показана на рис. 1.3, б. Таким образом, происходит объёмное разрушение слоя породы. Следующий слой разрушается при новом нагружении породы до предельного состояния.

Если скорости внедрения инструмента большие, то частицы очередного разрушенного слоя породы не успевают существенно переместиться в стороны из-под лезвия инструмента вследствие больших сил трения, возникающих между отдельными частицами. Поэтому сила сопротивления, обусловленная деформированием горной породы, практически не изменится после объемного разрушения её очередного слоя, что подтверждается плавным характером графика.

Впроцессе динамического внедрения инструмента в породу (рис. 1.4) вначале происходит её разрушение на мелкие частицы, затем при дальнейшем продвижении инструмента вглубь пласта появляются трещины. При дальнейшем внедрении инструмента послойно образуется зона объёмного разрушения. На контакте инструмента с породой возникают трещины, которые распространяются по пласту, вследствие чего по краям зоны разрушения происходит откол породы (рис. 1.4).

Взависимости от способа бурения и породоразрушающего инструмента существуют различные схемы взаимодействия инструмента с породой. На рис. 1.5 приведена схема процесса разрушения породы при ударном бурении. Профессор А.Ф. Суханов рассматривал систему сил сопротивления породы внедрению в неё инструмента клиновидной формы при ударном бурении без учёта механизма разрушения породы. При внедрении в породу поршня под лезвием инструмента с определенной поверхностью притупления формируется зона тонкоизмельченной породы. После завершения разрушения лезвие следует повернуть на такой угол, чтобы при следующем внедрении произошел

скол секторов породы между смежными ударами (см. рис. 1.6). В процессе нескольких ударов разрушается большой объём породы.

При вращательном бурении разрушение горных пород производит резец, который под действием осевого усилия внедряется в породу, перемещается поступательно и, вращаясь, разрушает ее по площади забоя шпура. Резец, пройдя определённый путь до соприкосновения с ненарушенным массивом породы, наносит по породе удар. Сопротивление движению резца резко возрастает, перед режущей гранью образуется разгруженный слой, и цикл разрушения повторяется вновь.

13

Рис. 1.6. Схемамеханизмаразрушенияпородыприударномбурении:

1 – зонадробления; 2 – разрушенный слой; 3 – зонарастрескивания; 4 – зонаскола

Распределение усилий, действующих на резец, показано на рис 1.7. Резец под действием осевого усилия вдавливается в породу на глубину h, преодолевая сопротивление породы вдавливанию. При недостаточном давлении на резец разрушение породы будет иметь характер поверхностного абразивного износа. Скорость бурения в области разрушения

υмex = h n m ,	(1.5)
где h – глубина внедрения резца, м; п – частота вращения,	мин -1;

т – число лезвий на резце. Глубину внедрения определяют по следующей зависимости:

cos αcos2 φ P
ос
h = sin (α+2φ) σвl	,	(1.6)

где Рос – осевое усилие, Н; σв – предел прочности породы на вдавливание, Па; l – длина лезвий резца, м; α – угол заточки инструмента, градус; φ – угол трения, градус (tgφ – коэффициент трения инструмента о породу). С помощью формул 1.5 и 1.6 можно установить влияние режимных факторов на скорость бурения.

14

Рис.1.7. Распределение усилий, действующих на резец при вращательном бурении:

Рoc – осевое усилие; Mкр – крутящий момент инструмента;

N1 и N2 – силы сопротивления породы внедрению инструмента;

F1 и F2 – силы трения по граням

Оптимальные режимы бурения для конкретных условий работы устанавливают в основном экспериментально.

При использовании шарошечного долота происходит поступательное движение его зубка с переменной скоростью (от максимального значения до нуля), а также вращательное движение зубка в процессе внедрения в породу и скольжение его по забою, т. е. движение шарошки подобно движению по плоской поверхности катка с острыми зубьями.

При скольжении по забою, вследствие того, что глубина разрушения породы всегда больше глубины внедрения зубка, последний не производит дополнительного разрушения, а только способствует очистке забоя от продуктов разрушения.

При разработке месторождений полезных ископаемых основными и наиболее распространенными способами бурения взрывных скважин (шпуров) являются ударный, вращательный и ударно-вращательный.

При бурении крепких и весьма крепких пород, имеющих коэффициент крепости по шкале профессора М.М. Протодьяконова от 10 до 20 (VIII–XII категории буримости по шкале ЕНВ), преимущественное применение имеют буровые машины ударного действия. Вращательные буровые машины в зависимости от рабочих качеств породоразрушающих инструментов применяются для бурения горных пород самых различных физико-механических свойств, от самых мягких до самых твёрдых.

Буровые машины ударно-вращательного действия применяются при бурениигорных пород с коэффициентом крепости f = 6…16.

Буровые машины, используемые при проведении буровзрывных работ, нашли применение на геолого-разведочных работах, при эксплуатационной разведке. Применение высокопроизводительных горнобуровых

15

машин для проходки разведочных скважин взамен проведения горноразведочных выработок ускорило темпы геолого-разведочных работ при сниженииихстоимости.

Большие возможности для ускорения разведочных работ даёт метод бескернового бурения с применением каротажа скважин.

На Криворожском бассейне для разведочного бурения используются пневматические колонковые перфораторы, буровые агрегаты и станки шарошечного бурения. Применение более производительного бурового оборудования обусловило значительное повышение технико-экономических показателей, при этом объём работ по проходке горно-разведочных выработок в бассейне уменьшен почти в три раза. В Донбассе для эксплуатационной разведки успешно применяют реконструированные колонковые электросверла. Положительная практика внедрения горнобурового оборудования при выполнении разведочных работ отмечается и на других месторождениях

1.1. Ударное бурение

При ударном бурении разрушение горной породы на забое скважины или шпура происходит за счёт кинетической энергии, развиваемой движущимся элементом машины и передаваемой рабочему инструменту при ударе. Лезвие ударного бурового инструмента представляет собой симметричный двусторонний клин.

Наименьшие углы заострения применяют при бурении более мягких пород, в пределах 80…90°. При увеличении твердости породы угол заострения лезвия увеличивается до 100…120°.

При ударной нагрузке лезвие бурового инструмента погружается в породу, при этом щеки клина раздвигают породу, разрушая её на отдельные кусочки за счёт деформации сдвига. Непосредственно под острием лезвия происходит раздавливание породы. При деформации сдвига получаются сравнительно крупные фракции буровой мелочи. При раздавливании под лезвием бура порода превращается в тонкую пыль. Чем больше степень затупления лезвия, тем на меньшую глубину погружается в породу буровой инструмент и тем меньше объём разрушенной породы. При этом относительное количество крупных фракций уменьшается, а количество тонких фракций увеличивается.

При проникновении лезвия инструмента в породу последняя, разрушаясь, скользит по его щекам, вызывая их износ. Износ тем больше, чем больше трение между щеками лезвия и породой, а также чем абразивнее порода. В момент ударного нагружения буровой инструмент чаще непод-

16

вижен, поворот бура производится после удара, обычно при усилии прижатия почти равном нулю, поэтому затупление лезвия при ударном способе бурения протекает менее интенсивно, чем при других способах бурения. Вотдельныхслучаяхнаблюдалось самозаострение лезвия.

Сопротивление горных пород разрушению при ударном бурении характеризуется динамической твердостью, которая значительно меньше статической. В равных условиях при динамическом характере действующих сил разрушается значительно больший объём породы, чем при статическом характере разрушающих сил.

Главным мероприятием, ведущим к росту скорости ударного бурения, является увеличение мощности буровой машины.

Мощность любой ударной буровой машины прямо пропорциональна произведению величины кинетической энергии Ао, развиваемой ударным механизмом, на частоту ударов в одну секунду us, т. е.

N = A0 us.

(1.7)

Буровыми машинами ударного действия являются пневматические, гидравлические и электрические перфораторы (бурильные молотки), станки ударно-канатногобурения.

На горных работах из ударных буровых машин наибольшее значение имеют пневматические перфораторы. Станки ударно-канатного и ударноштангового бурения находят применение на открытых разработках, постепенно уступая место более производительным станкам термического и шарошечного бурения. Ударно-канатные станки еще применяют при разведке россыпей благородных и редких металлов, а также при бурениинаводу.

1.1.1. Ударно-перфораторное бурение

Пневматические перфораторы по сравнению с другими буровыми машинами обладают наиболее высокими эксплуатационными качествами. Они имеют наименьшую относительную массу на единицу развиваемой мощности и небольшую общую массу, невелики по габаритам, легко и просто обслуживаются и работают на безопасной энергии – энергии сжатого воздуха. Пневматические перфораторы успешно бурят породы любой крепости и применяются при подземной разработке месторождений, а также на буровзрывных работах в любых горно-геологических условиях.

Пневматические перфораторы в зависимости от техникоэксплуатационных данных делят на четыре класса – ручные, телескопные, колонковые и погружные. Каждый класс делится на типы, определяемые массой и мощностью перфоратора. Отдельные конструкции (модели) перфораторов имеют марку или индекс, каждая выпускаемая машина име-

17

ет очередной заводской номер. Перфораторостроительные заводы переходятнасерийныйвыпуск единых моделей, соответствующих утвержденным стандартам, при максимальной унификациидеталейиузлов.

При бурении пневматическими перфораторами применяют вспомогательное установочное оборудование. Ручные перфораторы устанавливаются на пневматических поддерживающих колонках, телескопные перфораторы – на пневматических подающих механизмах (телескопах). Колонковые перфораторы монтируются на подающих механизмах, установленных на винтовых распорных колонках или манипуляторах буровых кареток, или на ходовой части погрузочных машин. Погружные (забойные) перфораторы, входящие в скважину, крепятся на колонне штанг, закрепляемой в патроне подающего механизма, установленного на кронштейне распорнойколонкиилинабуровойкаретке.

1.1.2. Конструкция пневматического перфоратора

При конструировании пневматических перфораторов принимаются за основу две кинематические схемы: перфоратор с поворотным винтом и без поворотного винта. Первый вариант кинематики имеет преимущественное распространение.

Независимо от класса и типа все пневматические перфораторы имеют следующие основные узлы (рис. 1.8): ударно-поворотный механизм (12), который наносит удары по хвостовику бура (13) и поворачивает его; воздушный пусковой кран (10); воздухораспределительное устройство (11); промывочноеустройство(9); буродержатель(8); масленку перфоратора(6).

Если снять стяжные болты (3), то перфоратор распадается на три части: головку (2), цилиндр (4) и патрон (7). Выхлопное окно цилиндра е иногда имеет кран (5) для прямой продувки шпура. В головке перфоратора имеется ручка (1) для удерживания машины при работе. При бурении на патрубок воздуховпускного крана крепится шланг, питающий перфоратор сжатым воздухом, а на штуцер промывочного устройства – шланг, подводящий воду.

Сжатый воздух через полость в пробке пускового крана (10) по каналу а в головке (2) и дальше по каналу б в корпусе храпового кольца попадает в кольцевое пространство (в), имеющееся внутри воздухораспределителя. Дальше сжатый воздух клапаном (или золотником) по каналам в корпусе цилиндра направляется в нижнюю (г) или верхнюю (д) полости цилиндра.

Припоступлении сжатого воздухавполостьцилиндра(д) осуществляется ход поршня перфоратора вперёд, при этом поворотный винт поворачи-

18

вается на некоторый угол. В конце хода поршень наносит удар по торцевой плоскости хвостовика бура. При движении поршня вперед, в начале хода воздух из полости (г) выходит в атмосферу через выхлопное окно и через зазоры в шлицевом сопряжении штока поршня с поворотной буксой. При дальнейшем движении поршень перекрывает выхлопное окно и сжимает воздух, оставшийсявполостицилиндра(г). Сжимаемыйвоздухчерезканалы в теле цилиндра устремляется в воздухораспределитель и перебрасывает клапан в положение, при котором сжатый воздух направляется в нижнюю полость цилиндра. В этом случае произойдет ход поршня назад. При этом ходе поворотный винт стопорится храповым механизмом и поршень поворачиваетсявместесповоротнойбуксойибуром.

При бурении обязательным условием является постоянная промывка шпура промывочнойжидкостью.

Рис. 1.8. Общий вид пневматического перфоратора

19

Характеристика работы пневматического перфоратора

Основными показателями, характеризующими технико-эксплу-

атационные качества пневматических перфораторов являются:	N
мощность, развиваемая перфоратором, кВт
кинетическая энергия поршня, кДж	Ао
частота ударов поршня в 1 мин	u
величина максимального крутящего момента, Н·м	Мкр
угол поворота бура после удара, градус	β
число оборотов бура в 1 мин	п
расход воздуха в 1 мин, м3/мин	Q
отдача перфоратора и соответствующее ей усилие подачи, кН	С
уровень шума перфоратора при работе, дБ	J
коэффициент использования перфоратора	η
себестоимость единицы бурения, руб	S

Мощность, развиваемую пневматическим перфоратором при работе, как любой машины ударного действия, можно определить по формуле

N =	A0 u	.	(1.8)
	75 60

Кинетическая энергия поршня

		m υ2
A	=	1 1	.	(1.9)
0		2

Масса поршня т1 равна массе поршня Gs, делённой на ускоре-

ние g = 9,81 м/с2, т. е.

m1	=	Gs	.	(1.10)
		g

Скорость поршня перед ударом по буру можно рассчитать по формуле

υ1 = 2sP1 , м/с,

(1.11)

m1

где s –длина хода поршня, м; Р1 – сила, движущая поршень при ходе вперед, Н. Р1 = F1 Р', где F1 – рабочая площадь поршня, см2; Р'– среднее рабочее давление воздуха в цилиндре, Па·105.

Как показали исследования, длина хода поршня перфоратора является величиной, изменяющейся в зависимости от величины давления сжатого воздуха, от качества и массы бура, а также от физикомеханических свойств буримых пород и условий бурения.

20