Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы

Подождите немного. Документ загружается.

Исходя из баланса энергии, подведенной к бурильной машине и из-

расходованной на разрушение, механическая скорость бурения

мех

= 240 · η · N / π · d

· F

уд

(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 бу-

ровой машины и снижать удельную энергоемкость разрушения породы F

уд

применяя рациональный способ бурения при оптимальном режиме.

С увеличением глубины бурения механическая скорость несколько

снижается в связи с дополнительными затратами энергии на трение инст-

румента о стенки шпура (скважины), а также в связи с ухудшением условий

очистки забоя от разрушенной породы при бурении горизонтальных и нис-

ходящих шпуров и скважин. В первом приближении зависимость между ме-

ханической скоростью и глубиной бурения можно принять линейной –

с ростом глубины скорость снижается.

При рассмотрении процесса разрушения следует учитывать вол-

новые 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 разру-

шения.

При динамических воздействиях максимальная глубина внедре-

ния инструмента значительно меньше глубины разрушения, посколь-

ку 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 вы-

ступы и кристаллы породы, дробит их на мелкие частицы и тем самым

создает хороший контакт инструмента с породой. Постепенно проис-

ходит нагружение породы под всей рабочей поверхностью инструмен-

та. При его дальнейшем внедрении нормальные напряжения в породе

будут увеличиваться до тех пор, пока их критическое значение не рас-

пространится на слой толщиной, равной среднему размеру кристаллов,

образующих породу.

Рис. 1.2. График изменения усилий

с увеличением глубины внедрения ин-

струмента в породу при малых (1)

и больших (2) скоростях

Рис. 1.3. Схема разрушения породы

при вращательном бурении:

а – внедрение резца в породу и её скол;

б – колебание потребляемой мощности

двигателем вращателя при бурении

Рис. 1.4. Схема разрушения по-

роды при ударном бурении:

1 – зона дробления;

2 – зона скола;

уд

– усилие удара

Рис. 1.5. Схема разрушения пород

при ударно-вращательном (а)

и вращательно-ударном (б) бу-

рении; F – крутящий момент;

P – статическое усилие;

h – углубление внедрения резца

Процесс разрушения породы на забое вращающимся резцом вклю-

чает два повторяющихся цикла: вдавливание режущих лезвий под дейст-

вием осевого усилия Р

ос

с образованием перед ними определённого объ-

ёма тонкоизмельченной породы и скола породы под действием крутяще-

го момента М

кр

в виде стружки перед режущим лезвием (рис. 1.3, а).

В процессе разрушения породы перед передней гранью резца сопротив-

ление 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 поро-

ды. Следующий слой разрушается при новом нагружении породы до

предельного состояния.

Если скорости внедрения инструмента большие, то частицы очеред-

ного разрушенного слоя породы не успевают существенно переместиться в

стороны из-под лезвия инструмента вследствие больших сил трения, возни-

кающих между отдельными частицами. Поэтому сила сопротивления, обу-

словленная деформированием горной породы, практически не изменится

после объемного разрушения её очередного слоя, что подтверждается

плавным характером графика.

В процессе 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 возни-

кают трещины, которые распространяются по пласту, вследствие чего по

краям зоны разрушения происходит откол породы (рис. 1.4).

В зависимости от способа бурения и породоразрушающего инст-

румента 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 клиновид-

ной формы при ударном бурении без учёта механизма разрушения

породы. При внедрении в породу поршня под лезвием инструмента с

определенной поверхностью притупления формируется зона тонкоиз-

мельченной 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, пе-

ремещается поступательно и, вращаясь, разрушает ее по площади забоя

шпура. Резец, пройдя определённый путь до соприкосновения с ненару-

шенным массивом породы, наносит по породе удар. Сопротивление дви-

жению резца резко возрастает, перед режущей гранью образуется раз-

груженный слой, и цикл разрушения повторяется вновь.

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 поверхност-

ного абразивного износа. Скорость бурения в области разрушения

мex

υ hnm

, (1.5)

где h – глубина внедрения резца, м; п – частота вращения, мин

-1

;

т – число лезвий на резце. Глубину внедрения определяют по сле-

дующей зависимости:

ос

cos α cos φ

sin (α 2φ) σ

, (1.6)

где Р

ос

– осевое усилие, Н; σ

– предел прочности породы на вдавлива-

ние, Па; l – длина лезвий резца, м; α – угол заточки инструмента, гра-

дус; 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.

Рис. 1.6. Схема механизма разруше-

ния породы при ударном бурении:

1 – зона дробления; 2 – разрушенный

слой; 3 – зона растрескивания;

4 – зона скола

Рис.1.7. Распределение уси-

лий, действующих на резец

при вращательном бурении:

– осевое усилие;

кр

– крутящий момент

инструмента;

и N

– силы сопротивления

породы внедрению

инструмента;

и F

– силы трения по граням

Оптимальные режимы бурения для конкретных условий работы

устанавливают в основном экспериментально.

При использовании шарошечного долота происходит поступа-

тельное движение его зубка с переменной скоростью (от максималь-

ного 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 разру-

шения 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 коэффи-

циент крепости по шкале профессора М.М. Протодьяконова от 10 до 20

(VIII–XII категории буримости по шкале ЕНВ), преимущественное при-

менение имеют буровые машины ударного действия. Вращательные бу-

ровые 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

бурении горных пород с коэффициентом крепости f = 6…16.

Буровые машины, используемые при проведении буровзрывных ра-

бот, нашли применение на геолого-разведочных работах, при эксплуата-

ционной разведке. Применение высокопроизводительных горнобуровых

машин для проходки разведочных скважин взамен проведения горноразве-

дочных выработок ускорило темпы геолого-разведочных работ при сниже-

нии их стоимости.

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 ша-

рошечного бурения. Применение более производительного бурового обо-

рудования обусловило значительное повышение технико-экономических

показателей, при этом объём работ по проходке горно-разведочных выра-

боток в бассейне уменьшен почти в три раза. В Донбассе для эксплуатаци-

онной разведки успешно применяют реконструированные колонковые

электросверла. Положительная практика внедрения горнобурового обору-

дования при выполнении разведочных работ отмечается и на других ме-

сторождениях

1.1. Ударное бурение

При ударном бурении разрушение горной породы на забое скважины

или шпура происходит за счёт кинетической энергии, развиваемой движу-

щимся элементом машины и передаваемой рабочему инструменту при

ударе. Лезвие ударного бурового инструмента представляет собой симмет-

ричный двусторонний клин.

Наименьшие углы заострения применяют при бурении более мягких

пород, в пределах 80…90°. При увеличении твердости породы угол заост-

рения лезвия увеличивается до 100…120°.

При ударной нагрузке лезвие бурового инструмента погружается в

породу, при этом щеки клина раздвигают породу, разрушая её на отдель-

ные кусочки за счёт деформации сдвига. Непосредственно под острием

лезвия происходит раздавливание породы. При деформации сдвига полу-

чаются сравнительно крупные фракции буровой мелочи. При раздавлива-

нии 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, разру-

шаясь, 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-

вижен, поворот бура производится после удара, обычно при усилии при-

жатия почти равном нулю, поэтому затупление лезвия при ударном спосо-

бе бурения протекает менее интенсивно, чем при других способах бурения.

В отдельных случаях наблюдалось самозаострение лезвия.

Сопротивление горных пород разрушению при ударном бурении ха-

рактеризуется динамической твердостью, которая значительно меньше ста-

тической. 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 буре-

ния, является увеличение мощности буровой машины.

Мощность любой ударной буровой машины прямо пропорциональна

произведению величины кинетической энергии А

, развиваемой ударным

механизмом, на частоту ударов в одну секунду u

, т. е.

N = A

(1.7)

Буровыми машинами ударного действия являются пневматические,

гидравлические и электрические перфораторы (бурильные молотки), стан-

ки ударно-канатного бурения.

На горных работах из ударных буровых машин наибольшее значение

имеют пневматические перфораторы. Станки ударно-канатного и ударно-

штангового бурения находят применение на открытых разработках, посте-

пенно уступая место более производительным станкам термического и ша-

рошечного бурения. Ударно-канатные станки еще применяют при разведке

россыпей благородных и редких металлов, а также при бурении на воду.

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 сжато-

го воздуха. Пневматические перфораторы успешно бурят породы любой

крепости и применяются

при подземной разработке месторождений, а так-

же на буровзрывных работах в любых горно-геологических условиях.

Пневматические перфораторы в зависимости от технико-

эксплуатационных 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-

ет очередной заводской номер. Перфораторостроительные заводы перехо-

дят на серийный выпуск единых моделей, соответствующих утвержденным

стандартам, при максимальной унификации деталей и узлов.

При бурении пневматическими перфораторами применяют вспомо-

гательное установочное оборудование. Ручные перфораторы устанавлива-

ются на пневматических поддерживающих колонках, телескопные перфо-

раторы – на пневматических подающих механизмах (телескопах). Колон-

ковые перфораторы монтируются на подающих механизмах, установлен-

ных на винтовых распорных колонках или манипуляторах буровых каре-

ток, или на ходовой части погрузочных машин. Погружные (забойные)

перфораторы, входящие в скважину, крепятся на колонне штанг, закреп-

ляемой в патроне подающего механизма, установленного на кронштейне

распорной колонки или на буровой каретке.

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 преимущест-

венное распространение.

Независимо от класса и типа все пневматические перфораторы име-

ют 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);

промывочное устройство (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 перфо-

ратора имеется ручка (1) для удерживания машины при работе. При бу-

рении 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 воздухорас-

пределителя. Дальше сжатый воздух клапаном (или золотником) по ка-

налам в корпусе цилиндра направляется в нижнюю (г) или верхнюю (д)

полости цилиндра.

При поступлении сжатого воздуха в полость цилиндра (д) осуществля-

ется ход поршня перфоратора вперёд, при этом поворотный винт поворачи-

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 за-

зоры в шлицевом сопряжении штока поршня с поворотной буксой. При

дальнейшем движении поршень перекрывает выхлопное окно и сжимает

воздух, оставшийся в полости цилиндра (г). Сжимаемый воздух через каналы

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 повора-

чивается вместе с поворотной буксой и буром.

При бурении обязательным условием является постоянная промывка

шпура промывочной жидкостью.

Рис. 1.8. Общий вид пневматического перфоратора

Характеристика работы пневматического перфоратора

Основными показателями, характеризующими технико-эксплу-

атационные качества пневматических перфораторов являются:

мощность, развиваемая перфоратором, кВт N

кинетическая энергия поршня, кДж А

частота ударов поршня в 1 мин u

величина максимального крутящего момента, Н·м М

кр

угол поворота бура после удара, градус β

число оборотов бура в 1 мин п

расход воздуха в 1 мин, м

/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 ра-

боте, как любой машины ударного действия, можно определить

по формуле

75 60

N =

⋅

. (1.8)

Кинетическая энергия поршня

= . (1.9)

Масса поршня т

равна массе поршня G

, делённой на ускоре-

ние g = 9,81 м/с

, т. е.

= . (1.10)

Скорость поршня перед ударом по буру можно рассчитать по

формуле

, м/с, (1.11)

где s –длина хода поршня, м; Р

– сила, движущая поршень при ходе

вперед, Н. Р

= F

Р', где F

– рабочая площадь поршня, см

; Р'– среднее

рабочее давление воздуха в цилиндре, Па·10

Как показали исследования, длина хода поршня перфоратора яв-

ляется величиной, изменяющейся в зависимости от величины давления

сжатого воздуха, от качества и массы бура, а также от физико-

механических свойств буримых пород и условий бурения.