Масаев Ю.А., Першин В.В. Технология и безопасность взрывных работ в практических задачах

Подождите немного. Документ загружается.

Тема 2. Технология разрушения горных пород бурением

1. Цель работы

Цель работы – изучение закономерностей разрушения гор-

ных пород при различных способах бурения и особенностей при-

меняемого бурового инструмента.

2. Теоретические основы

В настоящее время применяют три основных способа буре-

ния горных пород: вращательный; ударно-поворотный; враща-

тельно-ударный.

2.1. Разрушение горных пород при вращательном бурении

При этом способе бурения бурильная машина сообщает бу-

ровому инструменту вращательное движение, а буровой резец

под действием осевой нагрузки (Р

ос

) и крутящего момента (М

кр

)

(рис. 1.3) срезает стружку по винтовой траектории.

Буровые штанги имеют форму шнека с целью удобства уда-

ления бурового штыба из шпура. Буровые резцы (рис. 1.4) состоят

из корпуса 1, двух перьев 2 и хвостовика, предназначенного для со-

единения резца со штангой.

Рис. 1.3. Кинематическая схема действия бурового инструмента

при вращательном бурении:

1 – бурильная машина; 2 – механизм вращения; 3 – буровая

штанга; 4 – буровой резец

Геометрия резца характеризуется следующими параметра-

ми:

1. Диаметр резца d – расстояние между внешними точками

основных режущих граней перьев.

2. Диаметр рассечки d

– расстояние между внутренними

точками вспомогательных режущих граней перьев.

3. Угол заточки  – угол между передней и задней гранями

резца, величина этого угла составляет 65–90.

4. Задний угол  – угол между плоскостью резания и задней

гранью. Величина заднего угла составляет 10–20.

5. Угол резания  – угол между передней гранью и плоско-

стью резания, он равен сумме углов заточки и заднего:











Положительный передний угол имеют резцы для мягких по-

род, отрицательный – для крепких пород. В геометрии резцов

выполняется равенство



90 .

6. Передний угол  – угол между передней гранью и плоско-

стью, перпендикулярной к плоскости резания. Передний угол

может быть положительным, нулевым и отрицательным.

7. Угол рассечки  – угол между вспомогательными режу-

щими кромками перьев резца.

Рис. 1.4. Общий вид резца:

1 – корпус резца; 2 – перо резца; 3 – хвостовик; d – диаметр

резца; d

– диаметр рассечки;  – угол конусности;  – угол

при вершине резца;  – угол рассечки; Q – основные режущие

кромки; E – вспомогательные режущие кромки

8. Угол конусности корпуса резца  – угол между боковой

поверхностью корпуса резца и линией, параллельной оси резца,

проходящей через внешнюю точку основных режущих кромок.

9. Угол при вершине резца  – угол между основными ре-

жущими кромками.

10. Угол наклона плоскости резания  – угол между плоско-

стью резания и горизонтальной линией:

arctgθ

 ,

где V

– удельная подача бура за 1 оборот; V

– линейная ско-

рость движения резца.

Основными параметрами режима бурения являются частота

вращения резца n и удельная подача бура.

Таблица 1.5

Временное

сопротивление

породы сжатию, МПа

Частота вращения

инструмента, об/мин

Удельная подача

бура, м/об

20–40 500–700 0,003–0,004

40–60 300–500 –

60–80 250–350 0,002–0,003

80–100 150–250 0,0012–0,002

100–120 25–150 0,0008–0,0012

На основании производственных опытов в табл. 1.5 приве-

дены рекомендуемые параметры режима бурения шпуров в зави-

симости от крепости пород.

Разрушение породы резцом при вращательном бурении

происходит путем последовательного скола определенных объе-

мов породы в виде стружки основными и вспомогательными ре-

жущими кромками (рис. 1.5). Форма забоя шпура представлена

на рис. 1.6.

Рис. 1.5. Положение пера резца на плоскости резания:

1 – зона клинового пылевидного ядра; 2 – зона смятия породы;

3 – зона скола породы;  – толщина снимаемой стружки;  – угол

заточки резца;  – угол резания;  – задний угол;  – передний

угол;  – угол наклона плоскости резания; А – передняя грань

пера; В – задняя грань

Рис. 1.6. Форма забоя шпура при вращательном бурении:

1 – часть забоя шпура, разрушаемая основными режущими

кромками перьев резца; 2 – часть забоя шпура, разрушаемая

вспомогательными режущими кромками

Толщина слоя породы, снимаемая одним пером резца, назы-

вается толщиной стружки или глубиной резания.

У породных резцов основная режущая кромка имеет боль-

шую длину, чем вспомогательная кромка, у угольных резцов

большую длину имеет вспомогательная режущая кромка.

Резец, вращаясь вокруг своей оси, надвигается на породу и

сжимает ее своей передней гранью. Порода под режущей кром-

кой дробится на мелкие фракции, где формируется пылевидное

ядро, которое переходит в зону смятия и скола породы. На один

крупный скол может приходиться несколько микросколов. Таким

образом, процесс разрушения горной породы носит циклический

характер.

2.2. Разрушение горной породы при ударно-поворотном бурении

При ударно-поворотном бурении по буровой штанге нано-

сятся с определенной частотой удары ударником буровой маши-

ны (рис. 1.7), а после каждого удара при отскоке бурового инст-

румента от забоя шпура механизм поворота поворачивает буро-

вой инструмент на некоторый (оптимальный) угол поворота .

При данном способе бурения буровые штанги изготавлива-

ют из высоколегированной стали шестигранного или круглого

сечения. Штанги имеют центральный осевой канал для подачи

сжатого воздуха или воды с целью удаления бурового штыба из

шпура.

Буровые коронки имеют резьбовое или конусное соедине-

ние (за счет сил трения) со штангой. Для бурения монолитных

пород применяют буровые коронки долотчатого типа, для буре-

ния трещиноватых пород применяют буровые коронки со слож-

ной конфигурацией режущих граней: Т-образные; Z-образные;

крестовые; прерывистые.

Лезвия коронки (рис. 1.8) армируются пластиной твердого

сплава, угол заточки лезвия коронки составляет для мягких пород

90, для пород средней крепости – 100–110, для крепких пород –

120.

Механизм разрушения породы при ударно-поворотном бу-

рении заключается в следующем. За счет полученной энергии

удара лезвие коронки внедряется в породу на величину . При

этом у лезвия коронки образуется зона тонкого измельчения по-

роды, к этой зоне примыкает зона трещинообразования и скола

(рис. 1.9). Зона скола выходит на поверхность за счет изгиба тре-

щин у поверхности разрушаемой породы. Ширина следа разру-

шения несколько шире лезвия коронки на уровне забоя шпура.

После каждого удара при отскоке инструмент поворачивается на

некоторый угол  и удар повторяется. При следующем ударе ин-

струмент вновь заглубляется в породу. Угол поворота должен

быть таким, чтобы обеспечивалось полное скалывание секторов

между соседними заглублениями инструмента.

Рис. 1.7. Кинематическая схема действия бурового инструмента

при ударно-поворотном бурении:

1 – бурильная машина; 2 – ударный механизм; 3 – механизм

поворота; 4 – буровая штанга; 5 – буровая коронка

Рис. 1.8. Геометрические параметры коронки долотчатого типа:

1 – корпус коронки; 2 – пластинка твердого сплава; 3 – гнездо для

крепления со штангой; 4 – отверстие для промывочной жидкости;

Д – диаметр коронки; L – высота коронки; b – ширина коронки;

R – радиус заточки; l

– высота пластинки твердого сплава;

– ширина пластинки;  – угол заточки;  – угол конусности