Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ
Посмотреть оригинал

БУРОВЫЕ РАБОТЫ

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН (шпуров)

Для обеспечения эффективности взрывной отбойки пород заряды ВВ необходимо размещать внутри массива горных пород в искусственно создаваемых полостях (зарядные камеры).

В качестве зарядных камер используют в основном скважины различных размеров. При диаметре скважин до 75 мм и глубине до 5 м их называют шпурами, при более значительных размерах - взрывными скважинами (относительно редко ВВ размещают непосредственно в специальных горных выработках, называемых минными).

Определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву, называют зарядом ВВ. В зависимости от типа взрывных камер различают методы отбойки пород зарядами, которые расположены в шпурах (шпуровые заряды), во взрывных скважинах (скважинные заряды) и в минных выработках (камерные заряды).

При проведении разведочных выработок почти во всех случаях порода отбивается шпуровыми зарядами. Область распространения отбойки скважинными зарядами при разведке месторождений ограничивается проведением в некоторых случаях открытых и иногда подземных горных выработок. Отбойку пород, выполняемую взрыванием камерных зарядов, используют только на горных предприятиях (при разведке месторождений она практически не применяется).

Таким образом, при горно-разведочных работах взрывной отбойке предшествует в основном бурение шпуров.

При бурении происходят последовательные разрушения поверхности забоя шпура или скважины и извлечение продуктов разрушения на поверхность. Рассматриваемый процесс состоит из следующих основных операций: подготовка и установка бурильной машины, бурение с очисткой скважины от продуктов разрушения, наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборки после окончания работ, смена изношенного бурового инструмента.

По характеру разрушающего воздействия способы бурения шпуров и скважин можно разделить на механические, немеханические (физико-химические) и комбинированные (рис. 1.1).

В условиях геологоразведочных работ породу при бурении разрушают с помощью передачи на забой через буровой инструмент механических нагрузок, т. е. механическими способами. При таких способах бурения на забой передают сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформируются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда эти напряжения превышают предел прочности, порода на забое разрушается. В табл. 1.1 приведены области применения способов бурения в зависимости от крепости горных пород. В крепких породах применяют ударные способы бурения. В мягких породах эффективнее применять способы, в которых преобладает резание.

Важной операцией при бурении является удаление шлама из шпура (скважины), которое осуществляется водой, воздушной струёй или механически.

Различают колонковое бурение с отбором керна, когда по периферии сечения забоя выбуривается кольцевое углубление, а центральная неразрушенная часть породы (керн) извлекается с помощью специальных керно- подъёмников на поверхность, и бурение сплошным забоем, когда буровой инструмент разрушает всю площадь забоя.

По способу удаления продуктов разрушения с забоя различают периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов) и непрерывную очистку. Последняя осуществляется механически с помощью витых штанг и шнеков (при вращательном бурении) и циркулирующим жидким аэрированным или газообразным агентом (при вращательном и ударном бурении).

По способу подачи промывочного агента к забою различают прямую очистку, при которой агент движется внутри бурового става, омывает забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по за- трубному пространству на поверхность, и обратную очистку, при которой промывочный агент подается по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность.

Рис. 1.1. Классификация способов бурения шпуров и скважин

Области применения различных способов бурения

Таблица 1.1

Способ

бурения

Инструмент

Буровое оборудование

Диаметр шпура или скважины, мм

Коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Подземные работы

Вращательный

Твердосплавные

резцы

Свёрла, станки СБВ

40...50

<8

Шарошечные

долота

Станки СБШ

110...150

<6

Вращагельно-

ударный

Твердосплавные

коронки

Бурильные установки БУ

42...52

8...14

Твердосплавные

коронки

Станки СБУ с пневмоударниками

60...85

6...20

Ударно

вращательный

Станки СБУ с иофужными пневмоударниками

85...105

6...20

Ударный

Перфораторы

36...60

4...20

Открытые работы

Вращательный

Твердосплавные

резцы

Станки СБР

125...160

2...6

п

Шарошечные

долота

Станки СБШ

145...320

6...18

Ударно

поворотный

Твердосплавные

коронки

Станки СБУ

105...200

10...18

Ударный

Стальные долота

Станки СБК

320

10...18

Термический

-

Станки СБО

180...250

14...20

По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное (с помощью электрической, пневматической и гидравлической энергии), когда все процессы бурения выполняются с применением различных механизмов для разрушения горной породы и транспортировки продуктов разрушения на поверхность.

Бурение скважин и шпуров осуществляется разнообразными бурильными молотками, буровыми станками и установками, которые характеризуются разными принципами воздействия бурового инструмента на забой и очистки скважин или шпуров при бурении от продуктов разрушения.

Производительность бурильной машины характеризуют числом метров скважин, пробуренных машиной за рабочую смену. Время (мин) на бурение 1 м скважины

где Тпъ - продолжительность подготовительно-заключительных операций (прием и сдача смены, приведение забоя в безопасное состояние и др.), отнесенная к 1 м скважины (шпура), мин; Т0 - продолжительность основной операции - бурение 1 м скважины, мин; Тв с - продолжительность вспомогательных операций, отнесенная к 1 м скважины (шпура), мин; Гр.п - продолжительность регламентированных перерывов (отдых и др.), мин.

Сменная производительность (м/смену) бурильной машины по бурению

где Тсм - продолжительность рабочей смены, ч.

Как видно из формул (1.1) и (1.2), производительность буровых машин повышается при уменьшении времени на подготовительно- заключительные и вспомогательные операции, которые в общем балансе времени составляют иногда значительную долю. Продолжительность подготовительно-заключительных операций можно уменьшить, например, вследствие сокращения времени на подготовку к бурению путём автоматизации управления буровыми машинами и установки их на самоходные платформы. Вспомогательное время в основном складывается из времени на наращивание става штанг, смену инструмента и спуско-подъемные операции, вызываемые необходимостью смены инструмента.

Механическая скорость бурения цмсх (м/мин) выражается длиной скважины, пробуренной в единицу чистого времени бурения:

Механическая скорость бурения зависит от свойств горных пород, конструкции инструмента, некоторых энергетических и режимных параметров буровых машин.

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

Из формулы (1.4) следует, что для повышения механической скорости бурения нужно увеличивать мощность на единицу сечения скважины N (с учетом шраничений по прочности инструмента), повышать КПД р буровой машины и снижать удельную энергоемкость разрушения породы Fy;l, применяя рациональный способ бурения при оптимальном режиме.

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 передастся 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.

График изменения усилий с увеличением глубины внедрения инструмента в породу при малых (1) и больших (2) скоростях

Рис. 1.2. График изменения усилий с увеличением глубины внедрения инструмента в породу при малых (1) и больших (2) скоростях

Схема разрушения породы при вращательном бурении

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

Схема разрушения породы при ударном бурении

Рис. 1.4. Схема разрушения породы при ударном бурении: 1 - зона дробления:

2 - зона скола;

Ру д -усилие удара

Рис. 1.5. Схема разрушения пород при ударно-вращательном (а) и вращательно-ударном (б) бурении: F - крутящий момент;

Р - статическое усилие;

И -углубление внедрения резца

Процесс разрушения породы па забое вращающимся резцом включает два повторяющихся цикла: вдавливание режущих лезвий под действием осевого усилия Рос с образованием перед ними определённого объёма тонкоизмельченной породы и скол породы под действием крутящего момента Л/кр 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 объемное 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.

В процессе динамического внедрения инструмента в породу (рис. 1.4) вначале происходит се 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).

В зависимости 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 гонкоиз- 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, 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 разбуженный слой, и цикл разрушения повторяется вновь.

Рис. 1.6. Схема механизма разрушения породы при ударном бурении:

  • 1 - зона дробления: 2 - разрушенный слой: 2 - зона растрескивания;
  • 4 - зона скола

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

где h - глубина внедрения резца, м; п - частота вращения, мин-1; т - число лезвий на резце. Глубину внедрения определяют по следующей зависимости:

где Рж - осевое усилие, Н; ов - предел прочности породы на вдавливание, Па; / - длина лезвий резца, м; а - угол заточки инструмента, градус; Ф - угол трения, градус (tgcp - коэффициент трения инструмента о породу). С помощью формул (1.5) и (1.6) можно установить влияние режимных факторов на скорость бурения.

Рис. 1.7. Распределение усилий, действующих на резец при вращательном бурении: Рос - осевое усилие;

Мкр - крутящий момент инструмента;

N и N2 — силы сопротивления породы внедрению инструмента;

Ft и /*2 - 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 бурении горных пород с коэффициентом крепости/= 6... 16.

Буровые машины, используемые при проведении буровзрывных работ, нашли применение на геологоразведочных работах - при эксплуатационной разведке. Применение высокопроизводительных горнобуровых машин для проходки разведочных скважин взамен проведения горно-разведочных выработок ускорило темпы геологоразведочных работ при снижении 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 шарошечного бурения. Применение более производительного бурового оборудования обусловило значительное повышение техникоэкономических показателей, при этом объём работ по проходке горноразведочных выработок в бассейне уменьшен почти в три раза. В Донбассе для эксплуатационной разведки успешно применяют реконструированные колонковые электросверла. Положительная практика внедрения горно-бурового оборудования при выполнении разведочных работ отмечается и на других месторождениях.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы