Основы разрушения пород при ударном, вращательном и ударно-поворотном бурении

При бурении шпуров и скважин ударным способом энергия поршня бурильной машины, совершающего поступательно-возвратные движения, передается разрушаемой породе через бур или твердосплавный инструмент в течение времени, исчисляемого тысячными долями секунды, и породоразрушающий инструмент в течение этого времени внедряется на некоторую глубину.

За счет энергии, переданной в виде ударного импульса, внедряющееся лезвие бура образует на поверхности забоя шпура лунку. Последующий удар наносится под некоторым углом к предыдущему. При определенных соотношениях энергии удара и угла поворота бурового инструмента происходит скалывание секторов породы между соседними лунками. Разрушенная порода транспортируется из забоя шпура водой или сжатым воздухом.

Механизм и закономерности разрушения породы при вращательном бурении состоят в последовательном периодическом сколе определенных объемов породы в виде стружки.

Скол породы происходит в результате давления определенного объема разрушенной породы перед передней гранью лезвия резца. Последний в период формирования разрушения существенно не продвигается, а усилие на лезвие увеличивается до максимума. Скол происходит в результате усилия, передаваемого от основного объема разрушенной породы. Далее с увеличением осевого давления для определенной породы скорость бурения увеличивается до некоторого предела, при котором дальнейший ее рост замедляется из-за недостаточного удаления продуктов разрушения.

При увеличении скорости вращения скорость бурения сначала увеличивается пропорционально, а затем темп ее роста снижается и возникают вибрации, при которых бурение невозможно.

В крепких породах рациональные значения осевых усилий возрастают, а скорости вращения уменьшаются. Поэтому при вращательном бурении целесообразно применять максимально возможные (в зависимости от технических характеристик сверл) осевые давления, а скорости вращения выбирать из допустимого уровня вибраций при бурении.

Ударно-поворотное бурение шпуров осуществляют пневматическими перфораторами, которые имеют меньшую массу на единицу развиваемой мощности, невелики по размерам и просты в обслуживании. Ими можно бурить шпуры в породах любой крепости как при проведении горных выработок и подземной разработке месторождений, так и при отбойке пород на карьерах небольшой производительности и вторичном дроблении негабарита.

При ударно-поворотном бурении механизм и закономерности разрушения породы состоят в следующем. При ударе поршня по хвостовику бура энергия удара передается по буру в виде волны, распространяющейся по штанге со скоростью 5 км/с.

При внедрении лезвия образуются секции, имеющие форму окружности, разрушенной трещинами на столбики-секторы. Трещины у поверхности забоя изгибаются и образуют зону скола. При внедрении инструмента размеры зон измельченной породы и трещиноватости увеличиваются. Скорость бурения при ударно-поворотном бурении зависит от осевого давления сжатого воздуха, диаметра и глубины буримых шпуров. При увеличении осевого давления скорость бурения достигает максимума за счет подачи энергии от поршня через бур породе, а затем работа перфоратора становится неустойчивой, так как крутящий момент на буре недостаточен для преодоления силы трения его о забой.

При повышении давления воздуха увеличивается сила, действующая на поршень, его скорость и частота ударов, а также скорость бурения, шум и вибрация. Поэтому при бурении шпуров давление сжатого воздуха не должно превышать 490—690 кПа.

При шарошечном бурении разрушение породы и формирование скважины основано на последовательном образовании по всей поверхности забоя лунок скола в результате динамического внедрения зубьев долота в породу и непрерывного удаления продуктов разрушения с помощью нагнетаемого в скважину промывочного агента (бурового раствора или воздушно-водяной смеси).

Режим шарошечного бурения определяется осевым давлением, оказываемым буровым станком на забой, частотой вращения долота и количеством сжатого воздуха или воздушно-водяной смеси, расходуемой на продувку скважин.

Указанные параметры взаимосвязаны, и оптимальное их сочетание зависит от размеров и конструкции долота, характеристик станка и горнотехнических условий бурения.

При увеличении осевого усилия и постоянной частоте вращения увеличиваются глубина внедрения зубьев долота и объем разрушаемой породы. Таким образом, при повышении осевого давления соответственно возрастает скорость бурения. При недостаточном расходе продувного сжатого воздуха скорость бурения замедляется, а после достижения некоторой величины — начинает снижаться. Поэтому для повышения эффективности бурения в различных условиях величины осевого усилия на долото должны составлять от 100 до 300 кН.

Значительное влияние на скорость бурения оказывает частота вращения долота, с увеличением которой растет и скорость. Однако среднее углубление забоя за один оборот долота при этом не увеличивается.

Ограничение частоты вращения вызвано вибрациями бурового станка, которые растут по мере увеличения крепости пород. Частота вращения долота находится в пределах 40—46 сг1. С увеличением крепости пород скорость вращения уменьшается.

Расход сжатого воздуха определяется эффективностью охлаждения долота и интенсивностью удаления буровой мелочи. Для современных станков шарошечного бурения скважин диаметром от 214 до 269 мм рекомендуемый расход воздуха составляет от 20 до 30 м3/мин.

К станкам ударно-поворотного бурения относятся такие, у которых ударный и вращательный механизмы независимы (станки с погружными пневмоударниками), что позволяет создать на коронке большой крутящий момент. Коронка пневмоударника, находясь под большим осевым давлением и непрерывно вращаясь с большим крутящим моментом, срезает лезвием стружку породы. Одновременно под действием поршня-бойка пневмоударника коронка наносит по забою скважины удары, образуя в породе трещины, снижающие сопротивление ее резанию.

В крепких породах возможность резания уменьшается и механизм разрушения приближается к обычному ударному. Коронки для пневмоударного бурения состоят из головной части, армированной твердыми вставками, и хвостовика.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >