Общие вопросы организации ведения взрывных работ

Для оценки чувствительности ВВ производят испытания: на удар, трение, нагревание (в том числе на действие открытого пламени), на воздействие ударной воздушной волны (передача детонации на расстояние), на воздействие детонатора.

Чувствительность к инициированию принято оценивать минимальным зарядом, который необходим для возбуждения детонации ВВ.

Чувствительность ВВ к удару определяется на специальных копрах. На навеску ВВ, заключенную между двумя металлическими поверхностями, сбрасывают груз определенной массы. При испытании инициирующих ВВ используют рычажный копер.

Для испытания бризантных ВВ применяют вертикальные копры при высоте падения груза до 3 м. В качестве критерия чувствительности принимается процент взрывов из 25, 50 или 100 испытаний или при сбрасывании груза массой 10 кг с высоты 25 см.

Иногда определяют максимальную высоту сбрасывания ударника массой 2 кг, при которой не происходит ни одного взрыва, и минимальную высоту, при которой взрыв навески происходит при каждом сбрасывании.

На чувствительность к трению ВВ испытывают с помощью маятника трения или путем растирания навески в фарфоровой ступке. На трение (на скользящий удар) ВВ испытывают путем сдвига навески ВВ боковым ударом ролика, прижатого с определенной силой к поверхности ВВ.

Чувствительность ВВ к механическим воздействиям (к удару, трению и т.д.) резко повышается при засорении его песком, мелкими частицами породы и другими твердыми примесями. Чувствительность к удару и трению имеет большое значение при оценке степени безопасности данного ВВ.

Чувствительность ВВ к тепловому импульсу определяется температурой вспышки. Температурой вспышки называют ту температуру (с точностью до 5°С), ниже которой при выдержке навески ВВ в течение 5 мин в термостате вспышка не происходит.

СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН

Классификация и общая характеристика способов бурения

Процесс бурения состоит из разрушения породы на забое шпура (скважины) буровым инструментом и удаления продуктов разрушения (буровой мелочи) из него.

При всех способах бурения выполняются следующие основные операции: подготовка и установка бурильной машины для начала работ, бурение (разрушение породы) с очисткой забоя скважины от продуктов разрушения, наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборка после окончания работ, смена изношенного бурового инструмента и передвижение машины на новую точку бурения шпура или скважины.

В настоящее время применяются вращательный, ударно-поворотный, ударно-вращательный и вращательно-ударный способы бурения шпуров и скважин (механические способы бурения), а также огневое и комбинированное бурение. Исследуется эффективность применения энергии ВВ при взрывном бурении скважин, а также высоковольтных электрических разрядов при электроимпульсном бурении.

При вращательном бурении инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины и одновременно с определенным усилием подается на забой. Величина усилия задается из условия превышения предела прочности породы на вдавливание на площади контакта режущих лезвий инструмента с породой. При этом происходит последовательное разрушение от вдавливания и скалывание частиц породы с забоя. Продукты разрушения удаляют с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин), промывкой забоя водой или продувкой воздухом.

На горных предприятиях применяют: вращательное бурение шпуров резцами с помощью ручных и колонковых сверл; вращательное (шнековое) бурение скважин резцами и алмазным инструментом с помощью буровых станков.

При ударном способе бурения инструмент (долото или коронка) наносит удар по забою и разрушает породу под лезвием. После каждого удара инструмент поворачивается на некоторый угол, чем обеспечивается последовательное разрушение всей площади забоя и получение круглого сечения шпура или скважины.

При ударно-поворотном бурении обычным и погружными бурильными молотками (перфораторами) инструмент поворачивается прерывисто только в промежутках между ударами вмонтированным в молоток поворотным устройством. В некоторых конструкциях бурильных молотков поворот инструмента происходит в период нанесения удара поршнем по инструменту.

При ударно-вращательном бурении погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вращением удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту. Разрушение породы при этих способах бурения происходит только в результате внедрения буровой коронки при ударах.

При вращательно-ударном бурении удары наносятся по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту. Разрушение происходит как в результате внедрения инструмента при ударах, так и вследствие скола породы при вращении инструмента.

Бурение шарошечными долотами выполняется как при ударном способе долотами чистого качения и при вращательно-ударном - долотами со скольжением, в которых зубцы, наряду с перекатыванием по забою, срезают породу скользящим движением вдоль поверхности забоя.

При огневом бурении разрушение породы на забое скважин происходит за счет термонапряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности породы потоками раскаленных газов (2000°С), вылетающих из сопел горелки со сверхзвуковой скоростью (2000 м/с и более).

При взрывном бурении разрушение породы на забое скважин происходит последовательными взрывами небольших зарядов ВВ. Известны два метода взрывного бурения: патронный - с помощью патронов жидких или твердых ВВ, взрывающихся на забое от удара или детонатора, и струйный, при котором через бур на забой подаются жидкие компоненты ВВ (горючее и окислитель) и происходит формирование жидкого плоского заряда. Взрыв этого заряда вызывается впрыскиванием капли инициирующего состава (эвтектического сплава калия и натрия).

При электроимпульсном бурении разрушение пород на забое скважины происходит вследствие электрического пробоя его участка высоковольтным (до 200 кВ) разрядом. Мгновенно выделяемая энергия в канале пробоя разрушает породу, которую с забоя удаляют потоком диэлектрика, циркулирующего в скважине (соляровое масло, вода и т.п.).

Разрабатываются комбинированные способы бурения, в которых происходит совместное воздействие на забой ударного инструмента и шарошки (ударно-шарошечный способ), резцов и шарошек (режуще-шарошечный способ), шарошек и огневой горелки (термо-шарошечный способ), огневой горелки и ударного инструмента (термоударный способ).

Способы бурения шпуров

Шпуры бурят вращательным способом с помощью ручных и колонковых сверл, ударно-поворотным и ударно-вращательным способами с помощью бурильных молотков соответственно с зависимым и независимым вращением бурового инструмента, вращательно-ударным способом специальными бурильными машинами, установленными на каретках. В 50-x годах применялось бурение алмазным инструментом с использованием легких станков, однако из-за дефицита алмазов и низкой эффективности бурения оно было заменено ударным.

Вращательное бурение шпуров диаметром до 50 мм и глубиной до 5 м выполняется сверлами в породах ниже средней (до 7) крепости. В этих породах сверла обеспечивают большую производительность, чем машины ударного действия, создают значительно меньший шум, меньшую запыленность воздуха. По роду потребляемой энергии они делятся на пневматические, электрические и гидравлические, а по мощности и способу установки - на ручные и колонковые.

Ручные сверла массой до 24 кг предназначены для бурения шнуров диаметром до 50 мм и глубиной до 4 м в мягких породах с крепостью до 2 при осевом усилии до 300 Н и оборудованы двигателем мощностью от 1 до 1,4 кВт. Имеются ручные сверла с принудительной подачей для создания больших осевых усилий на забой, что позволяет бурить более крепкие породы с крепостью до 4. Сверление выполняется с руки или с легкой распорной колонки.

Ручные электросверла ЭР-14Д-2М, ЭР-18Д-2М, СЭР-19-2М принципиально выполнены одинаково и отличаются только некоторыми параметрами. В них имеется электродвигатель, вращающий патрон шпинделя (через понижающий редуктор), в который вставляется буровая штанга с резцом.

В ручных сверлах ЭРП-18Д-2М для принудительной подачи служит специальный механизм, который находится на корпусе редуктора и состоит из червячной пары и барабана, с тросиком, закрепляемым на забое. Это позволяет при натяжении тросика червячной парой развивать осевое усилие на инструмент до 300 H.

Ручные пневмосверла применяют в особо опасных по взрыву газа или пыли условиях угольных шахт для бурения угля и породы с f<2. Пневмодвигатель с понижающим редуктором вращает патрон с буровым инструментом.

Колонковые сверла массой 100-120 кг с двигателем мощностью 2,5-5 кВт применяются при сверлении шпуров диаметром до 50 мм, глубиной до 5 м в породах с f<6-7. Колонковое сверло для работы устанавливают на колонках, манипуляторах или буровых каретках. Различают: ЭР - электросверло ручное; СЭР - сверло электрическое ручное; СР - сверло ручное (пневматическое); ЭБГ - электробур с гидроподачей.

Буровой инструмент. Для вращательного бурения шнуров применяют угольные и породные резцы с лезвиями, армированными пластинками твердого сплава. Витые штанги для вращательного бурения шпуров изготовляют из сталей ромбического, прямоугольного или круглого сечений. Для бурения с промывкой применяют шестигранные или круглые штанги с осевым каналом диаметром 6-8 мм, в который подается вода через муфту для боковой промывки, одеваемую на штангу.

Ударное бурение шпуров производится бурильными молотками, которые различаются: по частоте ударов - на обычные с числом ударов в минуту до 2000, и высокочастотные, с числом ударов более 2000; по принципу вращения бура - с зависимым и независимым вращением; по способу применения - на ручные (ПР) или переносные (ПП), колонковые (ПК, КС) и телескопные (ПТ); по массе - на легкие (до 18 кг), средние (20-25 кг) и тяжелые (более 30 кг); по способу очистки шпура - с встроенной, центральной и с боковой промывкой, с отсосом пыли от забоя; по типу рабочего агента - на пневматические, гидравлические и электрические.

Пневматические бурильные молотки работают на сжатом воздухе под давлением (5-6)*105 Па и предназначены для бурения шпуров и скважин любого направления диаметром 28-85 мм и глубиной 4-25 м в породах любой крепости.

Ручные переносные и колонковые бурильные молотки применяются преимущественно для бурения горизонтальных, наклонных и нисходящих шпуров, а телескопные - для бурения восходящих шпуров.

Пылеподавление обеспечивается промывочной жидкостью, которая в количестве не менее 4 л/мин подается к забою шпура через центральный канал под давлением (4-5)*105 Па. При отсутствии воды и в условиях многолетней мерзлоты применяются бурильные молотки с отсосом буровой мелочи из забоя шпура с последующим сухим пылеулавливанием.

Бурильные молотки применяются для бурения шпуров при проведении выработок, подземной отбойке угля и руд, в небольших карьерах, при вторичном дроблении негабарита и других работах. Бурильные молотки легкие и средние устанавливаются на пневмоподдержках, а тяжелые - на колонках или манипуляторах буровых кареток, применяемых на карьерах при проходке выработок или отбойке руд.

В последние годы при подземной добыче руд черных и цветных металлов для отбойки широко применяют скважины и шнуры диаметром 50-70 мм и глубиной 5-20 м. Их бурение выполняется самоходными буровыми каретками на пневмошинном или гусеничном ходу. Эти каретки используются в комплексе с зарядным и погрузочно-транспортным самоходным оборудованием. На них применяются мощные бурильные молотки с независимым вращением. В последние годы разработаны и внедряются гидроударные машины, более производительные, чем пневматические.

Буровой инструмент для ударного бурения состоит из сплошных или составных буров и коронок. Сплошной бур представляет собой стержень из буровой стали, имеющей с одного конца породоразрушающую головку, а с другого - хвостовик для установки в бурильном молотке. Составные буры состоят из штанги с хвостовиком и съемной коронки. Соединение со штангой съемной коронки - резьбовое или конусное под углом 3°30'.

Штанги соединяются муфтами с внутренней резьбой упорного или веревочного профиля. Некоторые зарубежные фирмы накатывают резьбу по всей длине штанг, чем значительно облегчают их восстановление при поломках.

Коронки армируются твердым сплавом в виде пластинок или цилиндрических штырей и выпускаются следующих типов: долотчатые пластинчатые (КДП) и штыревые (КДШ); трехперые пластинчатые (КТП) и штыревые (КТШ); крестовые пластинчатые (ККП) и штыревые (ККШ); Х-образные пластинчатые (КХП); Х-образные штыревые (КХШ) и штыревые одноразового использования (КОШ). Для коронок установлен следующий ряд наружных диаметров: 28, 32, 36, 40, 43; 46, 52, 60, 65, 75, 85 мм. Наиболее широко применяются коронки крестовой и долотчатой форм. Коронки долотчатой формы в монолитных породах обеспечивают наибольшую скорость бурения. Коронки крестовой формы применяют для бурения шпуров и скважин в трещиноватых породах.

В процессе бурения происходит затупление лезвия коронки, износ ее по диаметру. Поэтому при замене затупившейся коронки следующую берут меньшего диаметра (на 1-2 мм). Разницу в величинах диаметра двух последовательно работающих коронок называют шагом. Набор коронок, необходимых для бурения шпуров или скважин, называют комплектом.

Для изготовления штанг применяют шестигранную или круглую прутковую сталь диаметром 19, 22 и 25 мм с внутренним осевым каналом диаметром 6-7 мм.

Вибрация и шум при работе бурильного молотка возникают за счет возвратно-поступательных движений поршня-ударника.

Выпускаемые бурильные молотки создают вибрации корпуса выше нормы на всех частотах. Поэтому их следует эксплуатировать с виброзащитными устройствами, в качестве которых применяют рукавицы с полихлорвиниловыми вкладышами, пружинные устройства для ручных бурильных молотков, виброгасящие рукоятки для телескопных.

Шум при работе бурильного молотка возникает в результате соударения поршня с хвостовиком бура и выхлопа отработанного воздуха. При длительном воздействии высокого уровня шума у рабочих происходит потеря слуха и поражается нервная система.

Бурильные молотки по уровню шума превышают существующие нормы на всех частотах. Поэтому их выпускают и эксплуатируют с глушителями шума. Выпускают бурильные молотки с глушителями шума в виде резиновых колпаков, устанавливаемых на выхлопное устройство. Применяются заглушки для ушей из ткани, снижающие уровень шума на 15-30 дБ, а также специальные наушники (антифоны), снижающие особенно эффективно высокочастотные шумы, что позволяет рабочим слышать разговорную речь. Радикальным средством защиты рабочих от вибрации и шума является применение буровых кареток с дистанционным управлением.

Способы бурения скважин

Вращательное (шнековое) бурение легкими (СБР-125) и тяжелыми (СБР-160) станками вертикальных и наклонных скважин диаметром 110-160 мм применяется на карьерах, разрабатывающих породы с f<6.

Легкие станки шнекового бурения имеют трубчатую раму с направляющими для вращателя, состоящего из электродвигателя и редуктора. К патрону вращателя крепится буровой став из штанг-шнеков. Направляющие вращателя можно устанавливать в вертикальном или наклонном положении с углом наклона до 30° к вертикали. Передвижение станка выполняется шагающим механизмом, осевое усилие на резец создается массой вращателя и бурового става. Производительность станка в породах с f до 3 составляет 40-120 м/смену.

Тяжелые станки имеют гусеничный ход, обеспечивают бурение вертикальных и наклонных скважин в по. родах с f=6-8, так как большая масса вращателя создает значительные осевые усилия на забой. Производительность станков по породам с f=4 составляет 70-120 м/смену. С увеличением крепости пород сменная производительность станков снижается до 10 м, а износ инструмента растет. В связи с этим их применение в более крепких породах становится нерациональным. Создаются станки с механизацией наиболее трудоемкой операции при бурении - сборке и разборке шнекового бурового става.

Буровой инструмент для вращательного бурения состоит из набора штанг, шнеков и резцов. Штанга представляет собой трубу с приваренной к ней спиралью из полосовой стали, армированной по наружной кромке наплавкой твердого сплава. Для разрушения пород наиболее широко применяются резцы с закругленными лезвиями, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава. Разработаны долота со съемными резцами, которые обеспечивают по породам с f=4-6 увеличение скорости бурения в 1,5-3 раза и снижение стоимости бурения скважины в 2 раза по сравнению с обычными резцами.

По мере увеличения крепости пород с 2-3 до 6-8 и возрастания абразивности пород проходка на резец уменьшается с 500 до 20 м. Наибольшую стойкость (до 2000 м) имеют резцы со сменными режущими элементами.

При шнековом бурении до 15% глубины скважины теряется из-за неполного удаления продуктов разрушения. Для устранения этого недостатка предложен шнеко-пневматический способ их удаления, при котором по штангам к забою и к полым лопастям шнеков подается сжатый воздух, который способствует псевдоожижению буровой мелочи, лежащей на шнеках. В результате этого эффективность ее удаления из скважины резко возрастает и скорость увеличивается. Кроме того, затраты мощности на вращение става значительно (до 1,5 раз) снижаются, а это позволяет бурить более глубокие скважины.

Бурение скважин погружными пневмоударниками. Этот способ бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 85-110 мм глубиной до 40 м и более широко применяется при подземной добыче руд, а также на карьерах небольшой и средней производственной мощности.

Станки с погружными пневмоударниками делятся на легкие (СБУ-100П, СБУ-100Г), средние (СБУ-160) и тяжелые (СБУ-200) и предназначены для бурения скважин диаметром 85-105, 160 и 200 мм и более. Известны зарубежные станки для бурения погружными пневмоударниками специальных скважин диаметром 670 мм.

Средние и тяжелые станки серийно не выпускаются. Буровой станок 1СБУ-125, разработанный НИПИгормаш, представляет собой самоходную установку на гусеничном и пневмошинном ходу с кабиной для бурильщика. Во время работы станка вращатель бурового става движется по направляющим. Управление гидродомкратами производится с помощью кранов. Станок НКР-100м устанавливается консольно на распорной колонке, что позволяет бурить круговой веер скважин. Буровой став вращается от электродвигателя через редуктор, а подача на забой выполняется с помощью пневмоцилиндра. Вращательное и осевое движение буровому ставу и пневмоударнику передается двумя зажимными пневматическими патронами, которые работают в полуавтоматическом режиме. Станки БМК-4 и ЛПС-3 работают только на сжатом воздухе„ а буровой став на забой подается с торца на всю длину штанги.

Мероприятия для повышения эффективности разрушения породы при бурении погружными пневмоударниками.

1. Создание пневмоударников с повышенной энергией удара (до 20 Н на 1 см диаметра скважины) и пониженным числом ударов в минуту (менее 1500). Скорость бурения вследствие этого возрастает в 2-2,5 раза. Для таких пневмоударников должны быть созданы высокостойкие породоразрушающие долота, в 5-8 раз превосходящие по стойкости долота, выпускаемые в настоящее время.

2. Создание пневмоударников для бурения скважин диаметром 60-75 мм, работающих на повышенном давлении воздуха. Опытные работы показали, что при давлении воздуха 20*105 Па пневмоударник диаметром 60 мм бурит породы с f=12-15 со скоростью 1-2 м/мин. Пневмоударники для скважин уменьшенного диаметра могут быть эффективны только при работе на повышенном давлении воздуха.

3. Продолжение работ по созданию высокоэффективных и надежных пневмоударников для бурения скважин диаметром 160-200мм на карьерах. Отсутствие конструкций таких пневмоударников не позволяет пока создать эффективные станки для бурения скважин увеличенных диаметров.

В качестве породоразрушающего инструмента для погружных пневмоударников применяются долота трехперые с опережающим лезвием и крестовые, армированные стандартными пластинками твердого сплава. Качество этих долот низкое, из-за чего наблюдаются поломки пластинок твердого сплава и корпусов. Все шире применяются более эффективные породоразрушающие долота, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава со сферической поверхностью.

Бурение скважин шарошечными долотами. Более 70% взрывных скважин диаметром 215-320 мм на карьерах бурят шарошечными станками. В перспективе процент бурения этим способом еще более возрастет. При подземной разработке руд бурение шарошечными долотами применяется редко из-за большого диаметра (145 мм) скважин и неудобства эксплуатации тяжелого шарошечного станка БШ-145М.

Шарошечное долота - породоразрушающий инструмент, представляющий собой конструкцию, сваренную в основном из трех лап, на консольных осях которых на роликовых и шариковых подшипниках вращаются шарошки. Шарошки - это конусы, на поверхности которых имеется несколько рядов (венцов) породоразрушающих элементов: зубцов или штырей.

Примененные в некоторых конструкциях долот опоры скольжения позволяют увеличить удельные осевые усилия на долото, но требуется снижение частоты вращения, чтобы уменьшить их нагревание. При вращении долота под большим осевым усилием зубцы шарошек разрушают породу, перекатываясь по забою. Если зубцы выполнены из одного материала с шарошкой, долото называется зубчатым, если зубцы выполнены в виде запрессованных или запаянных цилиндрических вставок твердого сплава с клиновой, сферической или другой рабочей поверхностью, то долото называется штыревым.

Область применения долот обозначена буквой в конце его марки: М - для мягких, С - для средних, Т - для твердых, К - для крепких, ОК - для очень крепких пород.

Для долот, имеющих в лапах каналы для подачи в подшипники сжатого воздуха и смазки, в марке содержится буква П. Кроме того в марке долота указывается его диаметр в миллиметрах и буквой обозначен завод-изготовитель.

Выпущены опытные партии комбинированных зубчато-штыревых долот с чередующимися в венцах стальными зубцами и штырями твердого сплава. Такие долота предназначены для бурения перемежающихся по крепости пород и имеют индекс ТК. Шарошечные долота с клиновыми штырями имеют индекс Т3. Таким образом, в марке долота указываются все необходимые сведения для их выбора.

При бурении серийные зубчатые долота выходят из строя в результате износа зубцов, а штыревые - в основном (80% и более) вследствие заклинивания подшипников опор долот при работоспособном породоразрушающем вооружении

Особенно часто происходит заклинивание подшипников опор при попадании в них жидкой суспензии буровой мелочи, образующейся в результате подачи на забой воздушно-водяной смеси для удаления продуктов разрушения и пылеподавления.

Продукты разрушения из скважины удаляются сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью.

При бурении в обводненных массивах в период наращивания бурового става смесь воды и буровой мелочи поднимается в скважине и попадает в продувочные каналы опор. Преждевременный выход долот из строя снижает технико-экономические показатели бурения. Поэтому разрабатываются устройства, исключающие попадание буровой мелочи в опоры, за счет чего увеличена стойкость подшипников опор и долот.

С этой целью в долотах устанавливаются обратные клапаны различных конструкций, препятствующие попаданию смеси буровой мелочи с водой в каналы опор; герметизированные опоры долот, в которых используются уплотнительные соединения специальных конструкций; лубрикаторы, маслоотражательные втулки и буровые ставы различных конструкций, обеспечивающие при бурении принудительную подачу смазки в опоры долот; забойные наддолотные амортизаторы, снижающие динамические нагрузки на опоры долот и на станок. Пылеподавление осуществляется диспергированной водой, подаваемой в затрубное пространство скважины на расстоянии 0,6-1 м от забоя.

В результате применения пылеподавления в затрубном пространстве и принудительной смазки опор стойкость долот увеличивается в 2-3 раза.

Шарошечные буровые станки. В настоящее время серийно выпускаются станки 2СБШ-200Н, СБШ-250МН, СБШ-320. На объектах дорожного и гидротехнического строительства широко применяются автономные станки на тракторе типа БТС-150. Для подземного бурения скважин диаметром 145 мм выпускается станок БШ-145М.

Созданы опытные модели шарошечных станков для бурения скважин диаметром 76-95 мм, их внедрение в промышленность обусловливает необходимость серийного выпуска работоспособных шарошечных долот соответствующего диаметра.

Шарошечные станки для карьеров выпускаются на гусеничном ходу, они достаточно маневренны при большой массе, необходимой для создания высоких осевых усилий на долота (10-20) кН на 1 см диаметра долота, и принципиально отличаются расположением мачты и кинематической схемой основного рабочего органа станка - вращательно-подающего механизма.

Привод вращателя станков осуществляется от электродвигателя с тиристорным приводом или от системы генератор-двигатель. Спуско-подъемные операции: свинчивание и развинчивание штанг и установка их в кассеты полностью механизированы.

Станки, предназначенные для бурения взрывных скважин глубиной до 20 м, оборудованы соответствующей высоты мачтой. Станком СБШ-320 можно бурить скважину на глубину до 18 м без наращивания штанг, что резко снижает затраты времени на вспомогательные операции. Бурение без наращивания бурового става обеспечивает лучшие условия работы долот и увеличение их стойкости.

Для удаления буровой мелочи с забоя на всех станках устанавливаются винтовые компрессоры. Для пылеулавливания на станках 2СБШ-200 установлены рукавные фильтры, или емкости с водой, а на станках СБШ-250 МН и СБШ-320 - емкости с водой, необходимой для создания воздушно-водяной смеси, используемой для очистки скважины и пылеподавления.

Для снижения вибраций, возникающих при работе на повышенных частотах вращения (более 100 об/мин) и проходки трещиноватых пород, рекомендуется применять наддолотные амортизаторы.

Упругие элементы (резиновые шары, гуммированные конические поверхности и т.п.) амортизатора снижают вибрации, возникающие при бурении, в 2-5 раза. Чем выше уровень вибраций, тем эффективнее применение наддолотных амортизаторов. При использовании амортизаторов чистая скорость бурения не изменяется, а стойкость долот увеличивается в 1,3-1,5 раза. Наддолотные амортизаторы дают возможность бурить на повышенных частотах вращения (120-150 об/мин), в результате чего повышается скорость бурения и производительность станка.

Новым направлением является использование на станках магнитострикционных генераторов, устанавливаемых над шарошечным долотом. При работе магнитостриктора на мощности 60 кВт генерируются вибрации с амплитудой несколько миллиметров и частотой 400 Гц, которые резко улучшают динамику взаимодействия долота с породой и повышают в 1,2-2,6 раза эффективность разрушения пород долотом. Для получения тока повышенной частоты на станке монтируется преобразовательная подстанция.

Росту показателей нового поколения шарошечных станков в основном будет способствовать: применение высоких мачт и длинных буровых ставов для бурения скважин без наращивания штанг; увеличение стойкости шарошечных долот путем принудительной смазки опор долот и пылеподавления диспергированной водой в затрубном пространстве скважины; применение системы автоматического управления работой станка, обеспечивающей его эксплуатацию на предельно допустимых по уровню вибраций частотах вращения и максимально возможных осевых усилиях на долото; механизация выполнения основных и вспомогательных операций при бурении.

Огневое, комбинированное и взрывное бурение скважин. При увеличении крепости, абразивности пород эффективность механических способов бурения снижается, а стоимость бурения растет. К способам бурения, не зависящим от крепости буримых пород, относится огневое бурение, при котором разрушение породы происходит в результате быстрого разогрева поверхностного слоя породы раскаленными струями газа, вылетающими из сопел горелки со скоростью более 2000 м/с при температуре выше 2000°С. В применяемых горелках тепловой поток образуется в результате сгорания в сжатом воздухе бензина или керосина.

Этим способом успешно разрушаются в основном кварцсодержащие породы. Породы другого минералогического состава термическим способом разрушаются мало или совсем не разрушаются, и способ становится непригодным для практического использования. Сменная производительность станков огневого бурения достигает 30-35 м при диаметре скважин 200-220 мм. Расчеты показывают, что огневое бурение взрывных скважин по сравнению с шарошечным (при использовании мощных станков СБШ-250 МН и СБШ-320) даже в кварцсодержащих породах менее производительно и дороже. Поэтому огневое бурение пород применяют для расширения нижней части скважины с 214-243 мм до 350-400 мм с целью размещения в ней большего заряда ВВ. Станки комбинированного бурения СБШ-250К созданы на базе станка СБШ-250MH. Эффективность разрушения при увеличении диаметра скважин огневым бурением возрастает в 5-10 раз и расширяется диапазон разрушаемых этим способом пород.

Разработан ряд комбинированных ударно-шарошечных долот, представляющих собой комбинацию погружного пневмоударника с долотчатым инструментом и двумя шарошками, расположенными перпендикулярно к лезвию инструмента пневмоударника. Пневмоударник и двухшарошечное долото разрушают породу одновременно и независимо один от другого. Создан инструмент, в котором пневмоударник наносит удары по обратному конусу шарошек, имеющих смещение вдоль оси. При испытаниях установлено, что скорость бурения комбинированным инструментом на 18-20% выше, чем отдельно шарошечным долотом и пневмоударником. Недостатками этого инструмента являются сложность конструкции, малая надежность элементов, малоэффективное удаление продуктов разрушения с забоя. Для бурения меняющихся по крепости пород вскрыши угольных месторождений разработаны разные варианты комбинированных режуще-шарошечных инструментов, представляющих собой долота с двумя шарошками, между которыми установлены резцы для вращательного бурения. Опыты показали, что скорость бурения станками 2СБШ-200 при осевом усилии 60 кН составляет 1 и 0,6 м/мин соответственно в породах с f=5 и f=8, что в два раза выше, чем шарошечным долотом. Это подтверждает перспективность использования комбинированного инструмента для бурения слоистых, перемежающихся по крепости пород.

При взрывном бурении разрушение пород в скважине происходит в результате взрывания зарядов ВВ, последовательно подаваемых на забой, при одновременном удалении продуктов разрушения с забоя.

При испытании патронного бурения использовались заряды из гексогена и тротила величиной 300-500 г. Заряды, снабженные детонаторами ударного действия, подавались на забой по трубе, в которую поступал воздух от компрессора производительностью 10 м3/мин. Порода при взрыве на забое разрушалась на куски до 10-15 мм. За 8-10 с происходила полная очистка забоя скважины диаметром 200 мм. Удельный расход ВВ составлял 0,16-0,3 кг на 1 дм3 выбуренной породы. Скорость бурения при испытаниях составила 1 м/ч, расчетная скорость бурения 10-15 м/ч. Верхнюю разрушенную часть уступа пробурить взрывным способом практически невозможно. Поэтому предполагается создать комбинированный станок для бурения погружным пневмоударником или другим способом верхней части скважины, а взрывным способом - нижней монолитной части.

При испытании струйного взрывного бурения на опытном станке в качестве горючего применен керосин. Окислитель - четырехокись азота, весьма агрессивная жидкость, которую можно хранить только в стеклянной таре или в сосуде из нержавеющей стали при температуре не выше 8°С, так как при более высокой температуре она испаряется с выделением ядовитых окислов азота. На станке находятся емкости с окислителем, инициирующим составом и водой, компрессор, а также контролирующая и регулировочная аппаратура.

При работе взрывного бура горючее и окислитель непрерывно вытекают из сопел на забой, а частота подачи инициирующего состава в объеме 0,1-0,2 см3 регулируется электромагнитным клапаном с частотой от 1 до 1400 порций в минуту. При этом на забое может образовываться заряд различной величины. При взрыве часть струи от забоя до среза сопла взрывного генератора уничтожается взрывом и переходит в газообразные окислы азота. Поэтому коэффициент использования ВВ на разрушение породы довольно низок, а при работе образуется весьма много ядовитых окислов азота. Необходимо создавать системы, нейтрализующие окислы азота, чтобы исключить загрязнение воздушного пространства ядовитыми газами. При испытаниях станка опробованы следующие режимы: частота взрывов 700-800 в минуту, расстояние от торца взрывного бура до забоя 100 мм, частота вращения 8 об/мин, расход ВВ до 14 л/мин. При этом образовывались скважины диаметром 250-390 мм при скорости бурения 30-40 м/ч до глубины 5 м. На глубине 11 м из-за плохой очистки забоя скважины от продуктов разрушения скорость бурения снижалась до 1 м/ч. Существенным недостатком способа является трудность бурения скважин в обводненных и сильнотрещиноватых породах. Кроме того, в процессе взрывного бурения происходит нагревание породы, и при определенной температуре жидкий заряд не может сформироваться на забое из-за быстрого испарения четырехокиси азота. Работы по созданию станков для взрывного бурения скважин продолжаются.

Размещено на www.allbest.