Файл: Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых..pdf

13

Ручными перфораторами бурят шпуры диаметром 30—55 мм, глубиной до 4 м. Колонковыми и телескопными перфораторами можно бурить скважины диаметром 40—85 мм глубиной до 25 м. Пер­ фораторами бурят скважины в породах с коэффициентом крепости от 6 до 20 и выше.

В зарубежной практике колонковые перфораторы применяют для бурения скважин диаметром 52—126 мм, глубиной до 30 м на открытых горных работах и в строительстве. Перфораторы уста­ навливаются на каретках с .колесным или гусеничным ходом.

Вращательно-ударный способ. Машины вращательно-ударного действия появились в последнем десятилетии. Однако из-за необхо­ димости создания высокого осевого усилия машины этого типа имеют большой вес и высокую стоимость. Бурение такими машинами ведется с колесных или гусеничных тележек: бурят шпуры диамет­ ром 40—65 мм, глубиной до 4 м. Глубина бурения шпуров опреде­ ляется длиной лафета машин, так как бурение производится цель­ ными штангами. Опыт показывает, что машины такого типа целе­ сообразно применять для бурения в породах с коэффициентом кре­ пости от 6 до 12.

Ударно-вращательный способ. При отбойке руды методом глубо­ ких скважин в подземных условиях бурят скважины глубиной до 50 м, диаметром 85—160 мм. Бурят такие скважины буровыми агре-

14

гатами с погружными пневмоударниками. Агрегат состоит из станка вращательного действия и пневмоударника, подаваемого в сква­ жину при помощи штанг. Благодаря тому, что ударное бурение не требует больших силовых нагрузок, указанные агрегаты имеют небольшой вес. Агрегаты просты в изготовлении, удобны в эксплуа­ тации. Агрегаты широко применяются при бурении скважин диа­ метром 85—105 мм.

На открытых разработках широко применяются станки ударно­ вращательного действия для бурения скважин диаметром 105— 160 мм и глубиной до 40 м в породах с коэффициентом крепости от 10 до 20. Станки с погружными пневмоударниками выполняются как на колесном, так и на гусеничном ходу.

К машинам ударно-вращательного действия относятся и мощные колонковые перфораторы с независимым вращением бура. Такими перфораторами бурят глубокие взрывные скважины диаметром 46—85 мм, глубиной до 30 м в породах с коэффициентом крепости от 6 до 20.

В табл. 2 приведены условия наиболее рационального примене­ ния различных способов бурения и бурового оборудования на под­ земных и открытых разработках.

3. ЗАБОЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ БУРЕНИИ

Исследования с применением методов фотоупругости, скоростной киносъемки, тензометрии и других показали, что механизм разру­ шения породы носит сложный характер.

Процесс бурения характеризуется углублением инструмента в породу под действием нагрузок. Рабочим органом инструмента являются индентеры, или наконечники, которые под влиянием усилий создают местные напряжения, превосходящие предел проч­ ности породы. При вращательном бурении мягких пород разрушение происходит непрерывно, представляя собой процесс резания пла­ стичного материала с образованием стружки. При бурении хрупких горных пород разрушение происходит циклично в виде отдельных сколов.

Картина распределения напряжений в породе, полученная на фотоупругих моделях для вращательного бурения, показана на рис. 4. В зависимости от свойств породы отделение стружки будет происходить по-разному. Если порода пластичная и вязкая, когда ее сопротивление сдвигу значительно ниже сопротивления растяже­ нию, стружка будет отделяться по плоскостям скольжения, возника­ ющим в результате действия тангенциальных (касательных) напря­ жений, превосходящих по величине значения предельных. В хруп­ кой породе стружка отделяется за счет развития трещин от места контакта инструмента с породой к свободной поверхности по некото­ рой траектории.

Эпюра распределения тангенциальных напряжений при осевом усилии Р х = 0,8 Р 2 (Р 2 — окружное усилие) в породе перед резцом,

15

ш г л .

начинается после выбуривания шпура па глубину около 20 ми, т. е. после почти полного удаления первой зоны.

Таким образом, зона предразрушения, возникающая в массиве перед забоем скважины, развивается с периодически изменяющейся глубиной. Амплитуда колебания этой глубины и ее абсолютные раз­ меры будут зависеть от механических свойств породы н величины ударной нагрузки, а периодичность будет зависеть от числа ударов на один оборот бура, т. е. частоты попадания инструмента в трещину, образованную предыдущим ударом.

Зона нарушенного массива наблюдается не только впереди забоя, но и вдоль стенок скважины. Размер этой зоны в условиях опыта составил 10—15 мм, а отдельные трещины развивались до 20—25 мм от боковой стенки в глубь массива (рис. 15, б). Трещины первой зоны являются первой составляющей боковой зоны разрушения. Трещины второй зоны образуются в угловой части скважины, где под действием силового импульса в стенке скважины возникают рас­ тягивающие напряжения, градиент которых почти совпадает с бис­ сектрисой угла и направлен в глубь массива.

Вопытах на стекле часто наблюдался на конце трещин резкий поворот плоскости первоначальной трещины («козырек») (рис. 15, в). Характерно, что эти трещины возникают как в момент развития данной трещины от удара, так и в последующие периоды времени, когда удар приложен в другом месте. В последнем случае «козырьки» возникают в результате перераспределения напряжений от распро­ страняющихся в массиве колебаний. Вблизи устья скважины «ко­ зырьки» боковых трещин постепенно увеличиваются и выходят па поверхность, отделяя значительный объем породы.

4.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПРИ ВНЕДРЕНИИ ИНСТРУМЕНТА

ВРАЗРУШАЕМУЮ ПОРОДУ

Вранее выполненных исследованиях энергоемкости разрушения горных пород ударной нагрузкой основное внимание обращалось на объем выкола, на который и относилась вся израсходованная энергия, т. е. не учитывался расход энергии на трещинообразовапие.

Внаших исследованиях энергетический баланс при разрушении горных пород определялся по следующей методике. На гладком образце породы помещался бур, по которому наносились удары бой­ ком цилиндрической формы. Боек генерировал силовые импульсы прямоугольной формы. После замера объемов разрушения блок породы разрезался алмазным кругом на пластинки толщиной 3— 5 мм. По этим срезам определялся характер развития трещин под лезвием вдоль всей'длины выкола, а также общая площадь образо­ вания трещин. Методом прямых и отраженных импульсов опреде­ ляли количество энергии, прошедшей через породу. Полезной рабо­ той считалась работа, расходуемая на образование главной вер­ тикальной трещины, оконтуривающих трещин, радиальных трещин, трещин откола боковых крышек и на раскалывание крышек ядра уплотнения.

22