Файл: Эстеров, Я. Х. Буровзрывные работы на транспортном строительстве учебник.pdf

Способы бурения и проходки взрывных выработок

Бурение выполняют путем разрушения породы на мелкие частицы, начиная с поверхности, в пределах сечения шпура или скважины и последующего удаления продуктов разрушения (бурового шлама) из образуемого углубления.

Разрушение породы достигается вследствие вызываемых при буре­ нии механических или температурных напряжений в породе. Первые развиваются при ударном, вращательном (с давлением), ударно-вра­ щательном, взрывном, ультразвуковом, электрогидравлическом воздей­ ствии на породу и относятся к м е х а н и ч е с к и м с п о с о б а м б у р е н и я . Температурные напряжения развиваются при термо­ струйном, плазменном, электротермическом воздействии на породу. На, таком воздействии основаны т е р м и ч е с к и е с п о с о б ы

б у р е н и я .

В практике буровзрывных работ понятие о механических способах бурения связывают часто с применением различного рода механиче­ ски действующего породоразрушающего инструмента. При этом меха­ нические способы бурения можно разделить на вращательный, ударный

та. Разрушение достигается путем сжатия породы в забое шпура или скважины лезвием инструмента (долота) или относительно небольшом давлении и срезании стружки или частиц породы окружным усилием вращающегося инструмента.

При у д а р н о м б у р е н и и применяют разнообразные рабочие механизмы и породоразрушающие инструменты. В зависимости от этого различают следующие способы ударного бурения: канатно-удар­ ный, пневмоударный, шарошечный, комбинированный — пневмоударношарошечный, или виброшарошечный, перфораторный.

При всех способах ударного бурения разрушение породы дости­ гается путем смятия ее и скола или выкола при последовательных ударах, наносимых лезвием, зубцом или Штырем бурового инструмен­ та, поворачиваемого на некоторый угол после каждого удара с отры­ вом или без отрыва от забоя.

При у д а р н о - в р а щ а т е л ь н о м б у р е н и и углубление забоя скважины происходит вследствие ударного и вращательного воздействия инструмента на породу. Такое бурение часто называют вращательно-ударным в отличие от пневмоударного, относимого в та­ ком случае к ударно-вращательному. С этой целью применяют корон­ ки специальной формы, способные передавать ударные и срезающие нагрузки при большом давлении инструмента на забой.

При канатно-ударном бурении продукты разрушения в смеси с под­ ливаемым глинистым раствором удаляют из скважины желонкой; при других, видах ударного и при ударно-вращательном бурении буро­ вой шлам удаляют из шпура или скважиньг.-путам-промывки водой

или продувки сжатым воздухом. j ■/"' • •, •,1 При вращательном бурении продукты разрушения:' породы уда-_

ляются из скважины преимущественно транспортированием-по шнеку.

17

Для бурения скважин и шпуров практическое применение получили термоструйный (огневой и плазменный) и взрывной способы.

При т е р м о с т р у й н о м б у р е н и и порода в забое скважины разрушается от внутренних напряжений, возникающих вследствие значительной разницы в температурном расширении сильно нагревае­ мых частиц породы. Отделившиеся частицы удаляются из скважины газообразными продуктами сгорания рабочей смеси (жидкого топлива, сжатого воздуха или кислорода) и парами воды.

В з р ы в н о й с п о с о б основан на взрывании в забое скважины непрерывно поступающих по рабочему инструменту жидких ВВ или поочередно подаваемых микрозарядов ВВ (в ампулах). Рабочий ин­ струмент при этом вращается вокруг продольной оси, покрывая все сечение скважины. Отделяющиеся при микровзрывах частицы поро­ ды выносятся из скважины газообразными продуктами взры­ вания.

П р о х о д ч е с к и е р а б о т ы при образовании больших выра­ боток складываются в общем случае из следующих раздельно выпол­ няемых процессов: разрушение породы преимущественно взрывным или механическим способом; проветривание выработки после взрыва; погрузка разрушенной породы в транспортные средства и удаление этой породы из выработки; крепление выработки.

В транспортном строительстве при выполнении буровзрывных работ применяют вращательный, шарошечный, пневмоударный, перфо­ раторный и ударно-вращательный способы бурения. С 1972 г. началось применение ударно-шарошечного бурения. Проходку шурфов, штолен и зарядных камер выполняют в небольших объемах в связи с весьма ограниченным применением при взрывных работах метода камерных зарядов.

§ 7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

Элементы теории вращательного бурения

При вращательном бурении разрушение породы происходит за счет ее сжатия давлением (осевое усилие) резцовой головки бура, режу­ щая кромка которого внедряется в породу, и влияния окружного (вра­ щательного) усилия бура, вызывающего уплотнение породы перед ре­

Элементарный цикл разрушения породы при вращательном бурении состоит из двух следующих периодов: формирование главного объема уплотнения перед режущей кромкой с увеличением усилия до макси­ мума; скол части породы с резким падением ее сопротивления, после чего резец быстро (с ударом) достигает ненарушенной части породы. Сопротивление его движению увеличивается, и цикл разрушения повторяется. Чем больше глубина внедрения резца, тем крупнее скалы­ вающиеся частицы или срезаемый слой и эффективнее бурение. При

18

недостаточном осевом усилии бура глубина его внедрения настолько мала, что воздействие на породу ограничивается трением. При этом происходит сильный износ инструмента, хотя продвижение его в забое скважины или шпура весьма незначительно.

Для слабых пород, например глинистых сланцев V группы и не­ которых пород VI группы, осевое усилие для эффективного бурения шпуров диаметром 32—44 мм должно составлять не менее 200—250 кгс, или 5—6 кгс на 1 мм длины резца при числе оборотов бура ^ 120 в минуту. При бурении скважин число оборотов может быть увеличено до 150—200 в минуту. Для пород VII группы осевое усилие должно быть более 20 кгс на 1 мм длины резца. Такое давление при значитель­ ном числе оборотов бура, необходимом для транспортирования про­ дуктов разрушения из выработки, вызывает перегрев и быстрый из­ нос инструмента; скорость бурения при этом резко падает. Поэтому рациональная область применения вращательного бурения ограниче­ на породами IV — VI групп.

Увеличение скорости вращения режущего инструмента с 60—80 до 150—250 об/мин в скальных породах при неизменном осевом дав­ лении значительно повышает скорость бурения. Дальнейшее увели­ чение скорости вращения не увеличивает эффективности бурения, если не повышать осевое давление.

Продукты бурения транспортируются из скважины или шпура на поверхность вращающимися штангами с винтообразно прикрепленной стальной лентой-спиралью. Такие штанги называют шнеками. Сое­ динение шнеков образует винтовой транспортер. Если к забою сква­ жины подавать через штанги незначительное количество (до 3— 4 м3/мин) сжатого воздуха с целью шнеко-пневматической транспорти­ ровки бурового шлама, то скорость бурения и стойкость резцовых долот существенно повышаются.

Экспериментальные исследования показали,'что минимальные зат­ раты энергии на бурение имеют место при соотношении шага витков шнека и диаметра бура, близком к единице. При этом сухой и слегка увлажненный буровой шлам транспортируется1непрерывно. Для водо­ насыщенных пород указанное отношение должно быть немного меньше единицы — приблизительно 0,7—0,8.

Для успешной выдачи продуктов бурения из шпура или скважины скорость вращения шнекового бура при оптимальном шаге витков должна быть не менее 40—60 об/мин в зависимости от характера поро­

толщине h слоя породы, снимаемого за один оборот бура, и в некото­ рых пределах числу его оборотов п, т. е.

В свою очередь величина h прямо пропорциональна осевому усилию Рос (кгс) и обратно пропорциональна пределу прочности породы сгв (кгс/см2) на вдавливание и длине режущей части Ьк (см) долота или коронки,

19

Поэтому толщина слоя породы разрушаемого за один оборот бура может быть выражена формулой

где кб — коэффициент, зависящий от свойств породы (коэффициента и угла внутреннего трения), определяемый непосредственно при бурении.

В транспортном строительстве вращательное бурение широко применяют при взрывном рыхлении мерзлых грунтов. В этом случае наиболее полно реализуются положительные стороны такого бурения, лучшие санитарно-гигиенические условия, простота способа транс­ портировки бурового шлама из шпура, простота, легкость и дешевизна средств бурения, использование одного вида энергии и подвижных (самоходных) ее источников. Механический привод рабочего органа возможен От двигателя легкого трактора. Все это позволяет выполнять вращательное бурение в условиях строительства при наименьшей стоимости и трудоемкости по сравнению с другими способами.

С семидесятых годов вращательное бурение скважин получило так­ же распространение на карьерах, обслуживаемых Всесоюзным тре­ стом Трансвзрывпром, при работах в некрепких и слабоабразивных скальных породах V и VI групп.

Для вращательного бурения шпуров и скважин применяют буро­ вые машины БТС-60, БТСМ, БТС-150, станки СВБ-2М и др.

Физические основы и закономерности ударного бурения

Основой современного ударного бурения — перфораторного и пневмоударного — является динамическое внедрение инструмента в гор­ ную породу. Такое бурение характеризуется относительно плавным внедрением инструмента по сравнению с шарошечным и вращатель­ ным способом бурения скальной породы, когда скорости удара не пре­ вышают 2 м/с, Единичное динамическое внедрение инструмента в гор­

20