Бурение скважин
Классификация способов и средств бурения шпуров и скважин
Бурение горных пород производится с целью образования шпуров и скважин. Под шпуром понимают цилиндрическую полость диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, а под скважиной подобную полость диаметром более 75 мм или любого диаметра при глубине более 5 м. Шпуры и скважины используются для размещения в них взрывчатых веществ при добыче полезных ископаемых или проходке подготовительных выработок. Скважины, кроме того, используются для вентиляции, спуска угля и леса, прокладки кабелей и трубопроводов, дегазации пластов, дренажа и разведки полезных ископаемых.
Процесс проведения шпуров и скважин называется бурением, а используемые при этом машины – бурильными. Процесс бурения сводится к разрушению горной породы и удалению буровой мелочи из шпура или скважины. Разрушение горной породы на забое шпура или скважины может осуществляться при механическом воздействии бурового инструмента на породу или физическими средствами (высокотемпературной струей горелки, струей жидкости высокого давления, ультрозвуком, взрывными средствами и т. д.). В случае механического разрушения инструмент под действием механических усилий внедряется в породу, отделяя частицы с забоя, при этом кристаллографическая структура разрушенной породы не меняется.
По характеру приложения силовых нагрузок к буровому инструменту механическое бурение осуществляется следующими четырьмя способами: вращательным, ударным, вращательно-ударным, ударно-вращательным.
Вращательное бурение производится резцом, непрерывно вращающимся вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины. Одновременно резцу сообщается подача на забой. Разрушение породы производится от постоянно действующего крутящего момента и осевого усилия (рис.2.1 а). Величина крутящего момента равна сопротивлению породы скалыванию и сопротивлению трения инструмента о породу. Во время бурения каждое перо резца движется по винтовой линии, скалывая своей передней гранью породу. Процесс скалывания породы происходит непрерывно, вследствие чего достигается высокая скорость бурения.
Вращательное бурение применяется только в породах ниже средней крепости (f < 6). Объясняется это тем, что при бурении по более крепким породам резец не в состоянии скалывать массив стружкой значительной толщины и разрушает породу истиранием, что приводит к интенсивному износу резца.
При ударном бурении разрушение породы производится исключительно ударной нагрузкой (рис.2.16) импульсами единичных ударов с высокой частотой их приложения. Разрушение породы осуществляется за счет раздавливания и скалывания её под лезвием инструмента, обычно выполняемого в форме клина. После каждого удара инструмент поворачивается на некоторый угол, для того чтобы разрушить породу по всему сечению шпура или скважины и произвести более эффективный скол в сторону обнаженной поверхности. Поэтому крутящий момент необходим лишь для преодоления сил трения, возникающих при повороте инструмента. Длительность пауз при ударном бурении значительно больше продолжительности разрушения, что обуславливает более низкую производительность ударного бурения. Однако ударной нагрузкой можно создавать весьма значительные удельные нагрузки по контакту инструмента с забоем, что позволяет успешно применять ударное бурение для проведения шпуров и скважин в породах любой крепости. Наиболее эффективно ударное бурение в крепких породах.
|
Рис. 2.1. Схемы прикладываемых к буровому инструменту нагрузок и разрушения породы от воздействия лезвия инструмента с забоем: а - при вращательном; б – при ударном; в – при вращательно-ударном; г – при ударно-вращательном способах бурения; РОС - осевое усилие подачи; QУД - ударная нагрузка; МКР - крутящий момент; 1 - разрушение породы за счет скалывания передней режущей кромкой при вращении инструмента; 2 - разрушение породы при раздавливании и скалывании ударной нагрузкой
Вращательно-ударное бурение осуществляется непрерывно вращающимся резцом, по которому наносятся удары. Резец постоянно прижат к забою осевым усилием подачи (рис.2.1 в). Под действием ударной нагрузки происходит эффективное внедрение режущей кромки в породу, а под действием постоянно действующего крутящего момента – скалывание его передней гранью. Объем скалываемой породы при каждом ударе в этом случае больше за счет совершения одновременно вращательного движения резцом. Кроме того, в промежутках между ударами резец поворачивается, также скалывая слой породы. Постоянно действующее усилие подачи противодействует выталкиванию инструмента из породы, а ударное воздействие на инструмент способствует лучшему внедрению лезвия и его меньшему износу. Разновидностью вращательно-ударного бурения является вибрационно-вращательное, когда непрерывно вращающемуся инструменту передаются вибрационные нагрузки. Вращательно-ударное бурение является производительным в породах средней крепости с f = 6 – 14 по.Ударно-вращательное бурение характерно тем, что порода разрушается в основном раздавливанием и скалыванием от воздействия ударной нагрузки. Постоянно действующий крутящий момент осуществляет поворот инструмента и частичное скалывание гребешков породы. Осевое усилие относительно невелико и действует постоянно с целью прижатия инструмента к забою (рис.2.1г). Так как при ударно-вращательном бурении разрушение породы суммируется от ударного воздействия и скалывания при повороте инструмента, то этот способ более эффективен, чем чисто ударное бурение. Однако в весьма крепких породах происходит интенсивное затупление лезвий породоразрушающего инструмента от их истирания при повороте. Ударно-вращательное бурение целесообразно в породах крепостью 12 – 18 по шкале.
Главными физическими критериями интенсивности воздействия прикладываемых внешних сил при механическом разрушении являются удельная нагрузка при бурении резанием и удельная контактная энергия удара при заданной амплитуде силового импульса. При резании и ударном бурении разрушение горных пород имеет скачкообразный характер.