Оборудование и технология

Основными узлами станков огневого бурения (термобуры) являются: 1) рабочий орган, состоящий из горелки, буровой штанги, механизма вра­щения, подводящего устройства и подвески; 2) мачта станка, представляющая сварную конструк­цию из сортового проката; 3) ле­бедка для подъема и опускания рабочего органа; 4) гидроцилин­дры для подъема, опускания и центровки мачты; 5) отсасываю­щая установка для отвода про­дуктов сгорания топлива и смо­ченных мелких продуктов раз­рушения в сторону от станка; 6) механизм прощупывания забоя, позволяющий автоматически поддерживать заданное расстоя­ние от среза сопла до забоя; 7) кузов станка; 8) ходовая часть; 9) система питания станка рабо­чими компонентами (горючим, окислителем, водой); 10) систе­ма электропитания.

Основным оборудованием являются горелки, которые работают на химическом топливе и подразделяются в зависимости от назначения и типа применяемого окислителя (кислородные и воздушные). Другими отличительными признаками горелок являются способ охлаждения (водяное, воздушное или комбини­рованное) и смесеобразования, число сопел (одно- и многосопло­вые).

Основными узлами горелок с химическим топливом являются переходник от буровой штанги к горелке, распределительная головка рабочих компонентов топлива и охлаждающего агента, форсунка для распыления горючего, камера сгорания, сопловой аппарат, корпус горелки и башмак.

Принцип работы горелок с химическим топливом заключается в следующем. По магистралям охлаждающий агент, горючее и окис­литель подаются в распределительную головку, откуда горючее, про­ходя через форсунку, подается в распыленном виде в камеру сгора­ния, куда подается окислитель через завихритель или напрямик. После сгорания топлива в камере продукты сгорания выбрасываются через сопловой аппарат со сверхзвуковой скоростью, образуя высо­котемпературную и высокоинтенсивную газовую струю, которая и является рабочим органом, позволяющим осуществлять термическое разрушение породы.

Для термического бурения шпуров и скважин в качестве образцов применяют горелки, у которых теплоносителем является ионизированный газ высокой температуры. Такие горелки получили название плазменных горелок или плазмобуров.

Основными частями плазмобура являются полые анод и катод, между которыми образуется электрическая дуга. Воздух при своем движе­нии внутри полости анод-катод нагревается электрической дугой и со сверхзвуковой скоростью вы­брасывается через сопло на забой скважины. Постоянный ток к аноду подается по корпусу штанги и через крыш­ку.

При огневом бурении взрывных скважин возможно два способа проходки: в режиме «шелушение» и в режиме плавления. Первый способ имеет место при проходке скважин в хорошо термобуримых породах, при сравнительно монолитном массиве. Этот способ являет­ся наиболее эффективным и менее энергоемким.

Проходка скважин в режиме плавления имеет место при буре­нии трудно термобуримых пород, а также пород хорошо термобури­мых, но сильно трещиноватых. Этот способ проходки является очень медленным (0,1-0,2 м/ч), энергоемким и дорогостоящим. Эффектив­ность проходки скважин способом плавления в основном зависит от температуры струи и скорости ее истечения.

Эффективность термического способа бурения оценивается ли­нейной и объемной скоростью, причем первая применяется для оцен­ки эффективности проходки ствола скважины, а вторая — для оценки процесса расширения скважин.

Бурение скважин огневым способом складывается из следую­щих операций: забуривание, бурение ствола, расширение скважины и ее продувка.

Забуривание включает в себя проходку устья скважины на глу­бину 1,5-2 м. Учитывая тот факт, что верхние слои массива сильно нарушены взрывными работами вышележащего горизонта, бурение этого участка является более трудоемким, чем бурение остального участка скважины.

После забуривания устье скважины обсаживают трубами дли­ной от 0,5 до 2 м. Обсадная труба обеспечивает устойчивость стенок скважины и предотвращает возможность попадания в скважину крупных кусков породы в процессе бурения и тем самым позволяет ликвидировать возможность заклинивания буровой штанги в сква­жине. Для предотвращения возможности стекания бурового шлама обратно в скважину обсадная труба должна немного возвышаться над устьем скважины. Обсадная труба должна своим внешним диаметром входить свободно в скважину, а ее внутренний диаметр должен обес­печивать свободный проход горелки. После установки обсадной тру­бы устье скважины забутовывают и уплотняют буровой мелочью для исключения возможного вращения трубы и выхода газов вокруг нее. Это позволяет предотвратить возможность обвала устья скважины.

В качестве обсадных труб используют обычные металлические трубы или асбоцементные. Преимуществом последних является воз­можность их заготовки в зависимости от требуемой длины непосред­ственно на рабочем месте. Кроме того, они не представляют опасно­сти для дробилок и поэтому нет необходимости выбирать их из взорванной массы при погрузке последней на обогатительные и дробильно-сортировочные фабрики.

Особую сложность при огневом бурении скважин представляют небольшие по мощности прослойки трудно термобуримых участков пород, проходка которых осуществляется либо плавлением. При этом после длительного теплового воздействия удается проплавить в прослойке отверстие, проходя через которое струя имеет возможность разрушать нижележащие хорошо термобуримые породы, а сам прослоек остается неразрушенным. Разрушение образовавшегося «воротника» производят периодическим быстрым опусканием штан­ги, при вращении которой происходит разрушение нетермобуримого прослойка механическим способом.

либо поднимают горелку от забоя на высоту 1,5-2 м и в течение 3-5 мин выдерживают ее на этом уровне, одновременно обеспечивая максимальную подачу воды. Таким образом, за счет периодического нагрева и охлаждения забоя удается проходить труд­но термобуримые участки в режиме хрупкого разрушения.

Контроль за режимом работы станка и результатами бурения машинист осуществляет на основании показаний приборов, установ­ленных в кабине станка. Если прибор, контролирующий нагрузку двигателя вращения штанги, указывает на его перегрузку, следует немного приподнять горелку от забоя; если и в этом случае нагрузка не снижается, то это свидетельствует о том, что штангу клинит в связи с попаданием кусков породы сверху в зазор между стенкой скважины и штангой. В таких случаях периодическим подъемом и опусканием штанги добиваются, чтобы указанные куски породы упа­ли на забой.

После проходки скважины на всю глубину производят расшире­ние заряжаемой части. При расширении используют тот же сопловой аппарат или заменяют другим, имеющим углы наклона сопел до 35-40 к оси горелки (так называемые расширители). Необходимость того или иного варианта определяется требуемым диаметром «котло­вого» расширения.

Расширение скважин можно осуществлять при движении инст­румента сверху вниз и при движении его снизу вверх. В первом случае устраняется дополнительная операция — продувка скважины и очистка ее от продуктов разрушения.

Для вырезания блоков скальных пород и их поверхност­ной обработки применяют кисло­родно-керосиновые и бензовоздушные терморезаки и термоот­бойники.

Как показывают испытания, качество каменных изделий, обра­ботанных термическим способом, намного выше, чем при механиче­ской обработке: отсутствуют микронарушения поверхностного слоя, имеет место естественная фактура поверхности, более ровный рель­еф поверхности. Высокая производительность термического способа обработки и качество поверхности каменных изделий ставят этот способ вне кон­куренции с другими.

Основное отличие термического резания и обработки блочного камня от огневого бурения и расширения скважин заключаются в том, что имеется гораздо большая возможность оперативного изме­нения угла встречи высокотемпературной газовой струи с породой и возможность использования не одиночной горелки, а батареи из не­скольких горелок.

Термическое резание горных пород при отделении от массива блочного камня осуществляют путем перемещения горелки или ба­тареи горелок вдоль линии реза таким образом, чтобы при этом при минимальной ширине прорезаемой щели обеспечивалась макси­мальная скорость ее резания.

Эффективность процессов вырезания блоков и их обработки зависит от технологии. Основными технологическими параметрами являются угол встречи струи с породой и скорость перемещения термоинструмента относительно разрезаемой или обрабатываемой по­верхности. Как показывает практика, максимальная эффективность имеет место при угле встречи 30° и при перемещении термоинстру­мента в отступающем направлении. Оптимальная скорость переме­щения термоинструмента составляет 0,6-0,8 м/мин для резания и грубой термообработки. Глубина резания за один проход термоинст­румента при этом составляет 10-15 мм, а производительность термо-ибработки — 0,8-1,2 м /ч при толщине сбоя 3-4 см. Для тонкой обработки рекомендуется скорость перемещения термоинструмента порядка 1-1,2 м/мин. Как показали результаты экспериментальных работ по вырезанию блоков, целесообразно применять батареи тер­моинструментов. Производительность в этом случае в пересчете на один термоинструмент возрастает на 10-12% по сравнению с одиноч­ными терморезаками.