Ударно-канатное бурение: принцип работы и применение

Ударно-канатное бурение. Ударно-канатное бурение применяется при проходке разведочных скважин на россыпных и штокверковых месторождениях, при инженерно-геологических и гидрогеологических работах, при сооружении скважин для добычи подземных вод. Ударно-канатным способом бурят взрывные скважины, а также некоторые виды скважин специального назначения. Преимущества этого вида бурения заключаются в простоте оборудования, отсутствии колонны бурильных труб, что упрощает проведение спуско-подъемных операций, а также в технологической универсальности и возможности использования в сложных геолого-технических условиях.

Разведочные скважины характеризуются небольшим диаметром (100-200 мм) и глубиной до 50-100 м; диаметр гидрогеологических и водозаборных скважин от 150-200 до 1000 мм, глубина до 200 м; диаметр скважин специального назначения достигает 500-1000 мм и более при глубине до 400 м.

При ударно-канатном бурении разрушение горных пород производится буровым снарядом, подвешенным на канате. Это определяет высокие скорости спуско-подъемных операций, возможность использования легких буровых станков.

Буровой снаряд состоит из долота, ударной и раздвижной штанг. Основной забойный инструмент долото может иметь различную конструкцию в зависимости от прочности, трещиноватости и абразивности горных пород. Плоские долота служат для разрушения мягких пластичных пород, двутавровые — для пород средней твердости, крестовые, пирамидальные — для твердых, трещиноватых пород и др. При бурении особо крепких пород для повышения стойкости лезвий в нижнюю часть головок долот ввариваются лезвия из более износостойких сталей повышенного качества. Ударная штанга служит для утяжеления снаряда. Длина ударных штанг от 3 до 6 м, диаметр от 100 до 200 мм. Раздвижная штанга (ножницы) представляет собой двухзвеньевую массивную цепь с ходом 150-200 мм, предназначается для отбоя снаряда после удара и выбивания заклинившегося долота.

Разрушение пород осуществляется при подъеме снаряда на определенную высоту и сбрасывания его на забой. Скважина приобретает круглое сечение благодаря поворотам долота за счет естественного раскручивания каната при работе. Для успешного разрушения породы в скважину иногда подливается вода, благодаря чему в процессе долбления шлам частично находится во взвешенном состоянии. Проходка за одно долбление составляет от 5 до 100 см. Долото в среднем наносит 50 ударов в 1 мин. Скорость бурения зависит от крепости породы, глубины и диаметра скважины, массы бурового снаряда, высоты его подъема и скорости падения, частоты ударов, качества долота, степени очистки скважины от шлама.

После углубления забоя на некоторую величину (в зависимости от свойств породы) буровой снаряд поднимают из скважины, а для извлечения разрушенной породы в скважину опускается желонка. Желонки, предназначенные для очистки скважины от разрушенной породы, состоят из трубчатого корпуса, дужки в верхней части и башмака с клапаном внизу. Желонки бывают с плоским (тарельчатым), шаровым или сферическим клапаном. Желонку несколько раз приподнимают и сбрасывают на забой, а после заполнения шламом, который удерживается клапаном, извлекают на поверхность.

Освобождается желонка от содержимого опрокидыванием. При проходке плывунов применяют поршневую желонку, внутри которой находится поршень со штоком. При подъеме желонки сначала перемещается вверх поршень, при этом через нижний клапан всасывается разжиженная масса. При опускании поршня она проходит через его клапан в верхнюю часть желонки и при следующем подъеме поршень засасывает новую порцию шлама. Такой желонкой можно полностью очистить забой, поэтому ее применяют при разведке россыпных месторождений золота.

При проходке скважиной неустойчивых пород, а также для перекрытия отдельных участков в скважину опускают стальные обсадные трубы. При бурении скважин на воду (особенно при агрессивных водах) для крепления используют асбоцементные и полиэтиленовые трубы. Крепление скважин производится обычным способом или путем забивки труб в неустойчивые породы одновременно с проходкой скважины.

При проходке мягких, вязких пород применяют плоские долота, а чистка скважины осуществляется желонкой. В ряде случаев скважина углубляется путем уплотнения породы в стенки при минимальном извлечении ее из скважины; для этого применяют округляющие массивные долота. В таких случаях стенки укрепляются настолько прочно, что отпадает необходимость использования обсадных труб. Проходка водоносных, плывучих, некоторых разновидностей глинистых пород осуществляется только желонками. Обычно в этих случаях, а также всегда при разведке россыпных месторождений используют опережающую обсадку скважин: обсадные трубы в процессе проходки забиваются на 5-10 см ниже забоя скважины, постоянно опережают забой, а разрыхление породы долотом и извлечение ее Желонкой производится в трубах. Это предотвращает непрерывное поступление сыпучего или плывучего материала, обеспечивает эффективную проходку скважины и дает возможность производить отбор представительных проб.

Ударно-канатные станки имеют ударный механизм и два или три барабана (инструментальный, желоночный и талевый). Ударный механизм и барабаны приводятся в движение от двигателя внутреннего сгорания или электромотора. Для спуска и подъема инструмента и труб станки оснащены мачтами, оборудованными роликами: инструментальными, желоночными, талевым.

Принципиальная схема работы станка ударно-канатного бурения приведена на рис. 21. Один конец инструментального каната (12) закреплен в канатном замке (4) и к нему подвешен рабочий инструмент; затем канат проходит через головной ролик (5), помещенный на мачте, через оттяжной ролик (7) на балансирной раме (6), через распределительный ролик (8) и навивается на инструментальный барабан, на котором закрепляется второй конец. Балансирная рама (ударный механизм) (6) с оттяжным роликом (7) приводится в колебательное движение шатунным механизмом, получающим движение от главного вала станка. В результате колебательного движения канат (12) будет поднимать и свободно сбрасывать буровой снаряд, а долото — наносить удары по забою скважины. Раздробленная порода извлекается желонкой, которая опускается в скважину с желоночного барабана (9), через дополнительный, второй блок.

Рис. 21. Схема ударно-канатного бурения. 1 — долото, 2 — ударная штанга, 3 — раздвижная штанга (ножницы), 4 — канатный замок, 5 — головной ролик, 6 — балансирная рама, 7 — оттяжной ролик, 8 — распределительный ролик, 9 — желоночный барабан, 10 — желонка, 11 — мачта, 12 — канат, 13 — главный вал

Ударно-канатные станки применяются при инженерно-геологических изысканиях для получения керна. Для этого применяют специальные забивные стаканы. В одних случаях при бурении с отрывом стакана от забоя его неоднократно сбрасывают на забой, вследствие чего он заполняется грунтом. Качество такого керна невысоко, но для ряда исследований вполне удовлетворительно. В других случаях применяют бурение без отрыва от забоя, когда стакан углубляется с помощью специального забивного приспособления, позволяющего забить стакан не отрывая его от забоя на 0,6-0,8 м. При этом неизбежно уплотнение образца, но качество керна значительно выше, чем при бурении с отрывом от забоя. Глубина бурения составляет от 15 до 50 м при диаметре 92-132 мм, а иногда до 200-300 мм. Для инженерно-геологических целей используют также бурение желонкой — в несвязных породах с одновременной или опережающей обсадкой.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.