Лекция № 4. Технологические основы буровых работ

Цель бурения – создание в породном массиве скважин и шпуров. Бурение скважин – трудоемкий и дорогостоящий процесс, особенно в скальных весьма трудно- и трудноразрушимых породах.

Эффективность бурения взрывных скважин определяется скоростью бурения, которая зависит от:

- сопротивления породы разрушению под действием бурового инструмента (основной фактор);

- вида и формы бурового инструмента, способа его воздействия на забой скважины (вращательное, ударно-вращательное и т.д.);

- усилий и скорость воздействия бурового инструмента на забой скважины;

- диаметра скважины и, в ряде случаев, ее глубины;

- способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи, препятствующей разрушению породы;

- общей организации и масштаба производства.

Все перечисленные факторы определяют технологические параметры буровых станков; последние выбирают в соответствии с буримостью данной породы. В свою очередь, буримость породы существенно зависит от вида бурового инструмента и других факторов, так как они определяют условия разрушения породы в забое; характер развиваемых сжимающих и скалывающих усилий, крупность и форму отделяемых от забоя частиц породы и т.п.

В качестве физико-технической основы сопротивления пород по буримости (зависит только от свойств пород) принимается относительный показатель трудности бурения породы Пб, устанавливаемый из следующих предпосылок:

1. Решающими при разрушении породы посредством бурения являются предельные значения сопротивления пород различным видам сопротивления (Па) при сжатии Gсж, сдвиге Gсдв. Сопротивление пород растягивающим усилиям Gраст для бурения можно не учитывать. При ударном бурении преобладает разрушение от усилий сжатия, при вращательном – от усилий скола. При относительной оценке пород по трудности бурения степень участия в разрушении сжимающих и скалывающих усилий можно принимать равной.

2. При определении скорости бурения трещиноватость породного массива в первом приближении можно не учитывать (она учитывается при определении показателей прочности пород по образцам).

3. Так как разрушение возможно только при постоянной очистке забоя скважины от буровой мелочи, необходимо учитывать при оценке буримости плотность(кг/м³) породы .

При указанных предпосылках Пб может быть определен из эмпирического выражения

Пб = (К₁Gсж + Gсдв) + К₂ g,

где К₁ и К₂ – эмпирические коэффициенты.

Все горные породы в соответствии с величиной Пб классифицируются на 25 категорий по буримости с подразделением на пять классов:

- І- класс легкобуримые ( Пб= 1—5); категории 1, 2, 3, 4, 5;

-ІІ- класс средней трудности бурения (Пб = 5.1—10) категории 6, 7, 8, 9, 10;

- ІІІ- класс труднобуримые (Пб = 10.1—15) категории 11, 12, 13, 14, 15;

- ІV- класс весьма труднобуримые (Пб = 15.1—20) категории 16, 17, 18, 19, 20;

- V- класс исключительно труднобуримые (Пб = 20.1—25) категории 21, 22, 23, 24, 25.

Породы с показателем Пб>25 относятся к внекатегорийным.

Использование показателя Пб упорядычивает и облегчает технологические расчеты буровых установок, их мощности, режима и технической скорости бурения в конкретных горно-геологических условиях .

4.2 Виды бурения и их технологическая оценка

Бурение скважин и шпуров на карьерах производится специальными породоразрушающими (буровыми) машинами, разделяемыми на две группы:

- механического воздействия на забой скважины (ударное, вращательное и ударно-вращательного бурения);

- физических методов воздействия на забой скважины (термическое, гидравлическое, взрывное бурение и др.).

Ударное бурение осуществляется станками ударно-канатного и шарошечного бурения.

Станки ударно-канатного бурения широко применяли на карьерах для бурения взрывных скважин диаметром 200-300 мм до начала 60-х годов. В настоящее время они полностью заменены более производительными станками шарошечного и пневмоударного бурения и применяются только для бурения водопонизительных и других технологических скважин диаметром 300-600 мм и глубиной 60 м и более, а также для специального бурения при добывании блоков камня.

Пневматические бурильные молотки (ручные и колонковые) применяются для бурения шпуров диаметром 32-40 и 50-75 мм в скальных породах. Ручные иногда, а колонковые всегда используются в сочетании с пневмодержателями, колонками, самоходными каретками.

Станки шарошечного бурения в последние сорок лет получили наиболее широкое распространение (ими производится 70% объема буровых работ) при бурении скважин диаметром 160-320 мм и глубиной до 35 м в породах с Пб>5. Основные их достоинства – высокая производительность (20-150 м/смену), непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации; недостатки – большая масса станков и малая стойкость долот в труднобуримых породах.

Вращательное бурение скважин осуществляется станками шнекового алмазного и дробового бурения. Бурение шпуров в породах с Пб = 1-2, в основном в негабаритных кусках, может, производится электросверлами.

Станки шнекового бурения широко применяются (22% объема буровых работ) для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 125-200 мм и глубиной до 32 м в породах с Пб = 1-5, главным образом на угольных карьерах (уголь, аргиллиты, мягкие известняки) и при разработке непрочных строительных пород (мергель, мягкий известняк и др.). Производительность их 15-120 м/смену. Станки характеризуются простотой эксплуатации, при их работе обеспечивается благоприятные санитарно-гигиенические условия.

Ударно-вращательное бурение станками с погружными пневмоударниками применяются для бурения скважин диаметром 100-200 мм и глубиной до 30 м при разработке строительных горных пород с Пб = 5—20, в гидротехническом строительстве, на рудных карьерах производственной мощностью до 4 млн. м³/год, а также при вспомогательных работах на крупных рудных карьерах (заоткоска бортов, выравнивание подошвы уступов и др.). Эти станки целесообразно применять и при бурении высокоабразивных весьма и исключительно труднобуримых пород с Пб > 20. Производительность их составляет 10-35 м/смену. Затраты на обуривание 1 м³ породы в 1.5-2 раза выше, чем при шарошечном бурении пород при Пб< 15. Буровые станки конструктивно просты; возможно, многошпиндельное бурение. Основные их недостатки: малая стойкость буровых коронок, низкая производительность и большое пылеобразование.

Термическое (огневое) бурение вследствие его избирательности получили распространение при бурении скважин диаметром 250-360 мм и глубиной до 17-22 м главным образом в весьма и исключительно труднобуримых кварцсодержащих породах (Пб = 16-25; Птб > 0.1). Оно может успешно применяться в породах с Пб = 10-15. Хрупкое разрушение пород происходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления термических напряжений, превышающих предел прочности минерального образования.

Возможность термического расширения диаметра заряжаемой части скважины (до 400-500 мм) позволяет сократить объем бурения в сильнотрещиноватых породах за счет увеличения расстояния между скважинами. Производительность в хорошо термобуримых породах достигает 12-15 м/ч. В трудно термобуримых породах этим способом эффективно расширение скважин, пробуренных шарошечными станками.

Станки вибрационного бурения находятся в стадии испытаний; достоинства их – относительно небольшая масса, простой буровой инструмент, возможность бурения скважин в разном направлении, высокая производительность.

Технология бурения обуславливает последовательность выполнения операций для образования скважин. При обуривании блока породного массива в общем случае выполняются следующие операции: установка станка на заданной отметке, непосредственное бурение, наращивание бурового става по мере углубления скважины, разборка бурового става, замена изношенного инструмента, переезд станка к отметке следующей скважины. Бурение скважины является прерывным процессом и включает ряд повторяющихся операций.

Техническая скорость зависит от буримости горной породы, конструкции и типа бурового инструмента, нагрузки на буровой инструмент, частоты вращения его, способа и условий удаления буровой мелочи.

Режим бурения характеризуется величиной развиваемых усилий, частоты ударов и вращения рабочего инструмента и удалением буровой мелочи. Каждый вид бурения характеризуется своими возможностями параметрами режима бурения.