Способы бурения

Цель бурения - создание в породном массиве скважин и шпуров. 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 др.);
• усилий и скорости 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.

Все перечисленные факторы определяют технологические свойства буровых станков и определяют такое свойство горных пород, которое в горном деле называют буримостью. Факторы, которые определяют буримость горных пород, составляют как бы две основные группы:

• факторы, определяемые только свойствами самой горной породы (прочностные свойства, трещиноватость, влажность и др.);
• факторы, определяемые параметрами станка и бурового инструмента (то есть факторы, определяющие условия разрушения породы - характер развиваемых сжимающих и скалывающих усилий, крупность отделяемых от массива частиц и др.).

В качестве физико-технической основы сопоставления пород по буримости (зависящей только от свойств породы) принимается относительный показатель трудности бурения породы Пб, который зависит от предельных значений сопротивления пород разрушению при сжатии и сдвиге и от плотности пород.

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

• I класс - легкобуримые (Пб =1...5), включает категории 1,2,3,4,5 (бурые и каменные угли, плотные глины, гипс, сланцы углистые, аргиллиты и алевролиты средней плотности);
• II класс - средней трудности бурения (Пб =6...10), включает категории 6,7,8,9,10 (сланцы, известняки, алевролиты, аргиллиты, плотные песчаники);
• III класс - труднобуримые (Пб =11...15), включает категории 11,12,13,14,15 (окварцованные известняки, диориты, габбро, доломиты, средние граниты);
• IV класс - весьма труднобуримые (Пб =16...20), включает категории 16,17,18,19,20 (граниты, роговики, кварциты, диабазы);
• V классы - исключительно труднобуримые (Пб =21...25), включает категории 21,22,23,24,25 (базальты, диориты и другие исключительно труднобуримые и высокоабразивные породы.
• Породы с показателем Пб >25 относятся к внекатегорным.

Использование показателя Пб упорядочивает и облегчает технологические расчеты буровых установок, их мощности, режима бурения и скорости бурения.

Для термического (огневого) бурения при оценке термобуримости используется показатель термобуримости Птб и температура разрушения Тр. Все породы разделены на три класса по термобуримости:

• I класс - хорошо термобуримые, Птб = 0.1...0.2, Тр =250...400 градусов (породы, имеющие кристаллическую структуру, массивную текстуру - граниты, безрудные кварциты);
• II класс - термобуримые, Птб=0.06...0.095, Тр=400..450 градусов (железистые кварциты, песчаник);
• III класс - труднотермобуримые, Птб<=0.05, Тр=500...600 градусов (магнетитовые руды, руды цветных металлов, мрамор).

С увеличением трещиноватости массива эффективность огневого бурения резко снижается даже при хорошо термобуримых породах, что объясняется возможностью свободного теплового расширения отдельных структурных блоков породы.

Виды бурения и их технологическая оценка. Процесс искусственного образования цилиндрической полости (выработки) в горном массиве называется бурением.

Шпур - пробуренная в породе цилиндрическая полость глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм. Скважина - пробуренная в породе цилиндрическая полость глубиной свыше 5 м и диаметром более 75 мм.

Бурение скважин и шпуров на карьерах производится специальными породоразрушающими (буровыми) машинами, которые отличаются по применяемому способу бурения.

Существующие способы бурения можно разделить на три группы.

К первой группе относятся механические способы бурения, при которых порода разрушается под непосредственным механическим воздействием бурового инструмента на забой скважины - долота, в связи с чем эти способы иногда называют долотными. По характеру движения и воздействия бурового инструмента на породу различают следующие виды бурения:

• ударное;
• вращательное;
• ударно-вращательное (вращательно-ударное);
• шарошечное.

При этих видах бурения к буровому инструменту прилагаются следующие виды усилий:

• осевое усилие Ро;
• крутящий момент (окружное усилие) М;
• ударное воздействие (удары самим инструментом или удары по инструменту) Руд.

Ко второй группе относятся бездолотные или физические способы бурения:

• термическое;
• гидравлическое (гидроимпульсное);
• взрывное;
• ультразвуковое и др.

К третьей группе относятся способы бурения, при которых механическое воздействие сочетается с термическим, электрическим или физико-химическим.

Не смотря на поиски и создание новых физических и комбинированных способов бурения, в ближайшие годы на открытых горных работах будут применяться в основном механические способы бурения.

Ударное (ударно-поворотное) бурение jсуществляется за счет последовательно наносимых по забою ударов долотом клиновидной формы. При этом вращательный момент и постоянное осевое усилие на долото не накладывается. Разрушение породы осуществляется за счет раздавливания и скалывания. После совершения удара инструмент отскакивает от забоя скважины и поворачивается специальным механизмом на некоторый угол для нанесения удара по новому месту забоя. Таким образом обеспечивается разрушение породы по всему сечению скважины.

Ударный способ бурения реализован в станках ударно-канатного бурения и в пневматических бурильных молотках. Станки ударно-канатного бурения широко применялись на карьерах для бурения взрывных скважин диаметром до 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 и глубиной более 60 м.

Пневматические бурильные молотки (удары по штанге с рабочим инструментом производятся специальным ударно-поворотным механизмом) бывают ручные и колонковые и применяются для бурения шпуров диаметром от 32 до 75 мм в скальных породах.

При вращательном (шнековом) бурении резанием разрушение породы происходит резцом под действием окружного усилия (крутящий момент) и осевого давления инструмента на забой скважины. При этом в зависимости от соотношения осевого усилия и прочности породы резцы:

• срезают породу;
• скалывают;
• истирают на поверхности забоя.

Преимуществом вращательного (шнекового) бурения резанием является непрерывность процесса разрушения и высокая производительность в мягких породах. Недостаток - ограниченная область применения, резкое снижение производительности в прочных породах (бсж>60-70 МПа).

Вращательное бурение скважин осуществляется станками шнекового, алмазного и дробового бурения. При алмазном и дробовом бурении порода разрушается только по периметру сечения скважины в пределах узкого кольца. Бурение шпуров в породах с Пб =1...2, в основном в негабаритных кусках, может производиться электросверлами.

Станки шнекового бурения широко применяются (22% объема буровых работ) для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 125-160 мм и глубиной до 25 м в породах с Пб =1...5, главным образом на угольных карьерах (уголь, аргиллиты, мягкие известняки) и при разработке непрочных строительных материалов (мергель, мягкий известняк и др.). Простая конструкция, при их работе обеспечиваются благоприятные санитарно-гигиенические условия. Производительность 15...120 м/смену.

Станки алмазного и дробового бурения применяют главным образом для бурения разведочных скважин, так как позволяют получать керн. Станки относительно легкие и маломощные. Бурение осложняется большим числом спуско-подъемных работ. Производительность до 5-10 м/смену. Могут применяться в особо вязких абразивных породах.

Ударно - вращательное (вращательно-ударное) бурение объединяет особенности ударного и вращательного бурения резанием. Здесь удары осуществляются при наложении постоянного, но небольшого осевого усилия при непрерывном вращении долота. Разрушение пород происходит главным образом в результате ударного воздействия бурового инструмента на забой скважины с постоянной частотой ударов и лишь небольшой части породы резанием.

Этот способ бурения осуществляется станками с погружными пневмоударниками, которые применяются для бурения скважин диаметром 100-200 мм и глубиной до 30 м при разработке строительных пород с Пб =5...20, в гидротехническом строительстве, на рудных карьерах производственной мощности до 4 млн.куб.м/год, а на более крупных карьерах для вспомогательных работ. Эти станки могут применяться и при бурении высоко абразивных весьма и исключительно труднобуримых пород с Пб >20. Производительность 10-35 м/смену. Станки конструктивно просты. Недостатки: малая стойкость буровых коронок, низкая производительность и большое пылеобразование.

Вращательно-ударное бурение также объединяет особенности ударного и вращательного бурения, но с преобладанием мощности механизма вращения и осевого давления на забой над мощностью ударного механизма. Разрушение происходит главным образом за счет скалывания породы, ослабленной ударным воздействием. Этот способ бурения реализован в буровых установках, применяемых при проведении подземных горных выработок.

Шарошечное бурение осуществляется шарошечными долотами. Шарошечное долото существенно отличается от бурового инструмента, применяемого при других способах бурения. Механизм разрушения породы шарошкой сложен. При ее перекатывании по забою под действием осевого усилия и крутящего момента порода разрушается за счет вдавливания, удара и резания.

Соотношение различных видов разрушения зависит от конструкции шарошки (формы зубьев, конфигурации шарошек) и от расположения ее осей в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При определенной форме и ориентации осей преобладают элементы вдавливания и удара зубьев о породу. В этом случае шарошечное бурение ближе к ударно-вращательному способу. При смещении оси шарошки относительно оси долота в плане происходит проскальзывание шарошек по забою и тогда он ближе к вращательно-ударному, то есть с преобладанием явления резания породы.

Станки шарошечного бурения (рис. 3.3) за последние 20-25 лет получили наибольшее распространение (70% буровых работ) при бурении скважин диаметром 160-320 мм и глубиной до 35 м в породах с Пб >5.

Достоинства - высокая производительность (до 150 м/смену), непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации.

Недостатки - большая масса станка, малая стойкость долот в труднобуримых породах.

Рисунок 3.2 - Схема станков шнекового и шарошечного бурения:
1 - платформа; 2 - гусеничная ходовая часть; 3 - кабина с пультом управления;
4 - поворотный редуктор; 5 - электрооборудование

Способ термического (огневого) бурения получил 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).

Хрупкое разрушение пород происходит за счет нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления термических напряжений, превышающих предел прочности породы. Производительность в хорошо термобуримых породах достигает 12-15 м/час.

В трудно термобуримых породах (например, трещиноватых) этим способом эффективно расширение диаметра заряжаемой части скважин (до 400-500 мм), пробуренных шарошечными станками. При этом расстояние между скважинами может быть увеличено, что ведет к снижению объема бурения.