БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

Бурение скважин в подземных выработках

Бурение скважин пневматическими буровыми молотками (штан­говое бурение). При подземной разработке рудных месторождений широко применяется отбойка руды с использованием скважин. В крепких рудах неглубокие скважины бурят чаще всего пневма­тическими буровыми молотками: восстающие — телескопными,

А слабонаклонные и горизонтальные — колонковыми. Глубокие скважины бурят погружными пневматическими перфораторами или буровыми станками с шарошечными долотами.

Телескопными молотками бурят скважины глубиной до 6—8 м и диаметром до 70—90 мм. Сменная производительность молотка достигает 10—15 м при рудах с коэффициентом крепости /=12 по шкале проф. М. М. ГІротодьяконова. В качестве бурового инстру­мента применяют свинчивающиеся штанговые буры (поэтому и способ бурения часто называют штанговым) и съемные коронки ступенчатой или обычной формы.

Для удобства наращивания штанг применяют штангодержа - тели или специальные колонки, на которых крепятся штангодер- жатели и подающие устройства молотков.

С увеличением длины и массы бурового инструмента сила уда­ра коронки бура по забою скважины уменьшается. В связи с этим понижается и производительность бурения. Расход времени на бурение единицы длины скважины возрастает с ее глубиной и тем быстрее, чем больше диаметр скважины. Чтобы уменьшить вес бурового инструмента, нередко применяют в качестве буровых штанг трубы наружным диаметром 42 мм. Трубчатые штанги соединяют с помощью ниппелей.

Колонковыми молотками бурят скважины длиной до 10—12 м при диаметре 70—90 мм (реже до 18—20 м при меньшем диа­метре). Скважины бурят с промывкой, воду (или воду с раствором смачивателя) подводят с помощью промывочной муфты к буровой штанге, минуя молоток.

Бурение скважин погружными перфораторами. Для бурения глубоких скважин (10—50 м) в породах крепких и средней кре­пости применяют погружные перфораторы. Погружной перфора­тор представляет собой гладкостенный пневматический буровой молоток (рис. 122), который вместе с буром погружается в сква­жину по мере ее выбуривания. Молоток закреплен на штанге — трубе, наращиваемой по мере бурения скважины. Он снабжен ко­ротким буром со ступенчатой коронкой (рис. 123). Диаметр корон­ки на 10—20 мм больше наружного диаметра молотка. Хвостовик бура закреплен в патроне-буродержателе так, что может переме­щаться вдоль оси на 20 мм. Поворот бура в погружных перфора­торах осуществляется, как и в обычных буровых молотках, посред­ством храповично-винтового механизма.

Погружной перфоратор ПШ-20 имеет сдвоенный цилиндр и пор­шень. Он крепится к двухтрубной штанге. По внутренней трубе подается вода для промывки скважины, а по межтрубному кольце­вому зазору — воздух для работы перфоратора. Концевая буровая штанга крепится держателем ДП-1 в салазках колонкового мо­лотка с ручной или автоматической подачей. Масса перфоратора 20 кг, податчика — 32 кг и колонки — 30 кг. Глубина бурения 50 м, диаметр коронки 90 мм, скорость бурения 50 мм/'мин по породе с коэффициентом крепости f = 10 по шкале. проф. М. М. Про - тодьяконова.

Для бурения скважин диаметром 150 мм применяется погруж­ной перфоратор ПШ-50. Масса перфоратора^ кг, наружный диа­метр 140 мм. Перфоратор крепится к однотрубной штанге, по кото­рой подается сжатый воздух для его работы. Вода для промывки подается по резиновому шлангу, прикрепленному к перфоратору. Скорость бурения 45—50 мм/'мин по породе с коэффициентом кре­пости f = 10.

Кроме погружных перфораторов с поворотным механизмом ши­роко применяются погружные перфораторы без поворотного меха­низма — пневмоударники с вращательными станками, в которых бур поворачивается вместе с перфоратором, а последний получает вращательное и поступательное движение посредством штанг от буровых станков, располагаемых у забоя выработки.

На рис. 124 показан буровой станок НКР-100 для бурения скважин диаметром 105 мм, глубиной до 80 м. Его жесткой базой являются корпус электродвигателя 1 и неподвижного патрона 2. К этой базе крепятся отражательный щит 3 и двухцилиндровый пневмоподатчик 4, штоки которого соединены с корпусом узла подающего патрона 5. В патронах 2 и 5 зажимается став буровых штанг 6. На переднем конце става укреплен пневмоударник 7 типа М-1900, а к другому концу крепится с помощью сальниковой. муфты 8 шланг, подводящий водо-воздушную смесь для бурения и очистки скважины. Станок крепится к распорной колонке 9 двух - шарнирной связью и может поворачиваться на любой угол в гори­зонтальной и вертикальной плоскостях. По высоте колонки его перемещают ручной лебедкой 10. Операции перехвата штанг меха­низированы.

При рабочем ходе сжатый воздух поступает в камеру подающего патрона 5, перемещает поршень 11 назад и зажимает штангу ку­лачками. Одновременно в неподвижном патроне 2 сжатый воздух перемещает поршень вперед и разжимает кулачки. Поступая в ци­линдры пневмоподатчика, сжатый воздух двигает подающий патрон со штангой вперед. В крайнем переднем положении подающий патрон с помощью тяги и рычага поворачивает золотник, изменя­ющий направление подачи воздуха в патроны и пневмоподатчик. В неподвижном патроне перемещением поршня назад зажимается штанга, а в подающем поршень идет вперед и отжимает кулачки. Пневмоподатчик передвигает подающий патрон в крайнее заднее положение и золотник поворачивается снова.

Благодаря автоматическому перехвату штанг и перемещению подающего патрона затраты времени на вспомогательные опера­ции уменьшаются. Ввиду этого, а также вследствие большего осе­вого усилия производительность станка НКР-100 выше, чем стан­ка БА-ЮОм, в котором перехват штанг не автоматизирован. При бурении скважин на руднике им. Губкина (КМАруда) по микро­кварцитам с коэффициентом крепости f = 16-f-18 средняя сменная производительность станка БА-100 составила 13,7 м, а средняя стойкость коронки 1,64 м. Начальный диаметр скважины 103 мм, конечный 97 мм, глубина 50 м. Стоимость бурения составила около 8 рубім, стоимость дробового бурения на этом же руднике равна 27 рубім.

Сравнивая погружные перфораторы с поворотным механизмом (ПШ-20, ПШ-50) с пневмоударниками — погружными перфорато­рами, получающими вращение от отдельного привода (БА-100, БМК-4, НКР-100 и др.), можно отметить следующее: перфораторы первого типа портативны и удобны в работе; перфораторы второго типа требуют применения тяжелых буровых станков, что является их недостатком. Однако перфораторы второго типа имеют более высокую производительность, так как работают по принципу вра - щательно-ударного бурения.

Пневмоударники со станками целесообразно применять в более крепких породах для бурения глубоких скважин и при веерном их расположении; перфораторы ПШ-20 и ПШ-50 — при параллельных и менее глубоких скважинах.

Техническая характеристика погружных перфораторов приве­дена в табл. 10 приложения.

Вращательное бурение скважин кольцевыми режущими корон­ками с твердыми сплавами. В породах с коэффициентом крепости не более 6—8 по шкале проф. М. М. Протодьяконов а вращательное бурение можно производить с помощью стальных кольцевых ко­ронок, армированных резцами из твердых сплавов. Коронка ввин­чивается в колонковую стальную трубу диаметром, равным диа­метру коронки, и длиной от 1 до 4,5 м. Колонковая труба служит для размещения керна. Она соединяется с колонной трубчатых штанг. Штанги имеют длину 1,5—4,5 м и соединяются между собой ниппелями.

Колонна штанг, получая вращательное и поступательное дви­жение от бурового станка, заставляет коронку врезаться в породу и выбуривать кольцевую выемку. На свободный конец штанги надевается сальник, через который в колонну непрерывно подается вода, выносящая из-под коронки разбуренную породу.

Керн по заполнении им колонковой трубы отрывают от забоя и выдают из скважины! Бурение при этом прекращают и из сква­жины извлекают колонну штанг и колонковую трубу с керном.

Расход воды на промывку скважины устанавливают из расчета, чтобы скорость восходящей струи была 0,25—0,30 м/сек, т. е. при­близительно 1 л/мин на 1 мм диаметра коронки. При бурении го­ризонтальных и наклонных скважин расход воды в 3—4 раза меньше.

Для вращательного буреиия кольцевыми коронками в подзем­ных условиях применяются буровые станки ГП-1, БД, КА-2М-300, ЗИВ-150 и др. Техническая характеристика станков для бурения скважин приведена в табл. 10 приложения.

Алмазное бурение. Алмазное бурение применяется в крепких и очень крепких породах в случае невозможности использования кольцевых коронок с лезвиями из твердых сплавов. В породах с коэффициентом крепости f > 12 по шкале проф. М. М. Про - тодьяконова применяют алмазные кольцевые коронки, в менее крепких породах — сплошные (рис. 125). Наружный диаметр ко­ронки 36—85 мм, толщина режущего кольца 8 мм.

Алмазные коронки армируют следующим образом. Порошко­образную смесь меди, вольфрама и алюминия смешивают с мел­кими техническими алмазами, которые занимают до 30—40% об­щего объема смеси. Количество алмазов в режущем кольце состав-

Ляет 4—6 каратов (1 карат равен 0,2 г). Алмазы применяются мелкие: 100—400 шт. на 1 карат. Смесь засыпают в матрицу и прес­суют при давлении 500—700 кГ на 1 см2 сечения алмазной корон­ки, а затем нагревают до 1100° С. В результате этого алмазы за­крепляются в твердом металлическом сплаве. Режущее кольцо коронки припаивают к короночному кольцу бронзой. При бурении металлический сплав кольца истирается быстрее алмазов и послед­ние, выступая на поверхности коронки, разрушают породу. Буре­ние ведется при непрерывной подаче воды. Коронка до полного износа пробуривает в крепких породах до 60 м скважин. Произво­дительность бурения — до 10 м в смену по породам с коэффи­циентом крепости f — 14.

Вращательное бурение скважин шарошечными долотами. Бурение скважин шарошечными долотами применяется в крепких и очень крепких породах. При этом способе бурения порода разрушается не срезыванием, как обычно при вращательном бурении, а раздав­ливанием и скалыванием ее зубьями шарошечного долота.

На рис. 126, а, показано двухшарошечное долото, снабженное двумя шарошками 1 конусной формы, которые укреплены на ла­пах 2 посредством цапф и шариковых опор качения 3. Шарики введены через отверстия в лапе и закрыты металлическим паль­цем 4. На верхнем конце долота имеется конусный шип с резьбой, посредством которого оно соединяется с пустотелой штангой, слу­жащей для сообщения долоту вращательного и поступательного движения, а также для подачи к нему промывочной воды.

Обе шарошки армированы стерженьками 5 из твердых спла­вов ВК-11 или ВК-15 высотой 14 мм и диаметром 12 мм. Стер­женьки твердых сплавов (зубки) располагаются на шарошках несимметрично, с переменным шагом. Несимметричное расположе­ние резцов обеспечивает попадание одной их части на гребни между впадинами, образованными другой частью, что облегчает разрушение породы (рис. 126, в).

Скорость бурения пропорциональна осевому усилию на долото в степени т (1 <т<3) и скорости вращения. Однако при ско­рости вращения более 200 об/мин вследствие значительной вибра­ции штанг и станка приращение скорости бурения снижается и уменьшается стойкость долота.

При бурении в крепких и весьма крепких породах число оборо­тов долота рекомендуется принимать 50—150 в минуту, а осевое усилие 30—40 кГ на 1 мм диаметра долота.

Буровые штанги имеют диаметр 89, 76 и 64 мм в зависимости от диаметра скважины. Во избежание продольного изгиба под влиянием большого осевого усилия на штанги ставят опорные фонари (см. рис. 126, б).

При бурении в трещиноватых породах целесообразно приме­нять трехшарошечные долота. Их стойкость выше в 1,5 раза, чистая скорость бурения — в 1,2 раза, сменная производительность — в 1,6—1,8 раза по сравнению с двухшарошечными долотами.

По мере затупления долота происходит уменьшение его диа­метра, поэтому последующее долото должно иметь диаметр на 4—5 мм меньше предыдущего. Во избежание значительного умень­шения диаметра скважины применяют долота с расширителями (рис. 127). Расширители — шарошки цилиндрической формы, укрепленные в корпусе долота выше основных конических шаро­шек. Они расширяют скважину в результате обработки ее боковой поверхности.

При бурении шарошечными долотами необходимо вести интен­сивную промывку забоя скважины; скорость восходящего потока воды в кольцевом пространстве между штангой и скважиной должна быть не менее 0,8—I м/сек. При бурении горизонтальных и наклонных скважин расход воды в 3—4 раза меньше (50— 80 л/мин).

6

Для шарошечного бурения применяют буровой станок СБ-4 (рис. 128). На раме станка 1 укреплены электродвигатель 2 и вра­щатель 7, передающий вращение пустотелому шпинделю 8 с за­жимным патроном 6. К корпусу вращателя прикреплены гидрав­лические цилиндры 4. В них перемещаются поршни со штоками. Передние концы штоков соединены траверсой 3, которая охваты­вает передний конец пустотелого шпинделя и заставляет его пере­мещаться вперед и назад в зависимости от направления движения поршней.

Колонна штанг проходит 'сквозь пустотелый шпиндель и за­крепляется в нем патроном 6. К задним концам гидроцилиндров шарнирно прикреплен штангодержатель 5, удерживающий штангу при холостом передвижении шпинделя. Гидропривод (двигатель, насос, бак с маслом и кран управления) смонтирован на отдельной раме. Осевое усилие на шпиндель и долото зависит от давления масла в гидроцилиндрах и может изменяться в широких пределах. Изменение числа оборотов шпинделя производится заменой шкивов. Техническая характеристика станка СБ-4 приведена в табл. 10 приложения.

При бурении скважин диаметром 140 мм станками СБ-4 и трех - шарошечными долотами ДШ-10 на Сокольном руднике по породам с коэффициентом крепости f — 14—18 были получены следующие результаты: скорость бурения до 12 м в смену; стоимость бурения 1 ж скважины 25 руб.; стойкость долота 14 м при f = 14 и 4 м — при f = 18.

Средняя скорость бурения погружными перфораторами на этом руднике составляла 8 м в смену, стоимость 1 м скважины 25 руб. Средняя скорость дробового бурения составляла 3 м в смену, а стоимость 1 м скважины 52 руб.