Механическое бурение скважин и шпуров

План лекции:

1. Способы механического бурения

2. Сущность и область применения способов

Литература: 1, 2, 3

Бурение – это процесс, заключающийся в последовательном разрушении поверхности забоя шпура или скважины и удалении из них продуктов разрушения (буровой мелочи).

Шпур представляет собой цилиндрическую полость в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м.

Скважина отличается от шпура тем, что ее глубина превышает 5 м.

Машины, применяемые для механического способа бурения, называют бурильными, а в качестве бурового инструмента используются буры, штанги, резцы и коронки.

По характеру воздействия и величине нагрузок, разрушающих горную породу, различают следующие способы механического бурения (рис. 2.1).

1. Вращательный 2.Ударно – поворотный 3.Ударно – вращательный 4.Вращательно – ударный

f < 8 f > 6 f = 2- 16 f = 2 – 16

Рис. 2.1. Области применения способов механического бурения шпуров

Буровыми называются работы по бурению шпуров или скважин буровыми машинами. Рассмотрим способы бурения более подробно. Начнем с вращательного способа (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Вращательный способ буреня шпуров (скажин)

Его сущность состоит в том, что резец (коронка) непрерывно вращаясь вокруг оси (под действием кружещего момента М и осевого усилия Р) внедряется в породу, срезая ее на поверхности забоя шпура. Данный способ бурения по сравнению с другими имеет следующие преимущества:

- бурильные машины в основном работают на более дешевой электрической энергии;

- непрерывность процесса разрушения горной массы обеспечивает высокую скорость бурения;

- меньше шум и вибрация машины;

- разрушение породы происходит крупным срезом, что уменьшает пылеобразование.

Основным недостаком способа является его неприменимость для бурения шпуров в породах большой крепости.

Кинематическая схема ударно - поворотного способа бурения представлена на рис 2.3.

Рис. 2.3. Ударно-поворотный способ бурения шпуров (скважин)

Сущность способа состоит в том, что буром наносят последовательные ударные нагрузки по породе с усилием Ауд. После каждого удара бур поворачивается на угол α (α = 10⁰-15⁰) под действием крутящего момента М. При этом обеспечивается внедрение резца в массив и снятие (скалывание) породы по секторам.

Основным преимуществом ударно-поворотного бурения является его применение в породах с коэффициентом крепости f = 8-20.

К недостаткам способа относятся: прерывность бурения и более длительный процесс разрушения породы, чем при вращательном бурении; вибрация машин при бурении; высокий уровень пылеобразования и шума.

Рассмотрим вращительно-ударный способ бурения (рис. 2.4). Его сущность заключается в одновременной подаче на забой (через непрерывного вращающийся бур) осевого статического усилия Р и периодических ударных нагрузок Ауд.

Рис. 2.4. Вращательно-ударный способ бурения шпуров (скважин)

Внедрение буровой коронки в породу происходит под действием как ударной нагрузки и осевого усилия, так и в результате его вращения. При этом требуется меньшее осевое усилие, чем при вращательном способе бурения, что способствует меньшему износу коронок. Такой способ считается наиболее совершенным, поскольку в нем используются достоинства вращательного и ударно-поворотного бурения. К преимуществам способа относятся:

- непрерывность процесса разрушения горной массы, что обеспечивает высокую скорость бурения;

- применение в породах большой крепости f < 16;

- исключается применение ручного труда;

- улучшение санитарно-гигиенических условий труда.

Недостатком способа является то, что используется более сложная и дорогая конструкция бурильных машин, чем при вращательном и ударно-поворотном бурении.

Ударно-вращательный способ бурения применяется в основном для бурения скважин. Удары наносятся по непрерывно-вращающемуся инструменту, а разрушение породы происходит только за счет внедрения коронки в массив при ударных нагрузках (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Ударно-вращательный способ бурения скважин

Опишем буровые машины, механизмы и инструмент.

При вращательном бурении используются следующие сверла и инструмент (рис. 2.6-2.12).

Сверла

Электрические сверла Пневматические сверла Гидравлические сверла

Ручные Колонковые

m < 25кг m < 130 кг

СЭР-19 на машинорегуляторах

СЭР-19м или на распорных

СЭР-19д колонах

ЭРП-18д-2м ЭБГП-1, СЭК-1

Штанги витые ромбического сечения

Рис. 2.6. Сверла, использующиеся для вращательного бурения шпуров (скважин)

Электродвигатель

5) Двухступенчатый редуктор

6) Шпиндель

7) Бур

Рис. 2.7. Ручные электрические сверла СЭР и ЭРП-180-2М

Рис. 2.8. Состав бура

Рис. 2.9. Гидравлическое ручное сверло

Рис. 2.10. Пневматическое ручное сверло

Техническая характеристика ручных электросверл приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Техническая характеристика ручных электрических сверл

Тип сверла	СЭР-19м	СЭР -1	ЭР-14-2М	ЭР-18Д-2М	ЭРП-18Д-2М
Мощность двигателя, кВт	1,2	1,2		1,4	1,4
Частота вращения, об./мин.	340 700
Масса, кг			16,5		24,5

Техническая характеристика ручных пневматических сверл приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Техническая характеристика ручных пневматических сверл

Тип пневносверла	СР-31М	СР-3Б1М
Машинальное давление сжатого воздуха, мПа	0,4	0,4
Частота вращения шпинделя, об./мин.
Масса, кг	13,5

Колонковое сверло ЭБГП-1 (электробур с гидравлической подачей и перехватом штанг) приведено на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Колонковое сверло ЭБГП-1

Для применения колонковых сверл используются или распорные колонки КЭБ-5 (рис. 2.12) или манипуляторы МБИ-5У, МН-2, НБ-3.

Рис. 2.12. Распорная колонка

Типы коронок по числу лезвий (штырей): долочатые, крестообразные, комбинированные коронки (мм) Д=28-52, d₁-24÷40, d₂=8÷10 H=60-75, h=30-45.Долотчатые (КДП) пластинчатые – крепкие и средней крепости БКПМ – 36, БКМП – 40( с пылеулавливанием) – в весьма крепких породах, БКМП – 36ф, БКМП – 40ф (с промывкой).

- крестовые пластинчатые коронки ( ККП) – четырехперые крестообразные

- трехперые штыревые коронки ( КТШ) – применяется в трещиноватых породах

БКР – коронка с резьбовым соединением

Тип резца	Горная порода	Код f	Средства бурения
РУ – 43	Уголь	< 3	Ручные сверла
РУ – 13М	Уголь порода	< 6	Ручные и колонковые сверла
РУ – 4М	Уголь	< 3	Ручные сверла
РП – 7	Порода	< 8	Колонковые сверла
РП – 42		< 10	Колонковые сверла и бурильные уст.
(РБ-42-2)		< 10	Колонковые сверла и бурильные уст.
БИ – 741В		< 8	Бурильные уст.
ВУ – 1		< 16	Бурильные уст.

Бурильные установки: БУЭ-1м

РИСУНОК

Техническая характеристика бурильных установок

Тип уст.	БУЭ – 1М	БУЭ-3	БКГ-2	БУЭ-3Т
Сечение выр в проц. (м²)	8-12	9-25	9-22	14-25
Глубина бурения шпуров (м)	< 3	< 3	< 2,8	< 3
Число буривных машин
Ширина колеса (мм)	600 750 900	600 750 900
Масса (т)	5,4	9,8	5,5	13,7

РИСУНОК

Перфораторы	Переносные	Телескопические	Колонковые
Параметры	ПП35В	ПП54В	ПП63В	ПТ29М	ПТ36М	ПК60	ПК75
Энергия удара (Дж)
Частота удара в минуту
Крутящий момент (Н.м)
Расход воздуха (м³/мин)	2,8	3,5	3,5	3,3	4,5	9,0	13,0
Масса (кг)		30,5

4)Вращательно-ударный способ бурения шпуров

Техническая характеристика пневматических бурильных установок

Тип	БУ-1М	БУР-2	СБУ-2М
Сечение выработки в проходке (м²)	6-19	12-25	20-30
Число буривных машин (шт)
Расход сжатого воздуха (м³/с)	0,21-0,25	0,42-0,5	0,42-0,5
Ширина колеи (мм)	600 900 750	750 900	-
Масса (т)	2,3	5,7	6,7

РИСУНОК

Понятие про взрыв и основные свойства взрывчатых веществ. Виды взрывов. Физико-химические характеристики взрывчатых веществ. Кислородный баланс. Основные свойства и методы их определения

Взрыв – процесс высвобеждения большого количества энергии в ограниченном объеме за весьма короткий промежуток времени.

Скорость с которой происходит быстрая химическая реакция, называется скоростью взрыва.

По скорости взрыва различают: детонацию, взрывное горение и выгорание.

1. Детонация – взрыв, распостроняющийся с постоянной и максимальной для конкретного взрывчатого ВВ и данных условий сверхзвуковой скоростью (1200 – 7000 м/с).

2. Взрывное горение– взрыв, протикающий со скоростью несколько сотен метров в секунду (взрыв пороха, возбужденный искрой или пламенем). t⁰- несколько тысяч С^о.

3. Выгорание – переход детонации в горение со скоростью нескольких десятков метров в секунду. Промежуточное явление между 1 и 2.

4. Термический распад - происходит при нагреве ВВ ниже температуры вспышки.

ВВ– химические соединения или смеси химических веществ, способные под воздействием внешнего импульса (нагревания, удара, искры) быстро переходить в другие вещества с выделением большого количества тепла и образования газов, способных производить механическую работу.

Продукты взрыва содержат пары воды, углекислый газ, окиси азота и другие газы.

Мощность ВВзависит от его состава, кислородного баланса, количества газа, образовавшихся при взрыве, температуры и скорости взрыва.

Кислородным балансом называют избыток или недостаток химически связанного кислорода во взрывчатом веществе по сравнению с количеством его, необходимым для полного окисления всех горючих элементов. Кислородный баланс может быть положительным, отрицательным и нулевым.

При положительном кислородном балансе в составе ВВ содержится больше кислорода, чем нужно для полного окисления горючих элементов. Оставшийся кислород окисляет при взрыве свободный азот, образуя ядовитые окиси азота, вследствие чего такие ВВ не допускаются для взрывных работ под землей.

При отрицательном кислородном балансе не все горючие элементы окисляются полностью, из-за недостатка кислорода в продуктах взрыва образуется ядовитая окись углерода.

Наиболее эффективными являются ВВ с нулевым кислородным балансом, при котором в составе ВВ кислород содержится в количестве, необходимом, для полного окисления всех горючих элементов.

В подземных условиях применяют ВВ с «0» или близким к «0» кислородным балансом.

Основными характеристиками ВВ являются: работоспособность, бризантность и чувствительность, которые определяют опытным путем в лабораторных условиях.

Работоспособность ВВ – способность при взрыве производить механическую работу (определяют по методу Трауцля).

РИСУНОК

Поле взрыва измеряют объем образовавшейся полости, заливая в нее воду из мерного сосуда. Работоспособность ВВ определяет как разность объемов полости после взрыва V и объем канала до взрыва (61,5 см³) за вычетом работоспособности детонатора (30 см³) т.е. P=V-61,5-30=V-91,5[см³]

Работоспособность промышленных ВВ составляет 130-500 см³. Например: Скальный аммонит пресованый Р=45см³; Аммонит № 6 ЖВ–Р=360см³; Т–19–Р=270см³; Угленит Э–6=Р=170 см³.

Бризантность ВВ – способность при взрыве производить дробление среды, сопрекосающейся с зарядом.

РИСУНОК

После взрыва цилиндрик дает усадку. Бризантность ВВ – h_бр определяется как разность высот цилиндрика до и после взрыва. Бризантность промышленных ВВ составляет 4-30мм. Например: Скальный аммонит пресованый h_бр=28мм; Аммонит h_бр=14мм; Угленит h_бр=9мм.

Чувствительность ВВ – способность реагировать на различного рода внешние воздействия (удар, искра, нагревание, горение).

Чувствительность ВВ к удару определяет степень опасности обращения с ними. РИСУНОК

Мерой чувствительности является наименьшая высота, падая с которой, груз вызывает взрывание навески ВВ.

Чувствительность ВВ зависит от его физического состояния и химического состава. ВВ, имеющее чувствительность до 7см считают высокочувствительными к удару и весьма опасными в обращении:

– гремучая ртуть – 2 см; азот свинца – 6 см;
– нитроглицерин – 4см.

Промышленные ВВ: Динамиты – 20-30 см; Аммониты – самые низкочувствительные – 70-100 см.

К основным физико-химическим характеристикам ВВ относят: плотность, слеживаемость, гидроскопичность, водоустойчивость, старение, эскудацию.

Свойства ВВ

Плотность Эскудация

Слеживаемость Старение

Гигроскопичность Водоустойчивость

Плотность ВВ – отношение массы ВВ к занимаемому объему [г/см³, кг/дм³, т/м³].

Слеживаемость – способность ВВ терять свою сыпучесть и образовывать сплошную массу, что значительно снижает детонацию.

Гидроскопичность – способность ВВ самопроизвольно поглощать водяные пары из воздуха и увлажняться.

Водоустойчивость – способность ВВ противостоять проникновению во внутрь патрона воды, которая приводит к затруднению детонации.

Старение – свойства пластичных ВВ со временим снижать восприимчивость к детонации. Разжиганием патрона можно восстановить чувствительность постаревшего ВВ.

Эскудация – выделение из состава ВВ некоторых жидких компонентов.

Проверку качества ВВ производят в соответствии с Едиными правилами безопасности при взрывных работах . (г.Киев, «Норматив» 1992 г.)