Комплектная машина осуществляющая процесс бурения шпура способом разрушения горной породы
Классификация способов и средств бурения шпуров и скважин
Классификация способов и средств бурения шпуров и скважин
Бурение горных пород производится с целью образования шпуров и скважин. Под шпуром понимают цилиндрическую полость диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, а под скважиной подобную полость диаметром более 75 мм или любого диаметра при глубине более 5 м. Шпуры и скважины используются для размещения в них взрывчатых веществ при добыче полезных ископаемых или проходке подготовительных выработок. Скважины, кроме того, используются для вентиляции, спуска угля и леса, прокладки кабелей и трубопроводов, дегазации пластов, дренажа и разведки полезных ископаемых.
Процесс проведения шпуров и скважин называется бурением, а используемые при этом машины – бурильными. Процесс бурения сводится к разрушению горной породы и удалению буровой мелочи из шпура или скважины. Разрушение горной породы на забое шпура или скважины может осуществляться при механическом воздействии бурового инструмента на породу или физическими средствами (высокотемпературной струей горелки, струей жидкости высокого давления, ультрозвуком, взрывными средствами и т. д.). В случае механического разрушения инструмент под действием механических усилий внедряется в породу, отделяя частицы с забоя, при этом кристаллографическая структура разрушенной породы не меняется.
По характеру приложения силовых нагрузок к буровому инструменту механическое бурение осуществляется следующими четырьмя способами: вращательным, ударным, вращательно-ударным, ударно-вращательным.
Вращательное бурение производится резцом, непрерывно вращающимся вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины. Одновременно резцу сообщается подача на забой. Разрушение породы производится от постоянно действующего крутящего момента и осевого усилия (рис.2.1 а). Величина крутящего момента равна сопротивлению породы скалыванию и сопротивлению трения инструмента о породу. Во время бурения каждое перо резца движется по винтовой линии, скалывая своей передней гранью породу. Процесс скалывания породы происходит непрерывно, вследствие чего достигается высокая скорость бурения.
Вращательное бурение применяется только в породах ниже средней крепости (f
КЛАССИФИКАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН И СПОСОБЫ БУРЕНИЯ
Бурильные машины можно классифицировать следующим образом:
по назначению — для образования шпуров по углю и горным породам и для проведения скважин различного назначения. Диаметр шпура обычно составляет 30—75 мм и длина до 5 м. Скважины имеют более значительный диаметр и длину;
по роду потребляемой энергии — на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные;
по способу разрушения горной породы — механическим, физическим и комбинированным способами разрушения. Наибольшее применение в современных горных машинах получил механический способ разрушения. При физическом способе на породу воздействуют газами, жидкостью, электрическим током, теплом и другими видами энергоносителя (к этому способу относят взрывное, термическое, ультразвуковое, гидравлическое и электрогидравлическое бурение). При комбинированном способе горную породу разрушают одновременно механическим и физическим способами.
При бурении шпуров или скважин механическим способом горная порода разрушается под действием внешних сил, передаваемых от бурильной машины буровому инструменту, а от него — непосредственно на породу в забое. При этом порода разрушается инструментом, который перемещается под действием осевой нагрузки (ударной или статической) и крутящего момента.
В зависимости от точек приложения и величин этих нагрузок различают четыре способа бурения: ударно-поворотный, вращательный и занимающие между ними промежуточное положение ударно-вращательный и вращательно-ударный.
Основное преимущество ударно-поворотного способа бурения — возможность бурить породы любой крепости. К недостаткам следует отнести периодичность воздействия инструмента на породу, значительное пылеобразование, шум и вибрацию при работе. Ударно-поворотное бурение шпуров осуществляется посредством пневматических перфораторов. Теория ударно-поворотного бурения представлена в учебниках [18, 26] и здесь не рассматривается.
Вращательное бурение (рис. 2.1, б) характеризуется тем, что инструмент под действием значительного осевого усилия подачи и крутящего момента Мкр, двигаясь поступательно на забой, отделяет по винтовой линии срез толщиной п. Ударные нагрузки отсутствуют. При вращательном бурении различают бурение сплошным забоем и кольцевым. В последнем случае в центре забоя скважины остается колонка (керн) неразрушенной породы.
Область рационального применения вращательного бурения — малоабразивные породы с коэффициентом крепости до /
СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДЫ ПРИ БУРЕНИИ ШПУРОВ И СКВАЖИН
1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Основной способ проведения горноразведочных выработок – буровзрывной. Взрывчатые вещества при этом размещают в специально пробуренных шпурах и реже – в скважинах. Нередко шпуры и скважины при проведении выработок используют и для других целей, например для размещения в них элементов горной крепи, установки контрольно-измерительных приборов, при прокладке энергокоммуникаций, вентиляционных трубопроводов и т. д.
Шпур – это цилиндрическая полость в горной породе, имеющая диаметр до 75 мм и глубину до 5 м.Если один или оба размера полости превышают указанные для шпура, то такую полость называют скважиной. Естественно, граница между двумя этими понятиями в определенной мере условна. Дно шпура называют забоем, а место выхода на поверхность породы – устьем.
Бурение шпуров при проведении выработок по крепким породам – одна из самых трудоемких операций, на которую приходится 25–40% общих трудовых затрат и до 60% стоимости проходческих работ.
Как технологический процесс бурение шпуров представляет собой соединенные в неразрывное целое последовательное разрушение породы на забое шпура и удаление из него продуктов разрушения.
Все способы разрушения породы при бурении шпуров и скважин делят на механические и немеханические. Соответственно различают механические и немеханические способы бурения. Последние промышленного использования не получили.
На практике применяют следующиемеханические способы бурения шпуров и скважин при проведении горных выработок: 1) вращательный, 2) ударно-поворотный, 3) ударно-вращательный, 4) вращательно-ударкый и 5) шарошечный.
1) При вращательном бурениипорода разрушается под действием осевой нагрузки и вращающего момента, передаваемого бурильной машиной нородоразрушающему инструменту в виде резцов или шарошечных долот.
При использовании резцов осевая нагрузка должна превышать сопротивление породы внедрению режущих лезвий, а вращающий момент – сопротивление сколу (сдвигу) участков породы, прилегающих к передним режущим граням резца. В результате непрерывного вращения под действием момента Мвр и поступательного перемещения под действием осевой нагрузки, или усилия подачи, Рос все точки породоразрушающего инструмента в пространстве движутся по винтовой траектории.
При вращательном бурении порода разрушается в одном из трех режимов: 1) усталостном, 2) поверхностноми 3) объемном. Режим разрушения зависит от соотношения между величиной осевой нагрузки 
и прочностью породы на вдавливание. Условия разрушения для всех трех режимов могут быть записаны следующим образом: I. 
‑усталостное; II. 
‑ поверхностноеIII. 
‑ объемное, где 
–предел прочности породы на вдавливание; 
– площадь контакта инструмента с породой; 
– коэффициент пропорциональности.
Наиболее целесообразно вращательное бурение вести в режиме объемного разрушения. Для этого необходимо, чтобы удельное осевое усилие ( 
) было больше предела прочности на вдавливание. На практике, когда осевая нагрузка у конкретной бурильной машины – величина ограниченная, объемное разрушение вследствие износа породоразрушающего инструмента и увеличения торцевой площади контакта его с породой может переходить в поверхностное истирание, которое, не говоря уже об усталостном режиме, не эффективно. Таким образом, чем выше прочность породы, тем большим должно быть и осевое усилие. Это предопределяет очень жесткие требования к прочности породоразрушающего инструмента.
На рис. 2.1 приведена принципиальная схема взаимодействия лезвия резца с породой при вращательном бурении. Внедрению резца в породу будет препятствовать сопротивление породы – силы 
и 
соответственно на задней и передней гранях резца. Кроме того, на этих же гранях будут возникать силы трения 
и 
. Проектируя систему сил на горизонтальную и вертикальную оси, можно получить решение, связывающее осевое усилие и глубину внедрения 
:
(2.1)
где 
– длина лезвия; 
– угол заточки резца; 
– угол трения породы по материалу резца ( =15-27°).
Выражение (2.1) позволяет при известном значении осевого усилия рассчитать величину углубления лезвия за один оборот инструмента и, следовательно, механическую скорость бурения:
(2.2)
Область рационального применения вращательного способа бурения – малоабразивные породы с коэффициентом крепости 
. В более крепких породах даже армированный твердым сплавом породоразрушающий инструмент довольно быстро изнашивается.
К достоинствам вращательного способа бурения относятся непрерывность процесса разрушения породы и возможность обеспечения высокой производительности; невысокие удельные энергозатраты; низкая степень запыленности рабочей зоны; отсутствие опасной вибрации бурильной машины в процессе работы. Недостаток способа – ограниченная по крепости пород область применения.
2) При ударно-поворотном буренииинструмент клиновидной или иной формы внедряется в породу на забое шпура под действием значительной по величине, но кратковременной динамической нагрузки, направленной по оси инструмента. Осевое усилие обеспечивает в момент удара только контакт инструмента с породой, поэтому оно невелико. После каждого удара вследствие упругости инструмента и породы, а также незначительного осевого усилия инструмент отскакивает от забоя и специальным механизмом бурильной машины поворачивается на некоторый угол, обычно не превышающий 10–20°. Тем самым обеспечивается обработка забоя по всей площади. Образующуюся породную мелочь удаляют из шпура водой или сжатым воздухом.
Динамический процесс внедрения инструмента в породу можно представить следующим образом. На начальной стадии внедрения инструмента под лезвием 1(рис. 2.2) формируется зона 2, вобъеме которой порода находится в тонкоизмельченном состоянии. За пределами этой зоны образуется зона трещиноватости, в которой криволинейными трещинами порода разбита на неправильной формы отдельности 3. У свободной поверхности зона трещиноватости проявляется в форме скола отдельных элементов. Толщина зоны трещинообразования и размеры зоны скола определяются свойствами породы, энергией удара, скоростью приложения нагрузки, размерами и формой породоразрушающего инструмента.
При разрушении каждого следующего слоя породы используют эффект частичной разгрузки, т. е. ослабления породы в процессе разрушения предыдущего слоя.
Приближенно скорость бурения (м/с) при ударно-поворотном способе можно рассчитать по формуле
(2.3)
где 
– энергия единичного удара, Дж; 
– частота ударов, с- 1 ; – угол заострения лезвия коронки, град.; 
– диаметр коронки, м; 
– предел прочности породы на сжатие, Па; 
– коэффициент трения стали о породу ( =0,3–0,5).
3) При ударно-вращательном бурении, как и при ударно-поворотном, породоразрушающий инструмент углубляется в породу только под динамическим воздействием, т. е. в момент удара. Вращение же бурового инструмента осуществляется непрерывно от самостоятельного, работающего независимо от ударного механизма, двигателя. При этом инструмент и после удара по нему остается прижатым к забою статическим усилием, составляющим 0,5–1,0 кН на 1 см длины лезвия инструмента.
Ударно-вращательное бурение, как и ударно-поворотное, применяют в породах с коэффициентом крепости 
.
4) Вращательно-ударное бурение отличается от ударно-вращательного тем, что буровой инструмент внедряется в породу не только в момент удара, но и в промежутках между ударами под действием значительного статического осевого усилия, достигающего 1,5–2,0 кН на 1 см длины лезвия бурового инструмента. Этот способ бурения применяют в породах с 
. В более крепких породах осевой нагрузки, создаваемой вращательно-ударными машинами, недостаточно для статического внедрения инструмента в породу и использования эффекта резания, поэтому процесс разрушения переходит в режим ударно-вращательного.
С целью уменьшения абразивного износа инструмента осевую нагрузку в этом случае необходимо уменьшить до значений, соответствующих осевой нагрузке ударно-вращательных машин.
5) При шарошечном бурениипорода разрушается вследствие перемещения по забою шарошек – тел в виде конуса, цилиндра, сферы, диска, оснащенных зубьями или штырями. При чистом (без скольжения) качении шарошек порода разрушается, как при ударном бурении, правда, с весьма существенным увеличением роли статической осевой нагрузки. Все осевое усилие передается на породу соседними зубцами (рис. 2.3) и частично корпусом шарошки через продукты разрушения. По мере перехода зубца или штыря в вертикальное положение на него будет действовать возрастающая сила, а воздействие на соседние зубцы будет соответственно уменьшаться, и они прекратят разрушать породу. При бурении шарошечными долотами со скольжением шарошек порода разрушается, как и при вращательно-ударном бурении.
Средняя толщина разрушаемого слоя 
и скорость шарошечного бурения зависят от многих факторов, в том числе предела прочности породы на сжатие, модуля упругости породы, величины осевого усилия, конструктивных параметров инструмента и частоты его вращения.
Дата добавления: 2015-10-29 ; просмотров: 1753 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Буровые машины для открытых горных работ
В общей технологии открытых горных работ при разработке месторождений, сложенных скальными породами, буровзрывные работы являются одним из основных производственных процессов.
Проведение бурения осуществляется буровыми машинами различной конструкции.
Для разведки, вскрытия или добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, а также для различных вспомогательных целей, в горных породах бурят вертикальные, горизонтальные или наклонные шпуры и скважины.
Бурение — процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы путем разрушения горных пород в торцевом забое.
Шпуром называют искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м.
Скважиной называют искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром более 75 мм и глубиной более 5 м.
По способу разрушения горной породы буровые машины подразделяются на осуществляющие механические и физические способы разрушения, а также сочетающие их — комбинированные. К механическим относят машины ударно-вращательного и вращательного бурения шарошечными и резцовыми долотами, производящие разрушение горной породы инструментом путём прикладывания к нему силовых нагрузок; к физическим — машины термического, взрывного, гидравлического, электрогидравлического и ультразвукового бурения, воздействующие на горную породу через жидкую и газообразную среду.
Механический способ бурения скважин осуществляется за счет непосредственного воздействия рабочего инструмента на породу, при котором в последней возникают высокие напряжения, превышающие предел прочности минеральных образований и приводящие к разрушению породы в области контакта с инструментом.
По форме и характеру воздействия бурового инструмента на породу различают следующие виды бурения: ударное, вращательное резанием, ударно-вращательное, шарошечное, вращательно-ударное и комбинированное инструментом (режуще-шарошечным, шарошечно-ударным и др.).
Физические или физико-химические способы бурения разрушают породу через жидкую или газообразную среду термическим, взрывным, гидравлическим, электрогидравлическим, ультразвуковым, плазменным, лазерным и другими способами воздействия.
При термическом способе бурения разрушение (шелушение) пород происходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появление в породе термических напряжений, превышающих предел прочности минерального образования.
Взрывное бурение (также известное, как взрывобурение) может осуществляться с помощью ампульных или твердых ВВ, а также струйным способом.
Гидравлический способ бурения осуществляется тонкой высоконапорной струей воды, подаваемой на забой со сверхзвуковой скоростью, однако такой способ весьма затратен с точки зрения использования удельной энергии
Несмотря на создание и внедрение новых физических и комбинированных способов бурения, механическое разрушение горных пород при бурении, в первую очередь станками шарошечного бурения, остается определяющим, но каждый из механических способов имеет свою область применения и поэтому не может быть полностью вытеснен другими.
По способу приложения нагрузки к буровому инструменту буровые машины подразделяют следующим образом:
Рисунок 1 – Принципиальные схемы механических способов бурения: 1 — канат; 2 — долото; долото 3 — ударно-поворотный механизм механизм; 4 — штанга; 5— вращатель; 6— ударный механизм; 7— шарошки; Руд — ударное воздействие; Рос — осевое усилие; Мвр — крутящий момент;ω —угловая угловая скорость вращения долота
При ударно-поворотном бурении (рис. 1, б) вращающий момент незначителен, но инструмент непрерывно вращается вокруг своей оси. Порода разрушается в основном при введении лезвия инструмента под действием удара.
Благодаря же вращению инструмента производится срезание породы, оставшейся в гребешках после удара. Если коронку не поворачивать, то после нескольких ударов поверхность соприкосновения лезвия с разрушенной породой настолько увеличится, что введение лезвия и разрушение горной породы прекратятся.
Рисунок 2 – Принципиальные схемы механических способов бурения: а – ударное бурение; б – вращательное бурение шарошечными долотами; в –вращательное бурение резцовыми коронками; г – ударно-вращательное вращательное бурение
Вращательное бурение резанием (рис. 1, в; рис. 2, в) осуществляется резцом, непрерывно срезающим и скалывающим частицы породы с забоя по винтовой линии передней гранью под действием приложенных усилий Рос (рис.1) и момента вращения Мвр. Одновременно с этим, коронка подается на забой вдоль оси скважины со значительным усилием. Вращательное бурение применительно только к слабым углям и породам со средним значением крепости, а так же породам со значением крепости ниже среднего. При крепких породах режущие кромки коронки не способны скалывать стружку значительной толщины и разрушают породу истиранием. При этих условиях работы резцы из металлокерамических и твердых сплавов быстро изнашиваются и скорость бурения падает. Бурение скважин в крепких породах вращательным способом будет эффективным только при использовании алмазных коронок (так называемое «алмазное бурение»), однако ввиду высокой стоимости и дефицитности алмазов (в том числе и искусственных) алмазные коронки используют только в особых случаях.
Существуют два вида вращательного бурения: сплошное и колонковое.
В последнем случае коронка разрушает горную породу только в пределах кольцевой щели, а в середине остается керн, выдаваемый из скважины крупными кусками. При колонковом бурении поверхность контакта коронки с породой меньше и при той же силе подачи давление выше, чем при сплошном разбуривании. Вследствие этого бурение с керном успешно применяется и по породам высокой крепости. Однако потери времени на подъем керна снижают среднюю скорость бурения, в связи с чем колонковый способ бурения на карьерах применяют только для проведения разведочных скважин.
Ударно-вращательный способ (рис. 1, г; рис.. 2, г) сочетает признаки ударного и вращательного бурения резанием. При этом способе удары высокой энергии осуществляются погружным ударником (преимущественно пневматическим) при наложении постоянных, относительно небольших осевых усилий и момента вращения. Порода разрушается ударом долота, а оставшиеся гребешки срезаются при его повороте. Данный способ бурения применяется по крепким, очень крепким и абразивным породам.
Вращательно-ударное бурение (рис. 1, д; рис. 2, г) объединяет признаки ударного и вращательного способов. По буровому инструменту, прижимаемому к забою с осевым усилием Рос и вращаемому независимым вращателем, непрерывно наносятся удары через хвостовик штанги. Разрушение породы происходит скалыванием и срезанием частиц с забоя. Данный способ применяется для бурения наклонных и горизонтальных скважин в крепких породах. Широко реализуется во многих конструкциях станков зарубежного производства, а также в ряде отечественных станков типа СБУ.
Шарошечное бурение (рис. 1, е; рис. 2, б) осуществляется перекатыванием шарошки по забою при вращении долота с высоким моментом и усилием прижатия к забою. Зубья шарошки, набегая на забой, разрушают его ударами и резанием. Данный способ универсален и весьма распространен. Внешне бурение протекает как вращательное, однако зубья шарошки имеют кратковременный (ударный) контакт с забоем, в силу чего отсутствует фаза резания, характерная для вращательного бурения с использованием инструмента режущего типа.
По способу расположения скважины станки подразделяют на станки для бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин.
По назначению буровые машины делятся на машины для бурения шпуров и небольших скважин (колонковые и бурильные молотки), а также для бурения скважин среднего и большого диаметра.
На сегодняшний день, при бурении твердых пород, преимущественное распространение получили буровые установки с погружным пневмоударником. При использовании высокого давления (до 25 bar) и оптимальном диаметре бурения 110 – 203 мм, данные установки имеют отличную скорость бурения, маневренность и экономичность.
При бурении по более мягким и сыпучим породам используют установки вращательного бурения шарошечными долотами. Оптимальный диаметр бурения составляет 200 – 270мм.
При малом диаметре бурения (78 – 105 мм) часто применяют установки гидроперфораторного бурения.