Бурение взрывных скважин

Бурение – процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы —скважинышпура или шахтного ствола — путём разрушения горных пород на забое, бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.

Машинное бурения шпуров и скважин взамен ручного, которое применялось до начала 19 в. для отбойки крепких пород взрывом, начало внедряться в конце 17 в., когда были изобретены первые буровые машины для сверления горизонтальных шпуров. В 1683 механик Г. Гутман предложил машинное Б. В 1803 австрийский инженер Гайншинг, а в 1813 английский механик Травич усовершенствовали выпускаемые буровые машины. В 1849 Кауч (США) получил один из первых патентов на паровую буровую машину. В 1852 Колладон (Швейцария) предложил буровую машину, работающую на сжатом воздухе. При проходке Монт-Санисского тоннеля в 1861 Соммейе впервые применил поршневые перфораторы для бурения шпуров, что позволило резко сократить сроки строительства тоннеля. В конце 19 в. появляются молотковые перфораторы, быстро вытеснившие менее производительные поршневые. В дальнейшем были созданы высокочастотные и вращательно-ударные (50-е гг. 20 в.) бурильные машины, установочные (пневмоподдержки, манипуляторы) и подающие (автоподатчики) приспособления, буровые каретки, максимально механизировавшие труд бурильщика. Бурение ведётся с удалением продуктов разрушения промывкой. Создаются лёгкие и мощные электро-, пневмогидросвёрла и высококачественный буровой инструмент, обеспечивающие вращательное бурения шпуров в средней крепости породах. В 1965 в Кузбассе и в 1968 в Киргизии применены бурильные агрегаты с электрогидроприводом для вращательного и вращательно-ударного бурения шпуров.

С конца 19 — начала 20 вв. специалисты пытались создать электроперфоратор. В 1879 немецкий изобретатель В. Сименс сделал неудачную попытку применить электрический ток для приведения в действие бурильной машины, предназначенный для бурения шпуров при взрывных работах. В 1885 американский изобретатель Дж. Вестингауз повторил эту попытку.

Впервые скважины, пробурённые тяжёлыми бурильными молотками, были применены взамен шпуров для отбойки руды в начале 30-х гг. на подземных рудниках комбината Апатит и в Кривом Роге. С этого периода начинается создание машин для подземного бурения скважин. В середине 30-х гг. внедряется метод штангового Б. взрывных скважин, применение которого способствовало технической революции в разработке рудных месторождений большой мощности. В 1935 А. А. Миняйло сконструировал станок для вращательного бурения резцами диаметром до 150 мм в мягких породах. В конце 30-х гг. на шахтах Кривого Рога внедрено многоперфораторное бурение глубоких скважин. В 1938 А. К. Сидоренко предложено бурение погружными перфораторами, входящими в скважину. В 1949—50 на подземных рудниках в СССР испытаны буровые станки с погружными пневмоударниками (вращение пневмоударника осуществлялось с поверхности через став буровых штанг). В 1954 Новосибирским институтом горного дела и Кузнецким металлургическим комбинатом создан промышленный образец бурового станка БА-100 — первой машины, в которой рабочим телом (энергоносителем) служит воздушно-водяная смесь. После отработки эта смесь обеспечивает простое и надёжное пылеподавление при бурении. Повсеместное внедрение высокопроизводительных станков БА-100 на рудниках позволило широко распространить прогрессивную систему разработки месторождений с отбойкой руды глубокими взрывными скважинами. Эта машина явилась основой для создания в СССР серии буровых машин (в том числе бурового полуавтомата НКР-100 в 1959) для пневмоударного бурения скважин диаметром 85—100 мм и глубиной до 50 м, которыми в 50—60-х гг. выполнено свыше 50% объёмов бурения при отбойке руд. С 60-х гг. этот способ внедряется в практику бурения разведочных и эксплуатационных глубоких скважин. С 1950 в СССР на подземных рудниках Алтая разрабатываются и внедряются станки для бурения скважин шарошечными долотами, один из которых (БШ-145) выпускается серийно. В 60-е гг. 20 в. для подземного бурения скважин диаметром 60—70 мм разрабатываются вращательно-ударные буровые машины, устанавливаемые на буровых каретках, а также буровые станки с мощными бурильными молотками и независимым вращением инструмента.

Бурение скважин для взрывных работ на карьерах начало применяться в России на железорудных предприятиях Урала в 1908. В США в начале 20 в. для бурения взрывных скважин на карьерах впервые применены ударно-канатные станки. В СССР этот способ начинает применяться с 30-х гг. и до 60-х гг. является основным в породах выше средней крепости для скважин диаметром 150—300 мм. В 1932 Свердловским заводом «Металлист» выпущены станки ударно-канатного бурения для карьеров. С 1939 в СССР осваивается вращательное бурение скважин резцами с удалением буровой мелочи шнеками. В 1943 выпущен на Урале (Богословский карьер) первый станок вращательного бурения (со шнеком, на гусеничном ходу). С 1956—57 начинаются работы по шарошечному бурению взрывных скважин на карьерах. В 1958 предложен комбинированный ударно-шарошечный буровой инструмент, использование которого возможно на станках вращательного бурения с пневматической продувкой скважин. В 1959 начат выпуск станков (СБО-1, СБО-2) огневого (термического) бурения для крепких кварцсодержащих пород. Разрушение породы при этом происходит за счёт быстрого разогрева поверхности забоя газовыми струями, вылетающими из горелки с температурой 2000 °С и скоростью около 2000 м/сек. В 60-е гг. разработан типовой ряд шарошечных станков (2СБШ-200, СБШ-250, СБШ-320) для Б. взрывных скважин диаметром 200—300 мм и глубиной до 30 м. Производительность станков 20—70 м в смену. Перспективны работы по созданию комбинированных термомеханических способов разрушения.

Бурение взрывных скважин на карьерах в СССР осуществляется в основном (1970) шарошечным способом (около 70% метража скважин), распространено шнековое бурение (около 20%), 10% метража скважин приходится на остальные способы бурения (пневмоударное, термическое, ударно-канатное и др.). Значительно возросли скорости бурения: сменная производительность шарошечного станка при проходке скважины диаметром 250 мм в крепких породах (известняк, доломит и т.п.) составляет 40—60 м. При подземной разработке угольных месторождений наибольшее распространение имеет бурение бурильными молотками и электросвёрлами, рудных месторождений — бурильными молотками, погружными пневмоударниками, шарошечными станками.

Развитие горной промышленности требует увеличения производительности бурения в 2—4 раза. Для этого необходимо совершенствование механических способов бурения и изыскание новых. Совершенствование бурильных машин осуществляется за счёт увеличения параметров нагрузки на инструмент, механизации и автоматизации вспомогательных операций. Перспективно создание вибробуров. Разработано взрывное бурение, которое заключается в непрерывной обработке забоя скважины небольшими зарядами взрывчатого вещества, вводимыми в поток промывочного агента (воздуха или жидкости) в виде ампул (ампульное, или патронное взрывобурение) или непрерывной струи (струйное взрывное бурение). Заряды-ампулы имеют обтекаемую форму и безопасны в обращении, так как смешение невзрывчатых жидких компонентов смеси и образование взрывчатых веществ (ВВ) происходит непосредственно у забоя. Заряды твёрдых ВВ требуют для взрыва больших скоростей удара (не менее 80 м/сек). При струйном взрывобурении взрывчатая смесь из горючего и окислителя в виде плоского жидкого заряда образуется непосредственно на забое и инициируется эвтектической смесью калия и натрия, впрыскиваемой с определенной частотой. Взрывобурение скважин позволяет в 2—5 раз увеличить производительность бурения, особенно в крепких породах.

Проводятся работы по конструированию аппаратов для создания импульсной струи, периодически выстреливаемой из сопла по забою скважины для так называемого гидроимпульсного бурения, а также электроимпульсных станков, в которых разрушение породы производится мощным электрическим разрядом.

Большой интерес представляет механизированное бурение вертикальных горных выработок больших поперечных сечений (диаметром свыше 3,5 м) — шахтных стволов.

Успехи в создании эффективных средств и способов бурения базируются на изучении физико-механических свойств разрушаемых пород, механизма разрушения породы при различных способах и режимах бурения В СССР проводятся фундаментальные работы в области изучения и определения базовых физических свойств горных пород для оценки эффективности основных процессов разрушения породы при бурении.

Пневмоударное бурение

ПНЕВМОУДАРНОЕ БУРЕНИЕ— разновидность ударно-вращательного бурения с использованием погружного бурильного молотка(пневмоударника). Современные погружные пневмоударники работают на энергии сжатого воздуха с давлением 0,5-1,5 МПа и имеют клапанное или бесклапанное воздухораспределение. Поршень-боёк пневмоударника за счёт поступательно-возвратного движения наносит удары по хвостовику, который является частью долота (сплошное бурение), или входит в состав пневмоударника и передаёт удары колонковому снаряду (керновое бурение). Вращение пневмоударника осуществляется вместе с долотом и буровым ставом вращателем, установленным на станке; частота 30-70 об/мин. Буровой став наращивается по мере углубления скважины. Пневмоударники применяются при бурении взрывных, технических, поисковых и разведочных скважин на твёрдые полезные ископаемые, воду, нефть и газ. Скорость бурения определяется конструкцией породоразрушающего инструмента, частотой вращения и ударов и энергией единичного удара. Скорость расчётов с увеличением давления сжатого воздуха и энергии единичного удара. В качестве породоразрушающего инструмента используют 3- или 4-лопастные долота, армированные пластинками твёрдого сплава. В последние годы широко применяются долота с рабочей поверхностью различных конфигураций, армированными цилиндрическими вставками твёрдого сплава со сферическими рабочими поверхностями. Такие долота более износоустойчивы. Иногда в качестве породоразрушающего инструмента используют шарошечные долота. Для геологоразведочного бурения с отбором керна служат специальные твердосплавные коронки с колонковыми снарядами. В подземных условиях применяют погружные пневмоударники, работающие на водо-масло-воздушной смеси, которая обеспечивает при выхлопе успешное пылеподавление на забое. В случае работы на сжатом воздухе для пылеподавления в буровой став подаётся вода. На открытых горных разработках применяют бурение с использованием в основном сжатого воздуха, а образующаяся пыль улавливается системами сухого пылеулавливания (циклоны и тканевые рукавные фильтры). Применяют также мокрое пылеподавление.

Погружными пневмоударниками бурят взрывные скважины глубиной до 40 (50) м и диаметром 80-150 мм, а с расширителями — до 250-300 мм. При геологоразведочных работах применяют пневмоударники, отличающиеся большей массой бойка, что повышает коэффициент передачи удара через колонковый снаряд, наличием обратных клапанов, предотвращающих попадание в механизм воды и шлама при спуске в скважину. Диаметр скважин 76-151 мм, глубина до 200-500 м. В условиях водопроявлений практикуется подача в скважину небольшого количества воды и добавки поверхностно-активных веществ. Эффективность бурения снижается по мере увеличения подпора на выхлопе пневмоударника.Зарубежные фирмы также выпускают пневмоударные станки для бурения скважин диаметром 80-200 мм и более (в отдельных случаях до 800 мм) и глубина до 80 м.
Для геологоразведочного пневмоударного бурения применяют станки шпиндельные или с подвижным вращателем. За рубежом распространено бурение погружными пневмоударниками на двойной бурильной колонне с обратной продувкой и выносом разрушенной породы на поверхность по центральному каналу.
Механическая скорость пневмоударного бурения возрастает по сравнению с вращательным, хотя в породах средней крепости и крепких вращательное бурение шарошечными долотами при рациональных режимах может обеспечивать более высокие скорости.

Шарошечное бурение 

ШАРОШЕЧНОЕ БУРЕНИЕ  — вращательный способ бурения скважин с использованием в качестве породоразрушающего инструмента шарошечного долота. Впервые применено в США в 1920-х, а в CCCP в 1930-х гг.

Горные породы при шарошечном бурении разрушаются стальными или твердосплавными зубками шарошек, вращающимися на опорах бурового долота, которое, в свою очередь, вращается (60-600 об/мин) и прижимается с большим осевым усилием к забою (500-2000 кг на 1 см диаметра). Зубки вращающихся шарошек перекатываются по забою и за счёт больших напряжений, развивающихся в зоне контакта зубков с породой, разрушают её путём раздавливания и скола. С увеличением крепости пород частота вращения уменьшается, а осевое усилие увеличивается. Разрушенная на забое скважины порода удаляется на поверхность промывкой, продувкой или сочетанием этих способов.

Шарошечное бурение эксплуатационных и исследовательских скважин осуществляется стационарными многоузловыми установками, горнотехнических скважин — самоходными или передвижными буровыми станками.
Шарошечное бурение применяется для проведения геологоразведочных, нефтяных и газовых скважин при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, взрывных скважин при подземной и открытой разработке месторождений, восстающих выработок и шахтных стволов.
Перспективы шарошечного бурения связаны с повышением стойкости долот, увеличением скорости разрушения пород за счёт наложения на долото ударных импульсов или вибрации различных частоты.

Термическое бурение

Термическое бурение предложено в конце 40-х гг. в США, в СССР применяется с середины 50-х гг. главным образом для бурения скважин в железистых кварцитах на железорудных карьерах. С середины 70-х гг. термическое бурение используется в основном для термического расширения (с 250 мм до 500 мм) нижней заряжаемой части взрывных скважин, что на порядок увеличивает эффективность термического бурения, позволяет использовать его в более широком диапазоне пород, увеличивает вдвое сетку взрывных скважин (с 5-7 до 10-11 м) и выход породы (с 20-30 до 100 м3 на 1 м скважины).

ТЕРМИЧЕСКОЕ БУРЕНИЕ — способ бурения, основанный на разрушении горных пород на забое скважины высокотемпературными газовыми струями, вылетающими со сверхзвуковой скоростью из сопел огнеструйной горелки. Огнеструйная горелка, представляющая собой рабочий инструмент станка термического бурения, состоит из форсунки эжекторного типа для подачи жидкого горючего в распылённом виде, камеры сгорания, корпуса, сопел, чехла, днища и башмака. В результате сжигания в камере сгорания высококалорийного топлива, состоящего из смеси жидкого горючего и газообразного окислителя (керосин — кислород, бензин — сжатый воздух и др.), образуются газообразные продукты, выбрасываемые со сверхзвуковой скоростью из сопел. Различают односопловые реактивные горелки с поступательно-возвратным движением вдоль оси скважины и вращающиеся трёхсопловые. Оптимальная частота вращения 15-30 об/мин, расстояние между срезом сопла горелки и забоем скважины 0,1-0,15 м. Охлаждение горелок осуществляется в основном водой, подаваемой в рубашку камеры сгорания, реже воздухом (горелка ТРВ). Тепловые потоки, создаваемые горелками, до 42 кДж/м2•ч, скорость струй 1800-2200 м/с, температура 1800-2000°С при окислении сжатым воздухом и до 3500°С при окислении кислородом. Расход горючего 80-130 кг/ч, воды 3,5 м3/ч, давление воздуха 600-800 кПа. Разрушение породы в забое скважины под действием огнеструйной горелки происходит в результате сложного взаимодействия сверхзвуковых раскалённых струй и воды с разрушаемой породой. Хорошо подвергаются термическому разрушению породы, имеющие ярко выраженную кристаллическую структуру с плотным цементом, массивной структурой, отсутствием или незначительным количеством низкоплавких минералов, глинистых включений. Продукты разрушения породы удаляются из скважины восходящим газовым потоком, образуемым из смеси продуктов сгорания и паров воды, которая вентилятором выбрасывается в атмосферу. Конструкция станков, используемых для термического бурения, определяется их назначением и видом применяемого окислителя.

 


Комментарии: