Комплектная машина осуществляющая процесс бурения шпура способом разрушения горной породы

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 М_вр и поступательного перемещения под действием осевой нагрузки, или усилия подачи, Р_ос 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)

где – число резцов; – частота вращения породоразрушающего инструмента, c — I .

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.

|	следующая лекция ==>
Случайные процессы и их вероятностные характеристики.	|	Отношения между суждениями. Суждение как форма мышления

Дата добавления: 2015-10-29 ; просмотров: 1735 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

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

Источник