Технология буро-взрывных работ

Лекция № 8: «Технология буро-взрывных работ.»

1 БУРОВЫЕ РАБОТЫ

К буровым работам относится комплекс производственных операции, связанных с бурением шпуром и скважин в грунте при выполнении геологических изысканий, разработке карьеров и котлованов в скальных и мерзлых породах с рыхлением их взрывом, при устройстве противофильтрационных завес и упрочнении оснований гидротехнических сооружений.

Шпур — это цилиндрическая выработка в грунте диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. К скважинам относятся цилиндрические выработки диаметром более 75 мм.

Эффективность буровых работ зависит от выбора способа разрушения пород и оборудования. Различают механическое, физико-химическое и комбинированное разрушение горных пород при бурении (табл. 4.1).

Таблица 4.

В строительстве наибольшее распространение полу­чили способы механического разрушения пород при бурении. При этом различают ударное разрушение скального массива с последующим скалыванием нарушенной зоны при повороте или вращении бура и силовое резание, при котором под действием осевой нагрузки на рабочий орган и крутящего момента происходит постоянное скалывание породы в забое шпура или скважины. По первому принципу работают пневматические и гидравлические бурильные молотки и станки ударно-вращательного бурения, а по второму — электросверла, станки шнекового и шарошечного бурения.

Вращательное бурение. При вращательном бурении разрушение породы происходит истиранием или скалыванием ее резцом с непрерывным удалением шлама. Различают колонковое, роторное и шнековое вращательное бурение.

Колонковое бурение используют в основном при изысканиях, когда необходимо извлечь из глубины керн (образец породы) ненарушенной структуры. Рабочим органом здесь является бурильная коронка в виде отрезка стальной трубы, рабочий конец которой оборудован фрезой, армирован алмазами или резцами из твердых сплавов. Другой конец трубы соединен с колонковой трубой, наращиваемой в процессе бурения звеньями штанг длиной 1 —1,5 м. Подача промывочной воды и удаление шлама производятся через канавки на внутренней и наружной поверхности коронки. По заполнении коронки породой ее поднимают и извлекают из нее керн. Диаметр бурения при алмазных коронках 45—350 мм, глубина до 300 м.

Роторное шарошечное бурение представляет собой разрушение породы бурильным наконечником по всему сечению забоя скважины. Бурильный инструмент состо­ит из долота и звеньев стальных труб — штанг, по внутренним каналам которых нагнетается в скважину воздух. Станки роторного бурения бурят как вертикальные, так и слегка (до 30°) наклонные скважины диаметром до 400 мм и глубиной до 40 м. Разрушение породы происходит в результате внедрения в нее под действием осевого давления зубцов шарошек, перекатывающихся по забою скважины при вращении бурильного инструмента. В местах контакта зубца с забоем скважины возникают напряжения сжатия и скалывания, интенсивно разрушающие породу. Шлам удаляется из скважины сжатым воздухом, который одновременно охлаждает шарошку. Защита от пыли осуществляется пылеулавливающими устройствами. Шарошечное бурение применяют в основном для проходки скважин в породах VI— IX групп. В более крепких породах применять его нецелесообразно из-за большого износа бурильного инструмента. Станки шарошечного бурения монтируют обычно на гусеничной тележке или тракторе. Типичным представителем станков этой группы является станок БТС-150, смонтированный на тракторе Т-100М.

Производительность станков шарошечного бурения определяют по формуле:

,где

Р—осевая нагрузка на долото, Н;

п — частота вращения долота, мин ^-1;

t_см — продолжительность смены, ч;

k_B — коэффициент использования сменного времени, принимаемый в пределах 0,56—0,6;

f_к — коэффициент крепости породы по Протодьяконову;

D — диаметр долота, см;

Шнековое вращательное бурение, применяемое для проходки скважин в породах до VI группы и в мерзлых к грунтах на глубину до 25 м, состоит в том, что наконечник бурильного инструмента скалывает и сверлит породу, а продукт ее разрушения в забое выдается из скважины спиральным шнеком. Бурение выполняют без промывки и в любом направлении. Производительность станков шнекового бурения составляет 10-25 м/смену в породах V-VI групп и до 100 м/смену в породах III-IV групп. К станкам этого типа относятся установки СВБ-2М и ШПА-2М.

Ударное бурение состоит в том, что бурильный инструмент внедряется в породу под действием кратковременной ударной нагрузки, направленной по оси скважины, и далее, поворачиваясь (вращаясь), скалывает разрушенную ударом породу

Ударное бурение осуществляется пневматическими бурильными молотками- перфораторами для проходки неглубоких шпуров диаметром от 30 до 75 мм в скальных породах любой крепости.

Принцип действия пневматического бурильного молотка заключается в следующем: с помощью воздухораспределительного механизма сжатый воздух под давлением 0,4-0,6 МПа поступает в цилиндр молотка то с одной, то с другой стороны поршня. Поршень совершает при этом возвратно- поступательное движение и наноси удары по хвостовику бурильной штанги, имеющей на конце бурильную коронку, которая разрушает породу в забое шпура. При обратном движении бур поворачивается на 12-15°, т.е. существует жесткая кинематическая связь между ударом и поворотом бурильного инструмента. Этот принцип бурения получил наименование ударно-поворотного. При повороте бура происходит скалывание выступов разрушенной породы, и следующий удар бур наносит по новому месту на забое.

В процессе бурения породная мелочь удаляется из шпура сжатым воздухом или водой, поступающими на забой по пустотелой бурильной штанге через отверстия в коронке. Вода одновременно является средством подавления пыли.

В качестве инструмента для бурения шпуров используют пустотелые бурильные штанги круглого или шестигранного сечения, изготовленные из специальной стали 55-С2, выдерживающие многократные удары при значительном крутящем моменте, и съемные бурильные коронки, армированные металлокерамическим твердым сплавом ВК-6, ВК-8, ВК-15. В зависимости от структурно-геологических условий породы используют коронки с разнообразной формой лезвия: КДП и КДШ- долотчатая и штыревая для пород средней крепости; КТП и КТШ - трехлезвийная и трехштыревая для крепких и весьма крепких пород; ККП - крестовая для трещиноватых пород; ККШ, КХЛ, КХШ, КОШ - штыревые для мягких и трещиноватых пород.

Ударно-вращательное бурение состоит в разрушении породы в забое скважины бурильной коронкой, закрепленной на погруженном пневмоударнике*, вращающемся совместно с бурильной штангой от внешнего двигателя. Здесь отсутствует жесткая кинематическая связь в системе удар-вращение. Сочетание двух способов разрушения породы обеспечивает высокую производительность станка при бурении им скважин в крепких и абразивных породах. Буровую мелочь из скважины удаляют отработанным воздухом или воздушно-водяной смесью.

В строительстве используют легкие и мобильные типы станков ударно-вращательного бурения. Бурильный инструмент состоит из погруженного пневмоударника со специальной съемной коронкой и набора свинчивающихся пустотелых бурильных штанг, по которым подается рабочий сжатый воздух для пневмоударника. Длина бурильной штанги соответствует величине хода податчика станка.

Станок 1СБУ-125 проходит скважины диаметром 105 и 125 мм в породах VI—XI групп глубиной до 22 м в любых климатических условиях.

^{*Бурильный молоток, лишенный поворотного устройства, на котором установлена бурильная коронка.}

Эксплуатационная производительность этих станков составляет 2,5-4,0 м/ч и зависит от крепости и трещиноватости породы, диаметра скважин и давления сжатого воздуха в системе.

Для снабжения бурильных молотков и станков ударно-вращательного бурения сжатым воздухом под давлением 0,6-0,7 МПа создают компрессорное хозяйство, состоящее из стационарных или передвижных компрессоров, воздухосборника (ресивера), сети трубопроводов и шлангов для подачи сжатого воздуха потребителю. Стационарные компрессорные станции размещают в местах наибольшего потребления воздуха. Их комплектуют поршневыми или турбокомпрессорными агрегатами с суммарной подачей до 200-250 м³/мин. Передвижные компрессоры обычно имеют подачу 8-10 м³/мин и размещаются в непосредственной близости от потребителей.

Потребность в сжатом воздухе для буровых работ, м³/мин, определяют по формуле:

,где

К₁ -коэффициент одновременности работы потребителей (при 5 потребителях К₁=0,82, при 10 -К₁ = 0,7, при 25 –К₁ = 0,68);

K₂- коэффициент утечек воздуха из сети, принимаемый в пределах 1,4- 1,6; К₃- коэффициент, учитывающий уменьшение объема воздуха при охлаждении, принимаемый равным 1,3;

К₄- коэффициент, учитывающий степень разреженности воздуха на различных отметках (при отметке до 300 м К₄=1,03, от 300 до 600 м К₄ =1,1, от 600 до 1200 м К₄ =l,14);

К₅ - коэффициент, учитывающий износ механизмов, принимаемый равным 1,2;

q -расход воздуха единичным потребителем по паспорту, м³/мин.

Обычно предусматривают резерв подач компрессорной установки в размере не менее 20 % расчетной.

Воздухосборник обеспечивает равномерную без толчков подачу сжатого воздуха потребителю. Объем воздухосборника определяют по формуле:

,

Лекция "5 Основные теории стоимости денег" также может быть Вам полезна.

Магистральные воздухопроводы выполняют из металлических труб диаметром 50—300 мм, соединенных сваркой или (при диаметре до 150 мм) быстроразъемными соединениями. Воздуховоды укладывают с уклоном 1:200 и через 80-100 м снабжают водомаслоотделителями. В суровых климатических условиях магистрали утепляют. Распределительную систему выполняют из труб диаметром 32-50 мм на быстроразъемных соединениях. В конце распределительной системы устанавливают вентиль и делитель, к которому подсоединяют гибкие шланги потребителей сжатого воздуха.

Станки шарошечного бурения снабжены автономными компрессорами. Электроснабжение станков осуществляется током с напряжением 380 В от передвижных трансформаторных подстанций с помощью гибкого кабеля.

Из способов физико-химического разрушения пород при бурении практическое применение получил термический (огневой). При огневом бурении происходят хрупкое разрушение пород, разрушение их с частичным плавлением и плавление. Хрупкое разрушение протекает при 250-500 °С, тогда как плавление происходит при 1200-1700 °С.

Принципиальная схема термического бурения ясна из рис. 4.4. Горючее (бензин, керосин или дизельное топливо) в распыленном виде и кислород подаются в камеру сгорания. При сгорании образуются газы с температурой 2500-3000 °С, которые вытекают из сопла в скважину со скоростью 1600-1800 м/с. Одновременно в скважину подается вода. Все это вызывает разрушение раскаленной породы.

Смесь газов, паров воды и измельченной породы под давлением, развивающимся в скважине, выносится на поверхность со скоростью 20-40 м/с по кольцевому зазору между стенками скважины и термобуром.

Огневым бурением можно проходить скважины диаметром до 250 мм на глубину 17-20 м. Ориентировочная скорость бурения: для гранита, чистого кварца-16 м/ч и более; песчаника-10 м/ч; бетона-10-20 м/ч; мрамора - 11,5-23 м/ч. Наибольший эффект этот способ дает при бурении в изверженных породах.