Глава V

ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ БУРОВЫХ РАБОТ

На калийных рудниках для механизации буровзрывных и вспомога­ тельных работ применяются различные буровые машины, осуществляю­ щие бурение шпуров, скважин и гезенков. Под бурением понимается процесс искусственного образования в массиве горной породы углубления цилиндрической формы, характеризующегося диаметром, глубиной и включающего устье (начало углубления), стенки и торцевую поверхность (забой). Образование углубления в массиве осуществляется за счет после­ довательного разрушения поверхности забоя буровым инструментом и од­ новременного удаления продуктов разрушения через устье углубления в свободное пространство. В зависимости от размеров образующихся при бурении углублений они носят названия: шпур — при диаметре до 75 мм и глубине до 5 м; скважина — при диаметре свыше 75 мм и глубине свыше 5 м. В случае бурения шпуров глубиной более пяти метров их иногда назы­ вают скважинами малого диаметра. Шпуры и скважины могут буриться под любыми углами в пространстве. В некоторых случаях вертикальные или крутонаклонные скважины могут расширяться с помощью специальных буровых машин до диаметров от 1,0 до 2,0 м и более и называются гезенка­ ми. При бурении шпуров, скважин и гезенков ввиду сравнительно неболь­ ших объемов выбуренной руды не преследуется цель извлечения полезного ископаемого, а предусматривается использование их для технологических целей. Так, шпуры и скважины малого диаметра используются для разме­ щения в них взрывчатых веществ, установки анкерной крепи и т. д.; сква­ жины большого диаметра могут использоваться для ослабления массива, прокладки кабелей, вентиляции, подачи пульпы при гидрозакладке и т. д.; гезенки используются для оборудования людских ходков, грузовых подъем­ ников, рудоспусков, для вентиляции и т. д.

В процессе бурения необходимо выполнять несколько последователь­ ных или совмещенных операций:

—забуривание первоначальное заглубление в массив буровой ко­ ронки или бурового органа на глубину, примерно равную ее диаметру;

— непосредственное бурение на заданную глубину; —удаление буровой мелочи (штыба), образующейся при разрушении

горной породы разрушающим инструментом;

—наращивание бурового става при бурении на глубину, превышаю­ щую длину одной штанги;

—снятие (разборка) бурового става по окончании бурения на заданную глубину;

замена буровой коронки или резцов на буровом органе в процессе бурения;

-дополнительная очистка пробуренного шпура или скважины от бу­ ровой мелочи по всей их длине.

Образующаяся при бурении буровая мелочь удаляется различными способами: механическим с помощью витых штанг (шнековый способ); продувкой сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью, а также про­ мывкой водой, а при бурении вертикальных и крутонаклонных шпуров, скважин и гезенков — под собственным весом.

В зависимости от применяемых средств бурения операции по непо­ средственному бурению и удалению буровой мелочи могут совмещаться, а также могут появляться дополнительные операции по настройке машин для бурения новых шпуров или скважин, маневрированию машин и т. д.

Ниже приведены сведения о конструктивных особенностях различного бурового оборудования и его эффективности при производстве очистных и проходческих работ по мере его внедрения в калийных рудниках.

5.1. Основные представления о вращательном бурении

При вращательном бурении (рис. 5.1) буровой инструмент, включаю­ щий буровой резец I , буровые штанги 2 и соединительные элементы 3, под воздействием крутящего момента Мвр вращается с частотой пврвокруг соб­ ственной оси, совпадающей с осью шпура или скважины, и одновременно с определенным осевым усилием подачи Рппостоянно прижимается к забою 4, обеспечивая подачу инструмента со скоростью Ип.

По мере подвигания забоя 4 при его разрушении образуются стенки 5, а разрушенная горная порода выдается наружу через устье 6.

Вращение инструмента и его подача на забой обеспечиваются меха­ низмами вращения и подачи. Развиваемый при этом крутящий момент оп­ ределяется величиной сопротивления вращению, возникающего от трения лезвий резца / по забою и резания (скалывания частиц) горной породы, а развиваемое усилие подачи Р„ преодолевает сопротивление внедрению в нее резца 1 [73]. При бурении каждая точка лезвия резца описывает тра­ екторию по винтовой линии, углубляясь за один поворот на величину /г, которую принято называть подачей на один оборот или удельной подачей.

В свою очередь, каждое лезвие резца поддействием на него силы пода­ чи и силы резания срезает стружку S = — , где т число режущих лезвий

(перьев) резца.

Процесс разрушения горных пород при бурении является весьма слож ­ ным и зависит от многочисленных факторов. Из-за хрупких свойств горных

h

Рис. 5.1. Схема вращательного бурения: / — буровой резец(коронка); 2 — буровая штан­ га; 3 — соединительный элемент между штангами; 4 — забой; 5 — стенка; 6 — устье; р — осевое усилие; М,р — вращающий момент; л,р — число оборотов инструмента; Vn—

скорость подачи; h — заглубление инструмента за один оборот резца (удельная подача)

пород в процессе резания происходит отделение не сплошной (сливной) стружки, а отдельных частиц породы. При этом наблюдается определенная цикличность, представляющая последовательное образование в начале ка­ ждого цикла ядра напряжения (мелкораздробленной горной породы) в зоне режущей кромки лезвия, затем последовательный скол более крупных час­ тиц породы, после чего цикл повторяется. Величина и число скалывающих­ ся частиц в цикле зависят от физико-механических свойств горных пород, геометрических параметров инструмента, состояния режущего инструмен­ та и других факторов. Поскольку резание характеризуется периодичным скалыванием частиц породы, то это, в свою очередь, вызывает постоянное колебание сил резания и подачи [73].

Скорость подачи при бурении при известных значениях числа оборотов инструмента пври удельной его подаче h определяется из выражения

(5.1)

Из этого равенства следует, что максимальная скорость подачи при буре­ нии может быть достигнута при максимально возможных значениях к и пвр.

Однако, как показывает практика и многочисленные исследования, уве­ личение h и пвр возможно только до определенных рациональных пределов. В работе [73] отмечается, что основной зависимостью, описывающей корен­ ную сущность вращательного бурения, является зависимость между удельной подачей инструмента h и осевым усилием Рп, которая представляется в виде

а рациональное число оборотов при бурении по калийным породам с учетом факторов, связанных с удалением буровой мелочи из шпура и углами

наклона буримых шпуров, по нашим исследованиям [74], удовлетворяетусловиям

где Р0 усилие, при котором начинается объемное разрушение горных пород;

Ккоэффициент пропорциональности, зависящий от сопротивляе­ мости горных пород бурению, геометрических параметров, изно­ шенности и скорости вращения бурового инструмента;

/ — коэффициент крепости по шкале проф. М. М. Протодъяконова. При экспериментальных исследованиях вращательного бурения по ка­ лийным солям установлено [74], что величина Р0»(10*30)/, а осевое уси­ лие подачи определяется величиной стружки h, продольной устойчивостью буровых штанг, прочностью резцов и их геометрическими параметрами, прочностью соединительных элементов и другими факторами и для пород Верхнекамского месторождения в зависимости от глубины бурения и на­ клона шпуров и скважин находится в пределахРп = ( 150...500 кгс).При бу­ рении шпуров с использованием шнекового способа удаления буровой ме­ лочи мощность привода вращения затрачивается на резание (разрушение) резцом горной породы Np, на вынос буровой мелочи А/вм, на преодоление со­ противлений трения бурового инструмента (штанги) в шпуре Njp и потери

в трансмиссии привода вращения Nm, т. е.

При исследованиях [74] установлено, что при бурении длинных (свыше 5 м) шпуров с постоянной скоростью подачи затраты мощности на потери в трансмиссии JVnT и на разрушение горной породы резанием Npостаются примерно постоянными в то время как суммарные затраты мощности на вынос буровой мелочи и преодоление сопротивлений трению бурового ин­ струмента Л/вм + NTp возрастают с длиной шпура.

С учетом отмеченного, затрачиваемая вращателем мощность может быть определена по зависимости

где N р — затраты мощности на резание при величине удельной подачи, равной 1 мм/об, кВт;

f\l'r — затраты мощности на трение, отнесенные к 1 м шпура, кВт; уу'м — затраты мощности на вынос буровой мелочи при удельной пода­

че 1 мм/об, кВт;

Vn — скорость подачи инструмента, м/мин;

п— число оборотов инструмента, об/мин;

£шп — длина шпура, м;