Немеханические способы бурения

Огневой способ. При огневом бурении порода разрушается в результате интенсивного воздействия па неё высокотемпературной газовой струи, вылетающей из сопла со сверхзвуковой скоростью.

При мгновенном нагреве породы в ней образуется поле термических напряжений, вызывающих разрушение поверхностного слоя (на глубину 3. .5 мм) на отдельные мелкие частицы — чешуйки.

Бурение осуществляется самоходными огнеструйными буровыми станками, имеющими термобур с горелкой. Вращением термобура достигается периодическое нагревание отдельных участков забоя.

Технологические операции выполняются в следующей последовательности: зажигание горелки, бурение, расширение скважин в нижней части и очистка.

При зажигании в камере сгорания огнеструйной горелки смешиваются горючее и окислитель и образуются высокотемпературные газовые струи, которые проходят через сопловой аппарат, приобретая при этом сверхзвуковую скорость.

На производительность станков огневого бурения оказывают влияние температуры истекающих из сопел горелки газов, их скорости, массовые расходы, а также физико-механические характеристики горных пород — минеральный состав, крепость, трещиноватость, упругость и теплофизическис свойства.

Огневое бурение эффективно применять в окисленных и неокисленных железных рудах, так как в этих породах и рудах разрушение происходит путём шелушения с образованием мелкой крошки, т. е. без плавления. В других породах из-за низкой скорости бурения и плавления область применения данного способа бурения ограничена и находит применение лишь при бурении 3. .4% и пород общего объёма горной массы.

Перспективно применение огневого бурения в комбинации с шарошечным: вначале скважину бурят шарошечным станком, а затем нижнюю её часть (в месте размещения заряда ВВ) расширяют огневым способом. Для бурения скважин по такой технологии применяются термошарошечные станки.

Тепловые потоки создаются горелками ракетного типа, которые работают на смеси керосина и кислорода либо бензина со сжатым воздухом.

Скважины диаметром 160…225 мм и более на карьерах бурят станками огневого бурения СБО-1, СБО-2, СБО-4 и СБО-5, СБО-160/20, которые способны расширить нижнюю часть скважины до 500 мм. Буровой станок СБО-160/20 показан на рис. 1.42.

На станках огневого бурения в качестве горючего применяют керосин и реже бензин, а окислителя — газообразный кислород или сжатый воздух. Использование кислорода позволяет значительно повысить температуру газов, но обусловливает высокие затраты на бурение (доля затрат на кислород и его доставку достигает 45%). При этом повышаются требования к технике безопасности.

Рис. 1.42. Буровой станок СБО-160/20: 1 — вентилятор;

• 2 — рабочий орган (буровая штанга); 3 — мачта;
• 4 — гидроцилиндр для подъёма мачты; 5 — лебёдка для спуска и подъёма рабочего органа; б — маслонасосная станция;
• 7 — станция управления; 8 — насосная станция;
• 9 — двигатель; 10 — ходовая часть; 11- пульт управления; 12 — отсасывающая установка; 13 — электрозапал

с расширителем:

• 1 — механический расширитель;
• 2 — канал для промывочной жидкости; 3 — камера сгорания; 4 — кабель постоянного тока;
• 5 — электродуга; 6 — плазма

Часто в качестве окислителя широко применяется сжатый воздух, что существенно упрощает организацию огневого бурения и существенно снижает затраты на него.

Шпуры глубиной 1… 1,5 м и диаметром — 50. .60 мм бурят ручными термобурами с односопловыми горелками. Окислитель — сжатый воздух — подастся в термобур под давлением 50…60 Па от передвижного компрессора. В качесгве горючего нрименяегся бензин.

Ручные термобуры используются также для термического разрушения негабаритных кусков, резания каменных блоков и доработки их поверхности.

Совершенствование станков и повышение эффективности огневого бурения осуществляется в результате:

• • создания станков комбинированного действия;
• • комбинированного термомеханического бурения скважин с разрушением пород высокотемпературными газовыми струями и механическими органами;
• • механического бурения трудногермобуримых пород с последующим расширением скважин воздушно-огневым способом;
• • разрушения труднотермобуримых пород знакопеременным полем (поочередное воздействие на забой скважины газовой струёй и распылённой сжатым воздухом водой).

На режим термического бурения большое влияние оказывают температура и скорость газового потока. Поэтому регулирование частоты вращения и подачи на забой термобура осуществляется изменением теплового потока.

Оптимальный режим бурения характеризуется минимальными затратами энергии при высокой скорости бурения. Оптимальная скорость вращения термобура составляет 15…20 мин.

Скорость бурения зависит ог расстояния между срезом сопла горелки и забоем скважины. Оптимальная величина находится в пределах 100… 150 мм (при меньшей величине происходит плавление породы, при большей — растекание теплового потока). В сильно нарушенных и трещиноватых породах скорость бурения снижается на 25…30%, поэтому в этих условиях рационально применять горелки с наклонным расположением сопел.

К термическому бурению относится также разрушение пород лазерным лучом в результате их нагревания, создания термических напряжений (шелушения) и расплавления. Лазерный луч получают посредством возбуждения группы атомов в кристалле или газе до их высокоэнергетического состояния, после чего атомы начинают излучать фотоны, образуя поперечный световой луч. Данный способ найдёт широкое практическое применение в случае увеличения выходной мощности лазерной установки и обеспечения безопасности работ. В буровых условиях применяются кристаллические и газовые лазеры.

Плазменный способ — разновидность термического бурения (рис. 1.43) — основан на создании устойчивой электрической дуги между двумя электродами и выдувании её из сопла с помощью давления сжатого воздуха. Источником холодной плазмы является плазмотрон. Струя плазмы создаётся элсктродуговым разрядом и продувкой газа через столб разряда. Для интенсивного разрушения породы оптимальны следующие параметры: температура 5 500…6 000 °С, скорость истечения газов 2 000 м/с. Под действием плазменных струй на горные породы последние быстро плавятся, в результате чего образуется скважина. Скорость бурения по кварцитам в легкобуримых породах составляет до 30 м/ч, в труднобуримых — от 5 до 10 м/ч. Скважины при этом получаются небольшого диаметра, поэтому в дальнейшем механическими способами их увеличивают до нужного диаметра. Применение лазеров для бурения шпуров и скважин в горных породах считается перспективным.

Современные способы бурения. Разработаны новые, в перспективе более эффективные средства и способы бурения. Физические способы основаны на непосредственном использовании для разрушения горных пород и формирования скважин электрической, электролучевой энергии, энергии взрывчатых веществ, магнитострикционного эффекта и т. д.

Бурение с использованием машитострикциотюго эффекта осуществляется шарошечным станком с наложением на долото вибраций, генерируемых магнитостриктором, встроенным в первую штангу бурового става станка. Выполнен он в виде набора системы стержней из ферромагнитной стали, продольные колебания которых происходят под влиянием магнитного поля с частотой генерирующего его переменного тока. С целью обеспечения наиболее эффективного резонансного режима предусмотрено, чтобы период собственных колебаний магнитостриктора, определяемый его длиной, совпадал с периодом вынужденных электромагнитных колебаний. За счёт создания физического эффект механическая скорость бурения в горных породах увеличивается в 2−3 раза.

Взрывной способ бурения основан на последовательном многократном взрывании непосредственно на забое зарядов ВВ для разрушения горных пород и формирования, таким образом, скважин без применения механического породоразрушающего инструмента. Длительности и непрерывности данного способа бурения способствуют:

• • быстрое выделение энергии, создающее в зоне забоя, прилегающей к заряду, весьма высокое поле давлений и скоростей смещения среды;
• • отсутствие потери энергии на транспортирование зарядов В В к забою скважины и изнашивание породоразрушающего инструмента. При использовании ВВ для бурения не всегда можно получить заданную форму скважин и достаточно мелко разрушенную, легко удаляемую породу. В качестве ВВ используются флегматизированпый гексоген и тротил.

Эффективность разрушения породы при взрывном бурении зависит от бризантности заряда (его плотности и скорости детонации), а также выделяемой при взрыве энергии (удельной теплоты взрыва).

При взрывном бурении по трубам вместе с промывочной жидкостью с большой частотой подаются 50-граммовыс пластикатовыс ампулы с компонентами жидкого ВВ. При взрыве заряда ампулы порода разрушается в результате удара продуктов детонации и гидравлического удара жидкости.

Взрывное бурение с продувкой скважин сжатым воздухом характеризуется следующими показателями: при диаметре буримой скважины 250 мм величина заряда ВВ должна составлять 300 г, средняя проходка за один взрыв — 40…80 мм, а скорость бурения — 30…40 м/ч. Этот способ наиболее перспективен для бурения крепких и крепчайших горных пород.

Кроме того, применяется также способ «струйного» взрывобурсния, при котором заряд ВВ образуется непосредственно в забое путём слияния подаваемых по отдельным трубам (каналам) струй жидких горючего и окислителя. Взрыв инициируется с помощью третьего компонента — специального сплава калия и натрия. Взрывы при данном способе протекают с небольшой скоростью и характеризуются относительно низкой эффективностью разрушения. При данном методе бурения также сложно своевременно удалять образующиеся при взрыве продукты разрушения, поскольку в забой непрерывно подаются струи компонентов жидких ВВ.

На карьерах для бурения скважин предложены два способа взрывного разрушения: патронами твёрдых и жидких ВВ. Скорость бурения достигает 30 м/ч при расходе жидкого ВВ 0,3…0,5 л/м скважины.

В стадии производственного эксперимента находится способ гидробурения, эффективное разрушение крепких пород при котором осуществляется струёй воды, истекающей из сопла со сверхзвуковой скоростью под давлением 10…20 кПа. Давление напора воды устанавливается с учётом физикомеханических свойств горных пород и прежде всего коэффициента крепости. Данный принцип разрушения используется в гидроимпульспом комбайне для скоростного проведения горизонтальных выработок в крепких породах. Гидробурение найдёт широкое применение при разработке россыпей и мёрзлых пород. Сущность гидравлического способа заключается в следующем: в жидкости, заполняющей скважину, при помощи двух электродов создастся разряд; образующийся при этом вакуумный канал затем захлопывается; вокруг разряда возникает ударная волна, которая воздействует на поверхность забоя знакопеременными нагрузками и вызывает' разрушение породы. Ультразвуковой, электроискровой, электроимпульсный, электрогидравлический способы бурения находятся пока в стадии опытно-промышленного испытания.

Контрольные вопросы

• 1. Перечислите немеханические способы бурения.
• 2. Достоинства и недостатки огневого способа бурения.
• 3. Что такое плазменное бурение?
• 4. Каковы пути повышения эффективности огневого бурения?
• 5. На чём основан взрывной способ бурения?
• 6. Раскройте сущность гидравлического способа бурения.