Технология буровых работ

Бурение взрывных скважин на карьерах производят агрегатами различных типов.

Выделяют три группы буровых агрегатов: с механическим воздействием бурового инструмента на забой скважины, с физическими методами воздействия (термического, ультразвукового, плазменного, магнитострикционного, электроимпульсного, лазерного бурения и др.) и комбинированного воздействия (термомеханические, режуще –шарошечные и др.).

Наибольшее распространение в мире получили станки с механическим воздействием на забой скважины. ГОСТ 26698-85 рекомендует три типа таких буровых станков: СБР – вращательного бурения резцовыми коронками, 2 типоразмера с условным диаметром бурения 160 и 200 мм (приложение 15); СБШ – шарошечного бурения, 5-ти типоразмеров с условным диаметром бурения от 160 до 400 мм (приложение 16); СБУ – ударно-вращательного бурения с погружными пневмоударниками, 3 типоразмера с условным диаметром скважин 100, 125, 160 мм (приложение 15). Все станки обеспечивают бурение скважин под углами наклона к вертикали 0˚, 15˚ и 30˚ (90˚, 75˚, 60˚ к горизонтали).

Из агрегатов с физическими методами воздействия на забой скважины наиболее удачно сконструированы и промышленно освоены лишь станки термического бурения. В стадии промышленных экспериментов находятся буровые агрегаты ультразвукового, взрывного, гидравлического, плазменного и лазерного бурения.

Освоены также агрегаты комбинированного – термомеханического бурения СБТМ-20-20, станки шарошечного бурения с терморасширителем СБШ-250 МНР и режуще-шарошечные СБШК-200-50 и СБШК-400-60.

Продолжается выпуск ограниченных партий станков ударно-канатного бурения (СБК).

Область применения станков различных типов зависит от свойств массива объема буровых работ, вида применяемого выемочно-погрузочного оборудования (см. п. 8.7).

Большинство буровых станков скомпонованы по общей конструктивной схеме (рис.3.8): гусеничная ходовая тележка (1), платформа (2), на которой смонтированы все исполнительные системы станка (мачта, стойки, рабочий орган, электродвигатели, компрессоры).

Перед бурением платформу станка устанавливают в горизонтальное положение с помощью домкратов (3). Перевод мачты в рабочее и транспортное положение осуществляется гидродомкратами. Электроэнергию подают к станкам от передвижных комплектных трансформаторных подстанций (КТП) с помощью гибкого кабеля.

Вращательное бурение (20–25 % объема буровых работ) применяют в породах с коэффициентом крепости f = 2–6. Разрушение массива при бурении скважины происходит за счет смятия, раздавливания и скалывания породы под влиянием вращения резцов (коронок) и принудительной подачи их на забой.

Передачу рабочему инструменту крутящего момента и усилия подачи, а также удаление буровой мелочи из забоя обеспечивают шнековые штанги с ребордами винтовой формы. Режим бурения характеризуют: усилие подачи, частота вращения и эффективность удаления продуктов разрушения. При увеличении крепости пород осевое давление должно возрастать, а частота вращения уменьшаться.

Шарошечное бурение (70 % объема буровых работ) осуществляют долотами, имеющими конусообразные шарошки с фрезерованными зубьями или штырями, армированными твердым сплавом. При выборе типа долота учитывают прочность пород [25]. Под действием осевого давления, передаваемого через буровой став, зубья шарошки внедряются в породу на определенную глубину. При вращении става нагруженные шарошки перекатываются по забою, а зубья ударяют по породе, скалывая ее. Удаление буровой мелочи из скважины производится сжатым воздухом или водовоздушной смесью, для чего на платформе станка установлены мощные винтовые компрессоры.

Для бурения пород с f = 6–8 используют шарошечные станки легкого типа (СБШ-160), в породах – с f = 8–14 – среднего типа (2СБШ-200-32, 3СБШ-200-60, СБШ-250МНА-32), a при коэффициенте крепости пород более 14 – станки тяжелого типа (СБШ-320-36, СБШ-400-55).

Режим бурения характеризуется определенным сочетанием усилия подачи на долото, частоты его вращения, расхода воздуха для очистки забоя скважины от буровой мелочи и охлаждения долота. В породах с меньшей крепостью, увеличивают частоту вращения и снижают осевое усилие. С ростом прочности пород поступают наоборот.

Станки шарошечного бурения отличают высокая производительность и экономичность.

Ведущими мировыми фирмами, выпускающими станки шарошечного бурения, являются:

- «Ингерсол-Рэнд» (США) – 8 типоразмеров с диаметром бурения от 89 мм до 311 мм., осевым усилием – 113–598кН, частотой вращения – 0-200 мин^-1;

- «Бьюсайрус-Ири» (США) – станки с диаметром бурения 229–455 мм, осевым усилием 191–725 кН, частотой вращения – 0–145 мин^-1;

- «Гарднер Денвер» и «Гарднер Денвер-Харнишфрегер» (США) – станки с диаметром бурения 171–559 мм, осевым усилием 227–680 кН;

- «Дрилтекс» (США), «Тамрок» (Финляндия) – станки с диаметром бурения 127–311 мм, осевым усилием 128–408 кН, частотой вращения – 0–154 мин^-1.

Анализ эксплуатации станков шарошечного бурения показал, что в их конструкции преобладал, в основном так называемый «силовой подход» – значительные осевые усилия при ограниченной частоте вращения из-за вибраций бурового става вследствие трения о стенки скважин.

Увеличение частоты вращения до 300–360 мин^-1 стало возможным при установке по ставу центраторов на подшипниках. При этом стойкость шарошечных долот при частоте вращения 360 мин^-1 оказалось вдвое выше, чем при частоте 150 мин^-1, а износ буровых штанг вообще не был отмечен.

В России выпущены опытные буровые агрегаты подобного типа (табл.3.5).

Таблица 3.5. Техническая характеристика высокочастотных станков шарошечного бурения

Опытная эксплуатация указанных установок показала, что с увеличением частоты вращения, производительность буровых станков возрастает в 1,5–2,0 раза. Повышаются также ресурсные показатели бурового инструмента, основных приводов и станка в целом. В принципе скорость вращения может быть повышена до 450-500 мин^-1, что позволит перейти на взрывную отбойку скважинными зарядами среднего диаметра (150–160 мм).

Ударно-вращательное бурение применяют в крепких и очень крепких, труднобуримых породах с f>10. Станки этого типа легки, маневренны, просты в обслуживании, но производительность их в 2–3 раза ниже, а затраты на обуривание в 1,5–2,5 раза выше, чем у шарошечных станков. На их долю приходится 6–8 % общего объема буровых работ. Рабочим органом станка является погружной пневмоударник. С помощью клапанного устройства сжатый воздух, поступающий по буровым штангам, приводит в возвратно-поступательное движение поршень с бойком, наносящим удары по хвостовику буровой коронки (долота) с частотой 28–42 удара в секунду. Общая энергия удара серийно выпускаемых пневмоударников составляет 95–147 Дж, у перспективных – 74–410 Дж. Вращение бурового става осуществляет вращатель, расположенный на матче. Массив разрушается за счет внедрения лезвия долота (коронки) в забой после каждого удара и скалывания породы в результате его вращения.

Режим пневмоударного бурения характеризуют: энергия единичного удара, усилие подачи, частота вращения бурового става, число ударов поршня-ударника. Оказывают существенное влияние также давление сжатого воздуха и полнота удаления буровой мелочи из забоя.

Принцип работы станков ударно-канатного бурения состоит в том, что буровой снаряд массой 0,8–3,0 т, подвешенный на канате, ритмично поднимается и свободно падает на забой скважины, нанося удары. После каждого удара посредством канатного замка снаряд поворачивается на некоторый угол, обеспечивая разрушение породы по всей площади забоя. В скважину постепенно подливают воду, образующийся шлам периодически вычерпывают желонкой. Бурение в этот момент прекращают. Производительность таких станков невысока. Их применяют на карьерах небольшой производительности или для бурения разведочных и вспомогательных скважин.

Начиная с 90-х годов 20 века, во всем мире проявляется интерес к широкому использованию мобильных буровых установок с гидравлическими перфораторами. Они наиболее приемлемы при разработке небольших месторождений с коротким сроком возврата инвестиций и раздельной добычей разносортных руд. В этих условиях возникает необходимость уменьшения параметров и единичной мощности добычного и бурового оборудования. Возрастают требования к его мобильности при сохранении высокой производительности, позволяющие обеспечить маневренность оборудования при параллельной отработке сближенных участков одного месторождения с разным содержанием полезного компонента, или последовательной отработке нескольких мелких месторождений.

По данным А.В. Витковского, лучшие образцы зарубежных станков ударно-вращательного бурения с гидроперфораторами могут успешно применяться и при годовой производительности карьеров до 3–5 млн. м³ горной массы. Подобные установки обеспечивают скорость бурения в породах средней крепости до 35–40 м/ч.

На выпуске подобных установок специализированы фирмы «Тамрок» (диаметр долот от 51 мм до 250 мм, энергия единичного удара – 15,5–22 кВт, частота ударов 35–62 с^-1) и «Атлас-Копко» (диаметр долот от 35 до 122 мм, частота ударов 40–80 с^-1, частота вращения 0–210 мин^-1, осевое усилие – 8–20 кН).

Станки термического бурения используют для бурения крепких кварцсодержащих пород с f>14. Рабочим органом служит огнеструйная горелка, свободно подвешенная над забоем скважины. Породы разрушаются за счет нагревания тонкого поверхностного слоя пород в скважине высокотемпературной (1800–3200 °С) газовой струей, вырывающейся из сопла горелки со сверхзвуковой скоростью (1600–2000 м/с). В результате термических напряжений отслаиваются чешуйки породы, которые выносятся отработанными газами. Вращением термобура обеспечивают равномерный нагрев всей площади забоя. В качестве топлива используют бензин, керосин, природный газ. Окислителем, как правило, служит сжатый воздух. Горючее и окислитель из баков, смонтированных на станке, подают по трубопроводам через штангу в камеру сгорания. Охлаждение горелки и пылеподавление осуществляют водой и сжатым воздухом. Скорость бурения может достигать 10—12 м/ч. Режим бурения зависит от температуры и скорости истечения газов, частоты вращения горелки, которая составляет обычно 0,25–0,5 с^-1. Современные станки имеют автоматическую систему регулирования, обеспечивающую поддержание оптимальных расстояний между забоем и горелкой и соотношения рабочих компонентов.

Основные недостатки станков этого типа – возможность бурения в породах, содержащих не менее 15% кварца, большой расход жидкого топлива и окислителя. На 1 м скважины требуется 50-70 м³ окислителя и 15–20 кг керосина.

Представляет несомненный интерес использование этого принципа в станках комбинированного типа для терморасширения скважин малого диаметра, пробуренных шарошечными долотами или другим механическим способом.

Цель автоматического управления процессом бурения – облегчение труда рабочих и достижение высокой производительности станка при минимальных затратах. В настоящее время методы и технические средства автоматического управления станком еще недостаточно разработаны. При этом предусмотрено регулирование частоты вращения бурового инструмента (на основе регистрации скорости бурения) и усилия подачи, которое принимают пропорциональным буримости пород. Известны также системы автоматического регулирования усилия подачи по заранее заданной скорости бурения при постоянной частоте вращения бурового става. Последующая стадия автоматизации связана с переходом к программному управлению буровым станком в соответствии с предусмотренной последовательностью работ его исполнительных механизмов

В комплексных системах автоматического управления буровым станком предусмотрены устройства диагностирования неисправностей в комплекте приводов и автоматическое регулирование производительности мощных компрессорных станций.

В последние годы отечественные машиностроительные предприятия предлагают потребителям новое буровое оборудование: станки СБШ-250/270-60 (РД-10), СБШ-190/250-32, СБШ-160/200-40, СБТ-400 МНР.

Станок СБШ-250/270-60 позволяет бурить вертикальные и наклонные скважины в породах f = 9–20 под углом наклона к вертикали 0–30º (с интервалом через 5º) с производительностью в породах с f = 12–14 – 20 м/ч.

Буровой агрегат СБШ-190/250-32 предназначен для бурения контурных скважин под углом наклона к вертикали 0˚–45˚.

Станок СБШ-160/200-40 имеет гидравлический привод и позволяет бурить скважины условным диаметром 100, 171 и 215 мм, под углом наклона к вертикали 0, 15, 30 градусов с технической производительностью 25 м/ч в породах с f = 12–14.

Станок СБТ-400МНР предназначен для термического расширения вертикальных взрывных скважин в породах с f>12. Диаметр котлового расширения – до 450 мм.