Бурение

Бурение — 1. Б. скважин — процесс искусственного образования в горной породе или в полезном ископаемом выработки небольшого круглого сечения (скважины).
Процесс Б. заключается в последовательном разрушении поверхности забоя и извлечении продуктов разрушения на поверхность. Б. производится буровыми станками.
При Б. скважин различают механические и немеханические способы.
По характеру приложения разрушающей нагрузки на забой механические способы Б. скважин разделяются на ударный, вращательный, ударно-вращательный, враща-тельно-ударный.
Из немеханических способов Б. известны: термическое, взрывное, электроимпульсное, ультразвуковое, электрогидравлическое, электромагнитное и т. д. Все эти способы, кроме термического, находятся в стадии изучения.
I. При ударном (ударно-поворотном, ударно-канатном) Б. разрушение происхо-. дит в результате последовательных ударов по забою скважины инструмента (штанг л буровой коронки), совершающего возвратно-поступательное движение. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая тем самым разрушение породы по всей площади забоя.
Ударно-поворотное Б. скважин, осуществляемое бурильными машинами (перфораторами) колонкового или телескопного типа с использованием свинчивающихся или цельных гибких штанг, называется штанговым Б.; его достоинство — высокая скорость и возможность проходки -скважин малого диаметра, недостаток — резкое снижение скорости Б. при глубине •скважины более 12 м (в породах средней крепости) и более 8 м (в крепких породах).
Бурильные машины с независимым вращением коронки и выносными ударными механизмами позволяют значительно увеличить глубину штангового Б.
При ударно-канатном Б. подвешенный на канате буровой снаряд весом до 2500 кг, состоящий из долота, штанги и канатного замка и поднимаемый с помощью ударного механизма на высоту 0,8—1,0 м, падает, наносит удары по забою скважины и разрушает лезвием долота породу. Поворотом бурового снаряда при подъеме на некоторый угол (15—60°) обеспечивается разрушение породы по всей площади забоя. В процессе Б. в скважину подливают воду, -разрушенная порода переходит во взвешенное состояние — шлам, который периодически удаляется из скважины желонкой (см. Буровая желонка).
II. При вращательном Б. разрушение забоя скважины (шпура) производится путем смятия, раздавливания, скалывания л в меньшей степени истирания вращающимся буровым инструментом (коронками, долотом, дробью).
По виду разрушающего материала и конструкции коронки вращательное Б. подразделяется на Б. коронками, армированными
резцами из твердого сплава, металлической дробью (дробовое Б.), шарошечными долотами, армированными зубками из твердого сплава (шарошечное Б.), коронками, армированными алмазами (алмаз-ное  Б.).
При Б. коронками, армированными резцами из твердого сплава, разрушение породы происходит за счет осевого усилия, приложенного к коронке, и усилия резания (вращающая сила). Величина этих усилий зависит от размеров и геометрической формы резцов коронки, глубины внедрения их в породу, физико-механических свойств горной породы и др. Под действием осевого усилия инструмент внедряется на некоторую глубину, производит смятие, раздавливание и скол некоторого объема породы сначала передней, а затем и задней гранью резца. Б. твердосплавными коронками наиболее эффективно в породах средней крепости. Количество резцов в коронке зависит от ее диаметра и крепости буримых пород. Удаление продуктов бурения из скважины производится водой.
При дробовом Б., осуществляемом чугунной, стальной дробью или стальными шариками, разрушение забоя скважины происходит за счет деформаций смятия и раздавливания, которые образуются при вдавливании дробинок в породу под действием осевого усилия. При небольшой величине этого усилия на поверхности породы появятся трещины, идущие вглубь (деформация смятия); при этом формируется главный объем давления. При увеличении осевого усилия (до определенного предела) крайние трещинки пересекутся и произойдет отделение большого объема скалывания (деформация раздавливания). В дальнейшем процесс повторяется.
При бурении в крепких породах лучшие результаты получены при применении стальной дроби. Дробовое Б. может осуществляться кольцевым (керновое Б.) и сплошным (бескерновое Б.) забоем. При кольцевом забое в скважине остается неразрушенной порода в ее центральной части — керн, который входит в металлическую трубу и периодически извлекается из нее. При бескерновом Б. забой разрушается полностью, в этом случае дробинки перемещаются по забою под действием составляющей окружного усилия, центробежной силы, статической и динамической нагрузок и разрушают породу по спиральной линии. Бескерновое Б. эффективнее бурения кольцевым забоем. Удаление разрушенной породы производится водой, подаваемой через сальник и штанги на забой.
При шарошечном Б. разрушение забоя скважины производится стальными или твердосплавными зубками шарошечных долот. Под действием осевого усилия зубки внедряются в породу на глубину, зависящую от их формы, величины осевого усилия и физико-механических свойств породы. При вращении нагруженные шарошки перекатываются по забою скважины, а зубки ударяют по породе. Величина работы, совершаемой зубками при ударе, определяется высотой его падения и осевым усилием; максимальная нагрузка на забой передается через контактную поверхность зубка с породой, когда вся шарошка опирается на один зубок, расположенный перпендикулярно плоскости забоя. Этот зубок передает на забой не только осевое усилие Р, приходящееся на него, но и энергию удара, полученную им при падении с определенной высоты. Под действием указанных нагрузок на контакте зубка с породой образуются высокие напряжения; зубок, переходя из вертикального положения в наклонное, скалывает частицы породы, движущиеся с достаточно большой скоростью. Если к шарошечному долоту приложить ударные нагрузки с помощью механизмов,  то   эффективность    Б.   возрастет.
Разрушенная порода из    скважины    выносится водой или сжатым воздухом.
Алмазное Б., характеризующееся высокой производительностью, широко применяется при разработке крепких и весьма крепких руд. Особенностью этого способа является возможность бурить скважины малого диаметра любого направления с небольшими-искривлениями и потерями диаметра скважин, что позволяет строго выдержать их расчетные направления, более равномерно распределить ВВ в массиве и получать хорошее дробление.
Разрушение забоя скважины происходит в основном в результате деформаций раздавливания, в меньшей степени в результате истирания породы. Для образования деформаций раздавливания необходимо создать в местах соприкосновения алмазных зерен с породой такое давление, которое вызвало бы в ней образование напряжений, превышающих по своей величине предел прочности породы на раздавливание. При недостаточном давлении создадутся лишь деформации смятия и разрушение породы будет происходить в результате истирания с невысокой эффективностью. Динамические нагрузки, неизбежно возникающие при Б. из-за неровности поверхности забоя, при соблюдении оптимальных режимов не вызовут опасного разрушения алмазов, но в тоже время они способствуют более интенсивному образованию напряжений в породе и* разрушению ее. Алмазному Б. присущи высокие числа оборотов инструмента, предельные значения которых определяются свойствами пород, качеством алмазов, конструкцией коронки, размером и числом промывочных канавок и др.
Ориентированная в направлении вектора твердости вставка округленных алмазов в коронке интенсифицирует процесс-разрушения.
Алмазное Б. можно производить кольцевым и сплошным забоями. Бескерновое Б. эффективнее кернового, поэтому последнее сохранило свое значение главным образом в весьма крепких породах.
Удаление разрушенной породы производится водой (редко сжатым воздухом), подаваемой через сальник и штанги на забой, попутно вода охлаждает коронку.
При роторном Б. момент вращения передается на буровой инструмент от привода через ротор рабочую штангу и буровую колонну. Роторное Б. применяется при бурении скважин и шахтных стволов.
При турбинном Б. момент вращения передается на буровой инструмент от гидравлической турбины, расположенной непосредственно в забое над буровым инструментом. Турбина приводится во вращение промывочной жидкостью, подаваемой под давлением.
При шнековом Б. рабочим инструментом является бур, представляющий собой трубу, на конец которой надевается буровая коронка, армированная твердым сплавом, а вдоль нее приваривается по винтовой линии полосковое железо, предназначенное для непрерывной выдачи из скважины разрушенной породы, Шнековое Б. скважин диаметром ПО и 150 мм эффективно лишь в мягких горных городах. Широкое распространение шнековое Б. получило на угольных карьерах.
III. Ударно-вращательное Б. осуществляется буровыми станками с погружным пневматическим молотком (пневмоударникоя), находящимся непосредственно на забое скважины и наносящим удары по буровой коронке. Работа пневмоударника не зависит от вращающего механизма, находящегося вне скважины, на станке. Скважины диаметром 100—155 мм и глубиной до 50 м могут буриться под любым углом к горизонту.
Разрушение забоя при ударно-вращательном Б. происходит как за счет удара (динамическая нагрузка), так и за счет осево-го и окружного усилий. Осевая нагрузка не только разрушает забой скважины, но и создает в породе напряженное состояние, что способствует более эффективному использованию энергии удара.
При малой величине осевой нагрузки внедрение коронки в породу будет происходить в основном под действием удара и режим разрушения породы приблизится к ударному (ударно-поворотному), а при большой — эффективность разрушения породы снизится за счет увеличения сил трения в шпоночном соединении долота и пневмоударника, роста объемной работы разрушения и сильного износа коронки. Оптимальные значения осевой нагрузки определяются физико-механическими свойствами пород, формой и размером коронки, типом пневмоударника и т. д., но обычно они  составляют 250—350 кгс (диаметр скважины 100 мм).
При Б. малоабпазивных пород средней и выше средней крепости и замене шпоночного крепления долота шестигранным или шлицевым соединением осевое давление может быть значительно увеличено (до 700 кгс на 1 см диамехраскважины). При достаточной мощности вращателя в этом случае будет реализовано вращательно-ударное Б. с резким увеличением скорости Б.
ИГД им. А. А. Скочинского и ВНИИБТ выдвинуто предложение об объединения в одном буровом снаряде двух способов Б.: шарошечного и ударного. Разработан комбинированный буровой инструмент УШ-150, представляющий собой погружной пневмо-ударник, оборудованный двухшарошечным и однолезвийным ударным долотами (рис. 3). Вращательное   движение    инструменту передается от бурового станка, а удар осуществляется пневмоударником, работающим на сжатом воздухе (возможно также на воздушно-водяной смеси). Сжатым воздухом охлаждаются шарошки и выносятся продукты бурения.
Шарошки, перекатываясь по забою под высоким осевым давлением, создают напряженное состояние в породе, что способствует повышению эффективности работы ударного долота. В свою очередь лезвие долота пневмоударника создает при ударах определенную зону ослабленной породы на забое, тем самым повышая эффективность разрушения породы шарошками. Скорость Б. комбинированным снарядом в 1,5—2 раза выше скорости шарошечного, в 3 раза — пневмоударного и в 7—8 раз — ударно-канатного Б.
К вибрационно-вращательному Б. относится способ разрушения породы, основанный на принципе высокочастотных ударных воздействий, создаваемых механическими эксцентриковыми вибраторами или вибромолотами. Исполнительный орган  (долото я коронка), представляющий общий механизм. с вибратором, одновременно выполняет два вида движения: возвратно-поступательное — под действием возмущающих импульсов вибратора и вращательное — от привода станка. В результате такого комбинированного воздействия происходит разрушение породы. Продукты разрушения удаляются из скважины водой или сжатым воздухом.
В данное время вибро-вращательное 5. наиболее распространено в мягких малосвязных породах.
IV. Вращательно-ударное Б. осуществляется машинами, в которых сочетаются вращательный и ударный способы Б. Коронке (резцу), находящейся под давлением 300— 500 кгс на 1 см диаметра, придается независимое вращение со скоростью 100— 350 об/мин.
Разрушение породы при этом способе происходит в момент нанесения удара по коронке и в интервалах между ударами за счет скалывания породы, ослабленной ударным воздействием лезвий коронки, находящейся под большим осевым давлением. При этом достигается значительно большая эффективность разрушения породы, чем при простом сложении ударного и вращательного Б. Вращательно-ударное Б. наиболее целесообразно в породах. Диаметр шпуров 40—45 мм, скважин 65—85 мм.
При термическом Б. (прожигание скважин) используется высокая температура газов, вытекающих отдельными струями со сверхзвуковой скоростью из специальной горелки ракетного типа.    Высокая температура создается при сгорании в струе кислорода или сжатого воздуха керосина, бензина — для горелок ракетного типа и при прогревании продуваемого через газовый разряд воздуха и подаче его на забой по соплам — для горелок плазменного типа. При расходе кислорода 280 м3/ч и керосина 150 л/ч в камере сжигания развивается давление до 40 кгс/см2, температура достигает 2300° С, а скорость истечения газов — 1800 м/сек. При воздействии тепловых потоков на горную породу наиболее нагретыми оказываются участки в непосредственной близости от поверхности и сама поверхность нагрева. Свободному расширению нагретых участков породы препятствует противодействие ненагретых ее участков, поэтому в породе возникают термические напряжения, вызывающие отслаивание от массива чешуек породы, которые выносятся отработанными газами из зоны действия горелки вверх на струю воды, вытекающую-из трубы, расположенной выше горелки.
Величина термических напряжений определяется температурным градиентом (разностью температур двух смежных слоев породы), отдачи от газа к породе; При взрывном Б. образование скважин осуществляется взрыванием зарядов ВВ непосредственно в забое. При ампуль-ном взрывном Б. заряды ВВ в виде ампул-подаются по трубам, при струйном — в виде жидкого окислителя и горючего по специальным трубкам из емкостей, расположенных на поверхности, к дозирующим приспособлениям забойного взрывобура.
Важнейшим условием эффективной работы взрывного Б. является тщательная очистка  забоя  от разрушенной  породы.
При ампульном взрывном Б. продукты разрушения удаляются циркулирующей-в скважине промывочной жидкостью, при струйном Б. — газообразными продуктами-взрыва и сжатым воздухом. В крепких и весьма крепких породах производительность взрывного Б, может достигать 15 м/ч.
При ультразвуковом Б. разрушение породы происходит в основном за счет внедрения зерен абразива (карбид бора, окись алюминия, карбид кремния) под действием ультразвуковых колебаний, сообщаемых им рабочим инструментом (металлической трубкой).
Колебательные движения инструмента с ультразвуковой частотой 20 000 гц при незначительной их амплитуде осуществляются-с помощью магнитоетрикнионных или элек-трострикционных материалов и специальных концентраторов конической формы.
В зону контакта инструмента с породой подается водная суспензия абразивов. Достигнутая скорость ультразвукового Б. на данном этапе его развития составляет 2— 4 мм/мин. Наиболее эффективно оно будет в сочетании с другими способами.
Электрогидравлическое Б. осуществляется электрическими разрядами, создаваемыми в воде между двумя электродами, расположенными на определенном расстоянии друг от друга. При подаче на электроды достаточно высокого напряжения (30—80 кв) происходит пробой межэлектродного промежутка с образованием газового канала в месте пробоя. Избыточное давление при этом достигает 6000— 15 000 кгс/см2. Разрушение породы происходит в основном первичной ударной волной.
Электрогидравлический бур выполнен в виде центрального и трубчатого электродов. На торце последнего имеются выступы, последовательно выполняющие роль контактов искрового промежутка. Расстояние между выступами должно обеспечить полное разрушение породы между двумя последовательными разрядами.
2.   Б. шпуров — процесс получения цилиндрического или слабоконического углубления в массиве полезного ископаемого или породы, осуществляемый с помощью бурильных машин.
По характеру приложения разрушающей нагрузки Б. шпуров подразделяется на ударно-поворотное, осуществляемое машинами (перфораторами) ударного действия, и вращательное, осуществляемое электрическими ли пневматическими сверлами.
3.  Б. шахтных стволов — механизи-росванный процесс сооружения (проходка и крепление)    вертикальной    или    наклонной
горной выработки круглого сечения с помощью мощных буровых установок, исключающих необходимость работы в подземных условиях, кроме разделки сопряжений ствола с околоствольными дворами.