§ 1. Класифікація бурильних машин і способів буріння
За призначенням бурильні машини діляться на машини для утворення шпурів по вугіллю і гірських порід і для проведення свердловин різного призначення - розвідувальних, сбоечних, венти-ляціонному, дренажних, дегазаційних і ін.
Шпурамі прийнято називати циліндричні порожнини, виконаний-ні в гірській породі, глибиною до 5 м при діаметрі до 75 мм. Шпу-ри більшого діаметру називають свердловинами, а довжиною більш 5 м - глибокими свердловинами.
Бурильні машини, крім того, класифікують за способом руйнування гірської породи, роду споживаної енергії.
За першою ознакою їх підрозділяють на машини з механічного-ським, фізичним і комбінованим способами руйнування породи, за родом споживаної енергії - на електричні, пнев-матические, гідравлічні і комбіновані.
При механічному способі руйнування здійснюється непо-безпосередніх вплив спеціального бурового інструменту на руйнується породу. До цього способу відносять ударно-поворот-ве, обертальний, ударно-обертальний і обертально-ударне буріння.
При фізичному способі руйнування на породу впливають газами, рідинами, електричним струмом, теплом або іншими видами енергоносія. До цього способу відносять вогневе (терми-чеський), вибуховий, ультразвукове, гідравлічне та електро-гідравлічне буріння.
При комбінованому способі руйнування на породу воздей-обхідних за допомогою механічного та фізичного способів одно-тимчасово.
Ударно-поворотне буріння (рис. IV.34, а) характеризується тим, що клиновидний інструмент впроваджується в породу під дей-наслідком короткочасної, але значної за величиною ударного навантаження Fyд, спрямованої по осі інструменту. При цьому осі-ше зусилля притиснення інструменту Foc дуже мало і забезпечує тільки контакт інструменту з породою в момент удару. Крутний момент MKР також дуже малий. Після кожного удару внаслідок пружності породи і інструменту останній відскакує від забою і повертається механізмом повороту на деякий кут β (рис. IV.35), зазвичай рівний 10-20 °. Під дією ударної на-Грузьке відбувається руйнування породи під дією бура (бо-розд 1 -1, 2 -2 і 3 -3) глибиною h і сколювання її під дією горизонтальної складової F6:
де α = 90 ÷ 120 ° - кут загострення бура.
Зруйновану породу видаляють з шпуру або свердловини про-мивкой, продувкою або іншим способами. Основна перевага ударно-поворотного буріння - можливість бурити породи кре-пости f = 6 ÷ 20.
За допомогою бурильних молотків (перфораторів) бурять шпури і свердловини діаметром 20-150 мм і глибиною до 12 м і більше, а верстатами ударно-канатного буріння - свердловини діаметром до 300 мм і глибиною до 40 м і більше.
До недоліків ударно-поворотного буріння слід віднести періодичність впливу інструменту на породу, причому час, що витрачається на удар, в десятки разів менше часу на рух інструменту у напрямку до забою, відскік і поворот. Крім того, для ударно-поворотного буріння характерні значні пилоутворення, шум і вібрація при роботі.
Обертальний буріння (рис. IV.34, б) характеризується тим, що різець під впливом осьового зусилля подачі F ,, c і крутячи-ного моменту МКР рухається поступально на забій, відокремлюючи по гвинтовій лінії зріз товщиною h. Ударні навантаження при цьому від-сутствуют. Руйнування породи може здійснюватися різанням, зминанням і роздавлюванням. Видалення продуктів буріння з шпуру або свердловини проводиться за допомогою кручених штанг або шнеків, стисненого повітря і води.
До бурильних машин обертального дії відносяться ручні і телескопні свердла, бурильні верстати, довгоходові бурильні машини обертального дії, буросбоечние і буро-шнекові машини. Область їх застосування - малоабразивних породи з коефіцієнтом фортеці до f = 6 ÷ 8, а при оснащенні робочого інструмента алмазами - міцні і дуже міцні породи (f> 10).
При обертальному бурінні розрізняють буріння суцільним забоєм, коли порода руйнується по всій його площі, і кільці-вим забоєм, коли в центрі забою шпуру (свердловини) залишається колонка (керн) незруйнованої породи. Переваги вращатель-ного буріння: безперервність процесу, що забезпечує високу продуктивність; руйнування породи великим зрізом, що зменшує пилоутворення і
питомі енерговитрати; відсутність вібрації машин при роботі. До недоліків слід віднести огра-ніченний область застосування по твердості гірських порід.
Ударно-обертальне буріння (рис. IV.34, в) можна рассма-трівать як ударне з безперервним обертанням інструменту. Руйнування породи відбувається під дією великої ударного навантаження Fуд. переданої клиноподібної інструменту (долота), постійно притиснутий до забою з відносно невеликим осьовим зусиллям Fоc при безперервному обертанні інструменту під воздей-наслідком невеликого крутного моменту Мкр, достатнього для того, щоб виробляти зачистку шпуру (або свердловини) від руйнуючої-шенной породи і зрізати невелику частина її, слабо пов'язану з масивом.
Цей спосіб буріння реалізований в бурових агрегатах, примі-няемое в рудної промисловості при бурінні свердловин діаме-тром 85-150 мм і глибиною до 70 м в міцних і абразивних поро-дах (f = 8 ÷ 20).
Обертально-ударне буріння (рис. IV.34, г). Руйнування породи відбувається під впливом значних за величиною осьового навантаження Foc, ударної Fyjr, а також крутного моменту МКР. При такому поєднанні зусиль основна частина енергії витрачається на руйнування породи різанням, а ударна навантаження збільшує глибину впровадження різця. Область застосування - неабразивні породи з коефіцієнтом фортеці f = 6 ÷ 14.
Цей спосіб буріння реалізований в основному на важких Бурилов-них машинах для буріння шпурів і свердловин діаметром до 100 мм.
Ультразвуковий метод буріння ґрунтується на принципі спільного впливу на гірську породу високочастотних уль-тразвукових коливань, що накладаються на інструмент, і кавітаційного ефекту промивної рідини.
Гідравлічний спосіб буріння заснований на дії струменів води невеликого діаметра (0,8-1 мм), що подається на забій під високим тиском (до 200 МПа) і з надзвуковою швидкістю.
Електрогідравлічний спосіб буріння здійснюється пода-чий високої напруги на контакти електричного кола, рас-покладені на забої свердловини, заповненої водою. При цьому відбувається пробій міжелектродного проміжку з утворенням газового каналу в місці пробою. Тиск в искровом каналі в за-лежно від параметрів розрядного контуру сягає 600-1500 МПа. Розташування іскрового каналу в безпосередній близькості від породи призводить до її руйнування.
Ультразвуковий, гідравлічні і електрогідравлічний спо-соби буріння в даний час знаходяться в стадії теоретичних і експериментальних досліджень і в промисловості не при-змінюються.
До фізичного способу відноситься також взривобуреніе, ко-лось може здійснюватися за допомогою патронів рідких або твердих вибухових речовин, а також струменевим способом.
У першому випадку в промивних рідин, що циркулює по спущеним до забою свердловини трубах, з певною частотою подаються патрони з рідким або твердим ВВ, що вибухають від удару в забій. У другому випадку за спеціальними трубках з ємкостей до дозуючим пристосуванням забійного взривобура надходять рідкі компоненти ВВ (пальне і окислювач), ко-торие потім подаються на забій і за допомогою ініціатора (сплаву калію і натрію) вибухають.
Взривобуреніе в даний час знаходиться в стадії перевірки.
Термомеханічне буріння відноситься до комбінованого способу руйнування гірської породи. Суть методу заклю-чає в тому, що за допомогою високотемпературних газових струменів в поверхневому шарі забою свердловини створюється попереднє напружений стан, завдяки якому значно обліг-чає подальше руйнування породи механічним впливів-ністю (шарошечним долотом або іншим буровим інструментом). Продуктивність верстатів термомеханічного буріння на 30- 50% вище в порівнянні з чисто шарошечним бурінням.