ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ СПОСОБИ РУЙНУВАННЯ

ТЕРМІЧНІ СПОСОБИ РУЙНУВАННЯ

1. Способи термічного руйнування основані на перетворені гірської породи в рідкий або газоподібний стан.

Наприклад,

- перегонка горючих сланців в рідке паливо;

- газифікація вугілля підземним спалюванням і виведенням на поверхню отриманого горючого газу.

2. Термічне руйнування, яке має механічний або фізико-механічний характер.

У випадку механічного характеру при інтенсивному підігріванні породи (наприклад, полум’ям або газами реактивного пальника) в поверхневому шарі породи виникають термічні напруження, які призводять до руйнування породи.

У випадку фізико-механічного характеру, на породу діє газовий високотемпературний струмінь, що викликає розплавлення і випаровування породи.

Термічне буріння використовують на відкритих гірських роботах для буріння неглибоких свердловин в породах великої міцності. Для цього використовують спецстанки з вогнеструминними пальниками.

На сьогодні електромагнітні способи руйнування знаходяться в стадії розробки в провідних наукових центрах світу.

Лекція 7. Бурильні машини. Область застосування. Класифікація

Найбільше поширеним способом відділення від масиву порід середньої міцності і міцних на сучасному рівні гірничопрохідницької техніки є буропідривний спосіб. Проте, якщо застосування вибухових речовин, які вводяться усередину масиву породи, дозволяє в долі секунди відокремлювати значні обсяги гірської породи, то буріння шпурів, необхідних для розміщення в масиві зарядів вибухових речовин, є однією з найбільш трудомістких операцій при проведенні підготовчих виробок, що складає 25-40 % загальних трудовитрат на всі роботи виробничого циклу і 55-60 % вартості всіх прохідницьких робіт при буропідривному способі проведення виробок.

Буріння шпурів малопродуктивними ручними і колонковими електросвердлами і перфораторами зменшує продуктивність праці прохідників і створює труднощі в комплектуванні прохідницьких бригад, тому що на буріння потрібно виділяти значно більше число робітників, ніж на проведення навантажувальних робіт.

ПРИМІТКА. Шпурами прийнято називати циліндричні порожнини в гірській породі з глибиною до 5 м при діаметрі до 75 мм. Шпури великого діаметра називаються свердловинами, а довжиною більше 5 м - глибокими свердловинами.

В зв'язку з цим, задача дослідження процесів механічного руйнування гірських порід при бурінні шпурів і створення на цій основі механізованих високопродуктивних бурильних машин і установок є актуальною і від успішного її рішення в значній мірі залежить ріст продуктивності праці при проведенні підготовчих виробок і створення комфортних умов праці прохідників.

До способів механічного руйнування гірських порід руйнуючими інструментами відносяться різання, ударне руйнування і різання з одночасним накладенням статичних або ударних навантажень. При цьому за характером деформації породи в місці контакту її з лезами інструмента розрізняють об'ємне і поверхневе руйнування.

Найбільше ефективним є об'ємне руйнування, що виникає в тому випадку, коли величина питомого тиску контакту лез інструмента на породу (осьового зусилля) буде більше, ніж твердість породи на вдавлювання, тобто

,

де Р - осьове зусилля, Н; - критичне напруження породи від статичного вдавлювання, Н/ мм; S - площа контакту лез інструмента з породою, мм.

Поверхневе руйнування відбувається тоді, коли питомий тиск контакту лез інструмента на породу буде меншим твердості породи на вдавлювання, тобто коли осьового зусилля недостатньо (Р< ), щоб інструмент проникнув в породу.

При бурінні шпурів застосовують такі способи буріння: обертальне, ударно-поворотне, обертально-ударне та ударне-обертальне.

Різання гірської породи при обертальному способі буріння відбувається, коли різець здійснює обертальний рух при постійній дії на інструмент осьового зусилля (тиску) Р, що викликає врізання інструмента в породу (рис.1, а).

а б

Рис.1. Способи буріння

Ефективність обертального буріння, згенерованого машиною обертальної дії, визначається величиною осьового зусилля, що забезпечує вкорінення інструмента в породу на визначену глибину. Частіше осьове зусилля змінюється від 2,5 до 20 кН, а частота обертання - від 1,68 до 20 с.

З енергетичної точки зору обертальне буріння є достатньо досконалим процесом, але тільки при бурінні м'яких і середньої міцності неабразивних порід. При обертальному бурінні абразивних порід середньої міцності і міцних цей метод малоефективний внаслідок недостатньої величини осьових зусиль, що не забезпечує об'ємного руйнування породи, а призводить лише до поверхневого її руйнування від стирання, і внаслідок швидкого зношування і затуплення інструмента при збільшенні осьових зусиль.

Можливості обертального буріння ще недостатньо використані, і область його застосування може бути розширена в бік буріння більш міцних порід.

Руйнування породи при ударному-поворотному бурінні здійснюється ударами інструмента з енергією Aуд по породі (рис.1, б), які наносяться з всановленою частотою по буровій штанзі при повертанні інструмента на визначений кут α у період між ударами.

У момент удару лезо інструмента проникає в породу, створюючи вруб (об'ємне руйнування), глибина якого залежить від роботи одиничного удару, критичного напруження породи, дії динамічного навантаження і площі контакту леза інструмента з породою. Умова об'ємного руйнування породи в цьму випадку

де Aуд - енергія удару, Дж; -критичне напруження породи від дії динамічного навантаження, Н/ мм, h - величина можливого переміщення інструмента для створення умов об'ємного руйнування.

Основними параметрами ударного-поворотного буріння є: енергія одиничного удару поршня по штанзі, частота ударів інструмента по породі, кут повороту інструмента між ударами й осьове зусилля подачі. Як правило енергія одиничного удару складає від 30 до 200 Дж, частота ударів в секунду - від 30 до 50, осьове зусилля подачі 1150-2000 Н.

При ударному-поворотному бурінні можна створювати значне питоме навантаження на інструмент, тому ударне-поворотне буріння застосовують для міцних і дуже міцних порід.

Недоліком ударного-поворотного буріння є приривчастий і більш тривалий процес руйнування, ніж при обертальному бурінні, тому що при зворотному ході ударника утвориться пауза і робота по руйнування породи в цей момент не проводиться.

Для ефективного об'ємного руйнування порід необхідно, щоб при обертальному бурінні питоме осьове зусилля, а при ударному-поворотному питома енергія одиничного удару були більші ніж параметри опору породи відповідно на статичне або динамічне вдавлювання.

Особливістю обертально-ударного способу буріння та ударно-обертального способу буріння є одночасна передача на породу руйнуючим інструментом, що що постійно обертається, крутного моменту, осьового статичного зусилля і періодичних ударних імпульсів, направлених по осі інструмента .

Різниця між ними полягає в тому , який з двох факторів -крутного моменту і ударного навантаження основний.

При обертально-ударному способі основна енергія втрачається на руйнування різанням крутним моментом, при значному зусиллі подачі, а ударне навантаження збільшує глибину вкорінення різця.

При ударно-обертальному способі буріння руйнування здійснюється під дією великого ударного навантаження, що передаеться долоту (різцю) при невеликій силі підтискування і невеликому крутному моменті, достатньому для зачищення шпура від породи і достатньому для зрізання невеликої частини породи, що слабко зв'язана з масивом.

Зношування інструмента для останніх двох способів зменшується. Параметри буріння обертально-ударним засобом частіше такі: енергія одиничного удару від 40 до 80 Дж, осьове зусилля до 12 000 Н, частота обертання інструмента до 2,5 об/с, частота ударів у секунду 42-62. Обертально-ударне буріння застосовується в породах середньої міцності, де воно забезпечує оптимальну продуктивність. Проте для здійснення обертально-ударного способу вимагаються конструктивно більш складні бурильні машини, ніж для обертального або ударного-поворотного.

При бурінні міцних і абразивних порід величину осьового зусилля варто обмежувати для зменшення зношування і затуплення інструмента, але вона повинна бути достатньою для того, щоб перешкоджати відскоку бурильної головки від вибою після удару. З підвищенням напруженння породи в місці контакту її з лезом інструмента необхідно використовувати енергію удару на руйнування породи.

Поряд з удосконалюванням існуючих способів буріння шпурів, основаних на механічному руйнуванні порід, ведуться пошуки нових, більш ефективних способів. До них можна віднести: термічне буріння, вібробуріння, а також буріння за допомогою вибухових речовин, струменів води під високим тиском, ультразвука.

На основі вітчизняних і закордонних досліджень встановлені наступні області застосування різноманітних способів механічного буріння шпурів діаметром 32-52 мм:

обертальне буріння доцільно застосовувати при неабразивних породах з f<8;

обертально-ударне буріння рекомендується в породах з f= 8-16;

ударно-обертальне буріння рекомендується в породах з f = 8 -20.

ударне-поворотне буріння найбільше ефективне на абразивних породах із f>16.

При вдосконаленні того або іншого способу буріння область їхнього застосування може змінюватися.

Для буріння шпурів у підземних гірських виробітках застосовують бурильні машини і шахтні бурильні установки.

Сукупність конструктивно об'єднаних бурильної головки, податчика, штанги і бурового інструмента являє собою бурильну машину.

Бурильна головка створює крутний момент з ударами або без них.

Податчик за допомогою штанг забезпечує переміщення бурильної головки і необхідні осьові зусилля на буровому інструменті.

Бурильна машина надає буровому інструменту визначений напрямок і забезпечує буріння шпура.

Бурильні машини класифікують за такими основними ознаками:

за типом бурильної головки - обертальної, обертально-ударної, ударно-обертальної, ударної-поворотної і універсальної дії;

за масою - легкі (до 10 кг), середні (20-60 кг) і важкі (понад 60 кг);

за способом установки - ручні, колонкові і механічні, які встановлюються на маніпуляторах кареток (візків);

за родом енергії, що споживається - електричні, пневматичні, гідравлічні та комбіновані;

за частотою ударів бурильної головки в секунду - звичайного типу (до 80) і швидкоударні (більше 80);

за типом податчика - з рейковою, ланцюговою, канатною, гвинтовою, гідравлічною, пневматичною та комбінованою подачою;

за ходом податчика - звичайний (до 2 м), середній (до 3 м), і довгий (3-5 м);

за граничним значенням діаметра бурової коронки - для буріння шпурів малого діаметра (до 52 мм) і великого діаметра (52-85 мм);

за способом очистки шпура - промивка водою або повітряно-водяною сумішшю, продувка і відсмоктування пилу, очищування шпура витою штангою.

Шахтні бурильні установки дозволяють з високою швидкістю бурити шпури в середніх і міцних породах при проведенні гірських виробок в вугільних шахтах і рудниках, виключають ручну працю, покращують санітарно-гігієнічні умови роботи і частково механізують процеси кріплення і зарядки шпурів.

Бурильні установки використовують також при будівництві тунелів і підземних споруд.

Шахтні бурильні установкикласифікують за наступними ознаками:

за призначенням - для буріння шпурів в одно- і двохшляхових підготовчих виробках шахт і рудників перерізом на світлі 4,4-8,0 мі 8-27 м, для буріння шпурів в тунелях і рамерах перерізом 27-85 м;

за відносною міцністю порід - для порід з f ≤ 6-8, для порід з f ≤ 10-15 і для порід з f ≤ 15 - 20;

за найбільшою висотою буріння (при розташуванні бурильної машини паралельно грунту виробки) - перший розмір - 2 м, другий - до 2,5 м, третій - до 3,6 м, четвертий - до 5 м, п'ятий - до 7 м, шостий - до 11,2 м;

за найбільшою шириною буріння з однієї позиції - перший розмір - не менше 2,2 м, другий- не менше 3,3 м, третій - не менше 4,5 м, четвертий - не менше 5,5 м, п'ятий - не менше 6,5 м, шостий— не менше 7,5 м;

за типом бурильної машини - обертального, ударного-поворотного, обертально-ударного й універсального буріння;

за родом енергії -пневматична, електрична і гідравлічна;

за зоною буріння - фронтальна (тільки по вибою) і радіально-фронтальна (по вибою, в крівлю, боки і грунт виробки);

за глибиною буріння - для буріння шпурів малої глибини (до 2 м), середньої глибини (до 3 м) і глибоких (більш 3 м);

за числом бурильних машин - одно-, двох-, трьох- і чотирьох машинна;

за типом ходової частини - колісно-рейкова, пневмоколісна і гусенична;

за способом переміщення - самохідна і несамохідна.