Бурильные машины и установки

Интенсивное развитие техники буровых работ началось во второй половине XIX в. с появлением машинного бурения. В 1857 г. была сконструирована первая пневматическая бурильная машина, а в 1859 г. пробурена первая нефтяная скважина паровым станком проф. Г.Д. Романовского. В 1862 г. начинается бурение скважин алмазными коронками и в 1899 г. — дробью.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН

В 1923 г. в СССР создается турбобур и затем электробур А. Л. Островского и Н.В. Александрова, в 1939 г. — высокочастотный перфоратор. В конце 20-х годов широкое применение на карьерах Урала и Днепростроя получают станки канатно-ударного бурения и с 1940 г. на угольных карьерах — станки вращательного бурения.

В настоящее время вскрытие месторождений, подготовительные и очистные работы, разведка месторождений и другие работы по добыче полезных ископаемых, связанные со взрывным способом разрушения, который наиболее эффективен в породах повышенной крепости, обычно основаны на бурении шпуров и скважин машинным способом.

Шпурами принято называть цилиндрические углубления в горной породе глубиной до 5 м при диаметре до 75 мм. Шпуры большого диаметра (до 250 — 300 мм) называют скважинами, а при длине, большей 5 м,- глубокими скважинами.

Горные машины, предназначенные для бурения шпуров и скважин, называют бурильными машинами. Бурильные машины по области применения могут быть для открытых и подземных работ; по назначению — машины для бурения шпуров и для бурения скважин; по роду потребляемой энергии — пневматические, электрические, гидравлические, термические и комбинированные; и по способу разрушения горной породы подразделяются на широко применяемые в настоящее время машины с механическим (непосредственным) воздействием разрушающего инструмента на породу и со специальными физическими методами воздействия.

Бурильные машины с механическим воздействием разрушающего инструмента на породу подразделяют по способу бурения на машины вращательные, ударные, ударно-вращательные и вращательно-ударные.

К новым физическим методам воздействия относят огневое (термическое), электрофизическое, ультразвуковое, высокочастотное и другие виды бурения.

При вращательном бурении порода разрушается спиральными слоями под действием резцов, которые одновременно вдавливаются в породу значительными осевыми усилиями и вращаются вокруг оси шпура или скважины. Вращательный режим бурения применяют в основном для пород слабых и средней крепости (f < 8) и используют в таких бурильных машинах, как горные сверла — для бурения шпуров глубиной до 4—5 м при диаметре 40—45 мм; станки глубокого бурения — для бурения скважин глубиной до 100 м и диаметром до 100 мм и гезенко-бурильные и буросбоечные. машины — для бурения скважин глубиной до 150 м при диаметре, достигающем 1000-1500 мм.

При ударном способе бурения порода разрушается под действием ударов по инструменту, выполненному в виде клина, который после каждого удара отскакивает от забоя и поворачивается на некоторый угол для нанесения удара по новому месту на забое. Ударный способ применяется в перфораторах для бурения по породам f = 20 и выше. С помощью перфораторов бурят шпуры и скважины в подземных условиях и на поверхности глубиной до 5 м и более и диаметром до 150 мм.

Ударно-вращательное бурение характеризуется такими же параметрами, как и ударное, однако в отличие от него, удар наносится по непрерывно вращающемуся буровому инструменту. Этот способ бурения применяется для бурения скважин диаметром до 150 мм и глубиной до 100 м в крепких породах (с коэффициентом крепости 6-20) тяжелыми бурильными машинами и буровыми агрегатами.

При вращательно-ударном способе бурения к породоразрушающему инструменту прикладываются значительные осевое усилие, крутящий момент и ударные импульсы.

Вращательно-ударное бурение наиболее эффективно для бурения шпуров и скважин диаметром до 100 мм в породах с коэффициентом крепости 6-12 тяжелыми бурильными машинами.

Физические способы разрушения горной породы относятся к новым методам бурения и в настоящее время находятся в процессе исследований, промышленных экспериментов и внедрения отдельных типов машин. Наиболее широкое распространение из физических способов разрушения горных пород получило термическое бурение, с помощью которого прожигаются скважины глубиной до 25—30 м и диаметром до 250 мм на открытых горных работах.

Из электрофизических способов разрушения породы наиболее известны: ультразвуковой, электроимпульсный и высокочастотный.

При ультразвуковом способе горная порода разрушается за счет высокочастотных колебаний, которые создаются магнитострикционным вибратором.

В основе электроимпульсного способа лежит использование электрогидравлического эффекта, который позволяет превращать энергию электрического разряда в механическую.

При высокочастотном способе разрушения создаются электрические или магнитные поля высокой частоты, под действием которых горная порода нагревается и растрескивается с отделением тонких чешуек, что и может быть использовано для бурения скважин.