Лекція 2. Короткі відомості про руйнування порід при бурових роботах

Коротка історія розвитку підривних робіт

Для підривання порохових зарядів спочатку застосовувалися порохові доріжки.

У 1863 р. Альфред Нобель (Швеція) одержав, а у 1866 р. налагодив випуск пластичної ВР на основі нітрогліцерину з добавкою 25% мінералу – інфузорної землі (кізельгур), та назвав його динамітом, що в перекладі зі шведського “сильний”. Це був переворот у вибуховій справі.

У 1867 р. шведськими хіміками І. Ольсеном та І. Норбітом були отримані і запатентовані ВР на основі аміачної селітри, що одержали надалі назву амонітів. Однак А. Нобель купив цей патент і більш ніж на 20 років затримав упровадження цих ВР у промисловість.

Перші у світі лабораторні вибухи пороху електричним способом здійснив визначний російський вчений-фізик В.В. Петров у 1803 р.

У 1812 р. професор П.І. Шиллінг (Росія) створив і вперше застосував електричний запальник з вугільним запалом, що у 1839 р. замінив запальником з електричним містком розжарювання. Б.С. Якобі (Росія) довів електричний спосіб запалювання порохових зарядів до практичного використання. Він же в 1842 р. створив першу електричну підривну машинку.

У 1831 р. інженер Бікфорд запропонував вогнепровідний шнур, що поклав початок так званому вогневому способу ініціювання зарядів ВР.

М.М. Зінін і В.Ф. Петрушевський (Росія) встановили, що деякі сорти динамітів не вибухають від полум'я. Тому для підсилення впливу на ВР вони вперше застосували як ініціатор невеликий заряд чорного пороху, від якого вибухали всі сорти. Заряд-детонатор удосконалив капітан Андрієвський (Росія). У 1865 р. для повноти підривання ВР він застосував спеціальний запал, що являв собою паперову гільзу у вигляді зрізаного конуса з закріпленим у ній електрозапальником, споряджену порохом. На торці гільзи зроблена заглибина, заповнена залізними ошурками. Це був не тільки перший у світовій практиці електродетонатор, це був перший, хоча і неусвідомлений, випадок використання ефекту кумуляції.

У 1868 р. А. Нобель сконструював свій капсуль-детонатор у вигляді мідної гільзи з начинкою з гримучої ртуті (замість пороху), відкритої в 1799 р. хіміком Е. Говардом (у 1815 р. її застосували в збройових капсулях). У тому ж році А. Нобель одержав патент на “Запал Нобеля”. Це був справжній переворот у гірничій справі.

У 1879 р. французький учений Мессен запропонував як засіб ініціювання ВР детонуючий шнур.

Що стосується засобів електричного підривання, то треба відзначити, що Були розроблені електродетонатори звичайної і підвищеної ініціюючої здатності, незапобіжні і запобіжні, за часом спрацьовування миттєвої, короткоуповільненої й уповільненої дії (К.О. Берлін, Г.І. Покровський, М.Л. Росинський та ін.).

У галузі руйнування гірських порід вибухом поряд з розширенням асортименту вибухових речовин і засобів ініціювання зарядів, поліпшення їх якості велися дослідження у напрямі удосконалення технології виробництва підривних робіт, що забезпечують повну безпеку і високі техніко-економічні показники (М.В. Мельников, М.О. Лаврентьєв та ін.).

Основні поняття

БУРОВА СВЕРДЛОВИНА, *буровая скважина - свердловина (циліндрична гірнича виробка), створена бурами або іншими буровими інструментами. Початок бурової свердловини називають устям, кінець (дно) — вибоєм, бічну поверхню — стінкою або стовбуром. Бурові свердловини бурять з поверхні суші або з моря, з підземних гірничих виробок. Є бурові свердловини геолого-розвідувальні, експлуатаційні (наприклад, для видобування нафти), вибухові (для розміщення зарядів вибухових речовин), допоможні, спеціальні. Довжина (глибина) найбільших бурових свердловин понад 10 км.

ШПУР, *шпур - циліндричне заглиблення, пробурене у твердому середовищі, переважно в гірничій породі діаметром до 75 мм та глибиною до 5 м. Використовується для розміщення заряду вибухової речовини при підривних роботах, для нагнітання у пласт або у відкачування з нього води тощо.

БУРОВА УСТАНОВКА, *буровая установка - установка, основною частиною якої є буровий верстат (з долотом або іншим інструментом), який безпосередньо діє на гірські породи при бурінні свердловини. Стаціонарні бурові установки застосовують для буріння нафтових, газових та глибоких геологорозвідувальних свердловин. Є також пересувні, самохідні та переносні бурові установки. Див. також шахтна бурильна установка.

БУРОВА ШТАНГА, *буровая штанга - 1) Сталевий стрижень для передавання механічних зусиль від поршня-ударника на різець (бурову коронку, головку) та для подачі води і стислого повітря до вибою шпуру (свердловини) під час ударно-обертового буріння. Б.ш. для ударного буріння виготовляється з шестигранної, круглої, восьмигранної або прямокутної (рідко ромбічної) сталі. Для обертового буріння шпурів штанга виготовляється з крученої бурової сталі різної довжини. 2) Сталева труба для передавання механічних зусиль (осьового зусилля та обертового моменту) від станка до коронки або долота та для подачі води до вибою свердловини.

БУРОВИБУХОВІ РОБОТИ, *буровзрывные работы - сукупність операцій підривання та підготовчого буріння шпурів і свердловин під час видобування корисних копалин, проведення гірничих виробок, будівництві споруд у міцних гірських породах.

БУРОВИЙ ДРІБ, *буровая дробь - тверді литі сталеві або чавунні кульки, а також сталеві кубики, або циліндрики, що застосовуються для руйнування гірських порід під час буріння. Діаметр дробу, як правило, 1,5-5,5 мм.

ТЛУМАЧНИЙ ГІРНИЧИЙ СЛОВНИК За редакцією В.С.Білецького Донецьк 1998

 

 

ОЦІНКА   ОПОРУ   ГІРСЬКИХ   ПОРІД РУЙНУВАННЮ   (по В. В. Ржевському)

У роботах академіка В. В. Ржевского дана базова оцінка опору порід руйнуванню по їх основних базових властивостях: межам міцності порід при стиску, розтягу, зсуві, по  густині,  блоковості  і т.д.

Руйнування породи відбувається в результаті виникнення в певних об'ємах під дією зовнішніх сил напруг стиску σ_ст, зсуву σ_зс і розтягу σ_р перевищуючих її межі міцності. Сумарна дія руйнуючих сил при різному ступені участі напруг стиску, зсуву і розтягу може бути умовно оцінено граничним опором породи руйнуванню:

Значення коефіцієнтів k₁, k₂, k₃ неоднакові для різних процесів руйнування. Для відносної оцінки опору порід руйнуванню (важкості руйнування) можна взяти умовно рівну участь меж міцності при стиску, зсуву і розтягу в опорі руйнуванню:

Граничний опір руйнуванню породи в масиві σ_рм відрізняється від опору руйнуванню зразка σ_р і залежить від його тріщинуватості і від густини породи ρ_п.:

де k_тр - коефіцієнт впливу тріщинуватості, значення якого неоднакове для різних процесів руйнування; k_n - коефіцієнт впливу густини породи; l - шлях подолання сили тяжіння шматками породи, чисельно рівний середній ширині розвалу.

Загальну відносну оцінку опору масиву гірської породи руйнуванню можна провести по наступному емпіричному виразу:

Для практичних розрахунків рекомендується користуватися загальним безрозмірним показником важкості руйнування породи:

На основі обробки експериментальних даних більше 500 типів гірських порід В. В. Ржевским всі породи по важкості руйнування розділені на 25 категорій.

Широкий діапазон категорій дозволяє досягти високої точності класифікації порід по важкості руйнування. Погрішність на одну категорію веде до погрішності у визначенні технічних і економічних показників не більше ніж на 4-5 %, що не виходить за межі точності інженерних розрахунків в гірничій справі.

Бурімость гірських порід академіком В. В. Ржевским характеризується таким чином. Ефективність буріння шпурів і свердловин визначається швидкістю буріння, яка залежить від властивостей гірської породи, що визначає її здатність руйнуватися під дією бурового інструменту на забої свердловини (основний чинник); формою бурового інструменту і способом його дії на забій (ударне, обертальне, ударно-обертальне і т. д.); частотою обертання, осьовим зусиллям і швидкістю дії бурового інструменту на забій свердловини; діаметром свердловини і її глибиною; способом і повнотою видалення із забою свердловини продуктів руйнування.

Як фізико-технічна основа зіставлення порід по буримості (залежної тільки від властивостей породи) при виборі технічних засобів буріння для конкретних умов і подальших технологічних і економічних розрахунків приймається відносний  показник  важкості  буріння   породи.

Для руйнування породи при бурінні основне значення мають зусилля стиску і сколу, що розвиваються інструментом. При ударному бурінні переважає руйнування від зусиль стиску, при обертальному - сколу. Для відносної оцінки порід по важкості буріння ступінь участі в руйнуванні стискуючих і сколюючих зусиль умовно можна прийняти рівною.

Тріщинуватість порід можна не враховувати, якщо експериментально встановлені межі міцності породи при стиску і зсуві, які вже враховують цю тріщинуватість. Крім того, малі розміри зон руйнувань виключають можливість впливу на їх розміри макротріщин масиву.

При оцінці буримості необхідно враховувати густину породи, оскільки вона визначає ефективність видалення бурового шламу із забою і ступінь його подрібнення. Виходячи з цього, відносний показник важкості буріння може бути визначений з виразу

Всі гірські породи відповідно до величини П_вб класифікуються на п'ять класів і на 25 категорій по буримості. Введення показника П_вб полегшує технологічні розрахунки бурових установок, їх потужність, режим і технічну швидкість буріння   в конкретних   гірничо-геологічних   умовах.

Важкість підривання гірських порід академіком В. В. Ржевским характеризується питомою витратою ВВ, необхідним для досягнення заданого ступеня дроблення.

Складний процес вибуху породи, у тому числі і питома витрата ВВ, не піддаються достатньо точному попередньому розрахунку. Численні спостереження і виробничий досвід показують, що для відносної оцінки опору порід вибуху необхідний і достатній облік показників, які можуть бути одержані експериментально, переважно при механічних випробуваннях зразків породи: меж міцності породи при стиску, зсуві і розтягу, а також густині породи.

Для єдиної оцінки і класифікації гірських порід по важкості підривання вводиться еталонна питома витрата ВВ - витрата (в грамах) еталонного ВВ (амоніт 6ЖВ), необхідна для вибухового дроблення куба монолітної породи (у вільно підвішеному стані) з розмірами граней 1 м до ступеня дроблення 2.

Прийнявши в першому наближенні рівний ступінь участі у вибуховому руйнуванні стискаючих, зсовуючих і розтягуючих зусиль, що допустиме для відносної оцінки важкості підривання, еталонну питому витрату ВВ (кг/м³) можна визначити за виразом

де К₁ і К₂ - емпіричні коефіцієнти; g - прискорення вільного падіння.

Знання еталонної питомої витрати ВВ необхідне як для складання класифікації порід по важкості підривання на стадії проектування, так і в якості вихідної величини для визначення питомої витрати ВВ при проектуванні вибуху.

Проектна питома витрата ВВ, крім опору вибуху в зразку (еталонної витрати), враховує реальні умови вибуху: тріщинуватість і блоковість масиву, об'єм і форму частини масиву, висаджуваної зарядом ВВ, число і взаємне положення відкритих поверхонь, необхідний ступінь дроблення і потужність ВВ. Конкретне визначення проектної питомої витрати ВВ вимагає знання коефіцієнтів, що враховують перераховані умови вибуху.

Проектна питома витрата ВВ характеризує важкість підривання гірської породи як фізичного об'єкту і справедлива для розрахунку одиночного заряду. Вона не враховує технічних і організаційних умов промислового вибуху на кар'єрі: розташування свердловин відносно відкритих поверхонь, форму і розміри сітки свердловин, послідовність вибуху групи свердловин, масштаб вибуху. Ці чинники враховуються при визначенні розрахункової питомої витрати ВВ стосовно кожного вибуху.

Розрахункова питома витрата ВВ встановлюється по величині проектної витрати і уточнюється дослідним шляхом за наслідками експериментальних вибухів для конкретних умов. Розрахункова питома витрата ВВ є часткою від поділу кількості зарядженого ВВ на геометричний об'єм висаджуваного масиву. Після визначення об'єму відвантаженої породи з висадженого блоку визначається фактична питома витрата ВВ.

По В. В. Ржевському, визначення буримості і важкості підривання порід є умовним, оскільки в постановці задачі не використовуються відомі теорії міцності, а фігурують тільки міцнісні властивості порід і їх густина. Не дивлячись на деяку умовність, цей підхід дозволяє оцінити важкість буріння і вибуху однієї породи в порівнянні з іншою, а отже, дає гірському інженеру інструмент для оцінки і нормування робіт, пов'язаних з бурінням і вибухом масивів порід з різними властивостями.

 

СПОСОБИ БУРІННЯ ШПУРІВ І СВЕРДЛОВИН

ЗАГАЛЬНІ   ВІДОМОСТІ

Вибухові роботи на кар'єрах в даний час і на найближчу перспективу вестимуться з урахуванням можливостей вантажно-транспортного устаткування і технології розробки наступними методами.

1.                    Подовженими зарядами у вертикальних і похилих свердловинах завглибшки 7-18 м діаметром 100-215 мм для невеликих і 250-330 мм для крупних кар'єрів. В окремих випадках при здвоєних уступах необхідна глибина свердловин складе 25-35 м.

У породах, де можливо здійснити механічне або вогняне розширення заряджаючої частини свердловин їх діаметр на крупних кар'єрах доцільно збільшити до 400-600 мм.

2.     Контурний вибух доцільний здійснювати переважно на висоту одного-двох уступів (20-40 м) при діаметрі свердловин  150-250 мм.

3.     Подовженими зарядами у вертикальних і похилих шпурах діаметром 40-70 мм і завглибшки до 5,0 м на маленьких кар'єрах, а на крупних кар'єрах для вторинного дроблення шматків негабаритів породи.

Для вказаних вище умов необхідне створення високопродуктивної бурової техніки нового технічного рівня. Ця   техніка   повністю   забезпечить   потреби транспортного гідротехнічного і іншого промислового будівництва при веденні робіт в скельних масивах.

Для підготовки вибухів на викид або скидання за допомогою камерних зарядів, споруди каналів вибухами на викид в м'яких породах не вимагається спеціальної бурової техніки.

КЛАСИФІКАЦІЯ   СПОСОБІВ   БУРІННЯ   І   ЇХ  ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Для буріння шпурів і свердловин застосовують різноманітні бурильні молотки, бурові каретки, верстати і установки. Використовуються різні принципи дії бурового інструменту на забій і очищення свердловин або шпурів при бурінні від продуктів руйнування. При всіх способах при бурінні виконуються наступні основні операції: підготовка і установка бурильної машини для початку робіт, буріння (руйнування породи) з очищенням забою свердловини від продуктів руйнування (бурового шламу), нарощування бурового ставу для досягнення необхідної глибини буріння і його розбирання. Після закінчення робіт, зміна зношеного бурового інструменту і пересування машини на нову точку буріння.

У даний час на кар'єрах застосовують обертальний і ударні (ударно-поворотний, ударно-обертальний і обертально-ударний) способи буріння шпурів і свердловин, які іноді називають механічними способами буріння, а також вогняне розширення свердловин. Окрім перерахованих способів, проводяться дослідні роботи по використанню вибухового, електроімпульсного руйнування порід при бурінні, а також різних видів комбінованого буріння: ударно-шарошечного, магніто-стрикційного, ріжуче-шарошечного  і  термошарошечного.

При обертальному бурінні інструмент обертається навкруги осі, співпадаючої з віссю шпура або свердловини і одночасно з певним зусиллям подається на забій. Величина зусилля задається з розрахунку перевищення межі міцності породи на вдавлювання на площі контакту ріжучих лез інструменту з породою. При цьому відбуваються послідовне сколювання частинок породи із забою і поглиблення інструменту по гвинтовій лінії. Продукти руйнування віддаляються механічним способом за допомогою витих штанг (при бурінні шпурів), шнеків (при бурінні свердловин), промивкою забою водою або продуванням повітрям.

До обертальних способів буріння відносяться: буріння шпурів різцями за допомогою ручних і колонкових свердел; буріння свердловин різцями (долотами ріжуче-сколюючої дії); буріння алмазним інструментом; буріння дробом.

При ударному бурінні інструмент завдає удару по забою і руйнує породу під лезом. Після кожного удару інструмент повертається на деякий кут, забезпечуючи таким чином отримання круглого перетину шпура або свердловини. Розрізняють наступні види ударного буріння.

Ударно-поворотне буріння бурильними молотками, при якому інструмент повертається тільки в проміжках між ударами спеціальним поворотним пристроєм. До ударно-поворотного відноситься і ударно-канатне буріння свердловин.

Ударно-обертальне буріння пневмоударниками, що занурюються, і бурильними молотками з незалежним обертанням, при якому удару завдається по інструменту, що безперервно обертається. Руйнування породи при на вказаних двох способах буріння відбувається тільки за рахунок його заглиблення при ударах.

Обертально-ударне буріння спеціальними машинами, при якому удари завдаються по інструменту, що безперервно обертається під великим осьовим зусиллям. Руйнування відбувається як за рахунок заглиблення інструменту при ударах, так і за рахунок сколу породи   при   обертанні інструменту.

Буріння шарошечнимі долотами відноситься до ударного при долотах чистого кочення і до обертально-ударного при долотах, в яких зубці разом з перекочуванням по забою зрізають її ковзаючим рухом (долота з ковзанням).

При вогняному бурінні руйнування породи відбувається в результаті термонапруг, виникаючих при швидкому нагріві поверхні породи потоками розжарених газів (t ~ 2000 °С), що вилітають з сопел пальника із швидкістю 2000 м/с і більш.

Пальники при бурінні охолоджуються водою або повітрям.

При вибуховому бурінні руйнування породи відбувається послідовними вибухами на забої свердловини невеликих зарядів ВВ.

Для промислового впровадження вибухового буріння потрібно вирішити ряд складних технічних питань екології і безпеки робіт на верстатах.

При електроімпульсному бурінні руйнування порід відбувається за рахунок електричного пробою ділянки забою свердловини високовольтним (до 200 кВ) розрядом. Енергія в каналі пробою, що миттєво виділяється, руйнує породу, яку із забою видаляють потоком діелектрика, циркулюючого в свердловині (солярове масло, вода і т. п.).

При ударно-шарошечном бурінні над шарошечним долотом встановлюється пневмоударник, який завдає удару з частотою 1000-2000 в хвилину по долоту, збільшуючи в 1,3-1,6 рази чисту швидкість буріння в порівнянні із звичним шарошечним.

При магнітострикційному бурінні над шарошечним долотом встановлюється магнітостріктор потужністю 60 кВт, за допомогою   якого   під  дією електричного   струму   частотою 400 Гц - з такою ж частотою і з амплітудою -1,5 мм на долото прикладаються вібраційні навантаження. При цьому значно зростає чиста швидкість буріння, особливо при зменшених на 25-30 % значеннях осьового зусилля. Найбільший ефект можна одержати  в міцних монолітних  породах.

При ріжуче-шарошковому бурінні руйнування відбувається різцями і шарошками одночасно або поперемінно: в м'яких породах різцями, а в міцних - шарошками. Цей спосіб буріння особливо ефективний в переміжних по міцності породах і за наявності в м'яких породах міцних включень.

При термошарошечному бурінні руйнування шарошками проводиться заздалегідь ослабленої вогняною дією породи. Реалізація цього способу утруднена через високі температури на забої, при яких на ньому працюють шарошки.