Шарошечное бурение скважин на подземных горных работах

Шарошечное бурение скважин на подземных горных работах. Условия применения. Буровой инструмент. Достоинства и недостатки.

Шарошечное бурение — способ бурения скважин с использованием шарошечного долота — важного элемента бурового оборудования. Принцип шарошечного бурения заключается в следующем - от станка через буровой став шарошечному долоту передаются крутящий момент и осевое усилие. При вращении шарошки (конусы или цилиндры с зубками), свободно сидящие на осях цапф долота, перекатываются по забою, при этом зубки внедряются в породу, и разрушают её. Удаление продуктов разрушения с забоя скважины производится водой или сжатым воздухом, поступающими к забою через буровой став. Впервые было применено в США в 20-х годах 20-го века. В России этот способ бурения применяется с 30-х гг. 20 в. для бурения нефтяных и газовых скважин.

Бурение взрывных скважин на карьерах осуществляется в основном (1970) шарошечным способом (около 70% метража скважин), распространено шнековое бурение (около 20%), 10% метража скважин приходится на остальные способы бурения (пневмоударное, термическое, ударно-канатное и др.). Значительно возросли скорости бурения: сменная производительность шарошечного станка при проходке скважины диаметром 250 мм в крепких породах (известняк, доломит и т.п.) составляет 40–60 м. При подземной разработке угольных месторождений наибольшее распространение имеет бурение бурильными молотками и электросвёрлами, рудных месторождений – бурильными молотками, погружными пневмоударниками, шарошечными станками.

В настоящее время наметилось два направления в создании станков шарошечного бурения для подземных горных работ.

Первое направление - отделение от станка максимального числа узлов: маслостанции, оборудования промывки скважин, крана-укосины и т.п. Сам станок при этом осуществляет только вращение и подачу бурового инструмента;

Второе направление - создание самоходных станков на которых установлен весь комплекс основного и вспомогательного оборудования для бурения. Это направление оправдано только для условий, когда станок длительное время будет работать на одном горизонте, или наличии на руднике слепого ствола для транспортирования с одного горизонта на другой крупногабаритного тяжелого оборудования.

Анализ использования станков шарошечного бурения показывает, что в современных конструкциях следует в первую очередь обратить внимание на максимальную механизацию вспомогательных операций, уменьшение продолжительности их выполнения, а также на повышение надежности отдельных узлов станка. Это одновременно позволит снизить число обслуживающего персонала. Большие резервы в этом отношении имеются в создании специальных средств защиты от возникающих вибраций, что позволит применять форсированные режимы бурения.

Буровой инструмент (а. drilling tool; н. Воhrwerkzeug, Воhrgerate; ф. outil de forage; и. herramientas de sondeo) — общее название механизмов и приспособлений, применяемых при бурении шпуров, скважин и ликвидации аварий, возникающих в скважинах. По назначению выделяют буровой инструмент технологический, вспомогательный, аварийный и специальный. В зависимости от области применения (бурение взрывных, геологоразведочных, нефтяных или газовых скважин), способа и диаметра бурения номенклатура и конструктивные особенности бурового инструмента в каждой группе имеют специфические особенности.

Технология. Буровой инструмент применяют для производства работ, связанных непосредственно с процессом бурения скважин. В него входит породоразрушающий буровой инструмент — резцы, буровые коронки, буровые долота и др., которые предназначены для механического (контактного) разрушения горных пород на забое с целью образования шпура, скважины или выбуривания и отбора керна, а также расширители, калибраторы и др. для разрушения стенок скважины с целью придания ей требуемого диаметра и поперечного сечения. Кроме того, породоразрушающий буровой инструмент применяют для проведения специальных работ в скважинах, например, разбуривания цементных мостов, металлических башмаков, остатков труб и т.д. К технологическим буровым инструментам относится также инструмент, предназначенный для механической и гидравлической связи породоразрушающего инструмента с наземным буровым оборудованием, спуско-подъёмных операций, замены породоразрушающего инструмента и обеспечения его работы на забое. При бурении скважин на нефть и газ это — ведущие, утяжелённые бурильные трубы, центраторы и другие элементы бурильной колонны, геологоразведочных скважин — также колонковые трубы для размещения керна и устройства отрыва керна от забоя, при бурении взрывных шпуров или скважин — буровой став, состоящий из одной или нескольких буровых штанг. В геологоразведочном бурении набор технологических инструментов, соединённых в определённой последовательности, называют буровым снарядом.

Железобетонная крепь горизонтальных горных выработок. Конструкция крепи. Миномизация возведения. Поясняющая схема.

Полезная модель относится к горному делу, а именно к креплению горных выработок с большим сроком службы, и может быть использована при креплении горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработок преимущественно круглого сечения. Техническим результатом полезной модели является обеспечение несущей способности за счет плотного контакта крепи со стенками выработки. Предложена железобетонная крепь для горных выработок, пройденных в сложных горно-геологических условиях, содержащая металлическую арматуру в виде секций крепи и бетон заданной толщины, вмещающий указанную арматуру. Сущность полезной модели заключается в том, что в качестве арматуры используют секции винтовой металлической крепи, предварительно установленные в выработке и обжатые относительно ее. Используемые секции винтовой крепи выполнены с углом подъема винта 2-10° и длиной, равной шагу винта. Вслед за проведением в выработке 1 устанавливают секции 3 винтовой крепи и производят обжатие их с помощью металлических клиньев 6, а затем возводят опалубку и производят бетонирование. Основными преимуществами предлагаемой крепи являются: возможность восприятия нагрузок непосредственно после возведения крепи; снижение нагрузок на крепь; уменьшение расхода бетона на 40-60%.

Полезная модель относится к горному делу, а именно к крепям горных выработок с большим сроком службы, и может быть использована при креплении горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработок преимущественно круглого сечения.

Известна крепь для горизонтальных горных выработок, включающая бесконечный шланг из ткани, снабженный клапанами для заполнения его строительным раствором (бетоном) и резервный барабан. Шланг сматывают с резервного барабана, заполняют его строительным раствором под давлением и спиралеобразно укладывают к стенкам горной выработки. Такую крепь можно укладывать в один или несколько слоев. К недостаткам известной крепи следует отнести низкую надежность крепления, особенно в начальный период, когда раствор еще не затвердел и возможно отслоение шланга с раствором от стенок выработки.

фиг.1 показано возведение железобетонной крепи в выработке, на фиг.2 - секция винтовой крепи, используемая в качестве арматуры.

Выемку породы при проведении горной выработки 1 осуществляют механизированным проходческим щитом 2. Установку секций 3 винтовой металлической крепи осуществляют непосредственно за щитом без крепления затяжками. Каждая секция винтовой крепи состоит из трех звеньев 4 одинаковой длины, жестко соединенных между собой с помощью болтов 5. Каждая секция крепи имеет длину, равную шагу винта с углом подъема его 2-10°. После установки производят обжатие секций с помощью металлических клиньев 6, вводимых между звеньями крепи и стенками выработки. В соответствии с винтовой формой секции крепи для ее обжатия используют, например, пять клиньев.

Предварительно обжатая клиньями винтовая секция служит временной крепью, обеспечивает плотный контакт с окружающими породами и создает реактивный отпор на массив сразу после установки. Необходимая жесткость и реактивный отпор обеспечиваются углом подъема образующей винтовой линии секции в пределах 2-10°.

Возведение постоянной железобетонной крепи производят на некотором расстоянии от щита (15-20 м). Для этого возводят очередную секцию опалубки 7, перемещая ее по мосту 8, и подают в пространство между стенками выработки и опалубкой по бетоноводу 9 бетонную смесь. Таким образом, секции винтовой крепи замоналичиваются в бетон и являются предварительно напряженной арматурой монолитной железобетонной крепи 10.

Операции проведения выработки, установки секции временной крепи в виде изогнутого по винтовой линии стержня и возведения постоянной железобетонной крепи могут быть совмещены во времени и осуществляться независимо друг от друга.

Схема проведения камер околоствольного двора. Условия их применения. Организация работ.

В околоствольном дворе кроме транспортных выработок располагается также большое число камер различного назначения. 
Все камеры околоствольного двора по своему назначению можно разделить на камеры производственного и вспомогательного назначения. К камерам производственного назначения можно отнести камеру сопряжения клетевого ствола с околоствольным двором и комплексы камер: загрузочного устройства скипового подъема, главного водоотлива, электровозного депо, склада взрывчатых материалов и центральной электроподстанции. 
            К камерам вспомогательного назначения (к камерам обслуживания) можно отнести камеры: медицинского пункта, ожидания, противопожарного поезда, стоянки пассажирского состава, санузла и др. 
            Камеры с транспортными выработками соединяются с помощью ходков. 
Условия размещения камер в околоствольном дворе определяются их назначением.

Околоствольным двором (рис. 1) называют комплекс капитальных горных выработок, расположенных непосредственно у ствола, связывающих ствол с главными выработками транспортного горизонта и предназначенных для обслуживания горных работ в соответствие с назначением ствола. Околоствольный двор состоит из служебных камер, транспортных ветвей и вспомогательных выработок Если по ветви подают уголь или породу, то такую ветвь называют грузовой, если производят откатку порожних вагонеток — порожняковой. Ветвь, служащую для объезда ствола, называют обгонной. Расстояние между транспортными ветвями в околоствольном дворе при вертикальных стволах принимают равным 35—60 м, между камерами и вспомогательными выработками — 20-30м. 
 

Рис. 1. Схема околоствольного двора: 
 
1 — склад ВМ; 2 — сбойка для проветривания склада ВМ, 3 — зарядная камера; 4 — ремонтная мастерская; 5 — камера стоянки электровозов; 6, 8 — преобразовательные подстанции.; 7 — главный скиповый ствол; 9 — угольная разгрузочная яма; 10 — породная разгрузочная яма; 11— медпункт; 12 — вспомогательный клетевой ствол; 13 — санузел; 14 — камера ожидания; 15 — водотрубный ходок; 16 — место посадки людей в пассажирские составы; 17 — насосная камера,; 18 — центральная электроподстанцня; 19 — водосборники; 20 — осветляющий резервуар

 
            В зависимости от того, к какому стволу примыкает ветвь, она носит название скиповой или клетевой. Ветвь, по которой производят транспортировку угля, его разгрузку и откатку порожних вагонеток, называют главной ветвью околоствольного двора. Она делится на грузовую и порожняковую части. При полной конвейеризации порожняковая часть главной ветви отсутствует. 
            По направлению примыкания главной ветви околоствольного двора к главной выработке транспортного горизонта различают параллельные, перпендикулярные и косонаправленные около-ствольные дворы (рис. 2). В последних грузовые ветви расположены под углом 45 или 60° к главной выработке. 
            По характеру движения груженых и порожних вагонеток околоствольный двор может быть круговым и Челноковым. Для  кругового двора (см рис. 2 б, в) характерно поточное движение вагонеток, при котором они заходят во двор и выходят из него одним и тем же торцом (т. е. не меняют своей ориентировки относительно направления движения). Такую схему обычно используют в перпендикулярных и косонаправленных дворах. Разновидность кругового двора — петлевой двор (см рис. 2 в), в котором главная ветвь является продолжением главной выработки транспортного горизонта (обычно откаточного квершлага). 
 

Рис. 2. Схема параллельного (а), перпендикулярного (б) и косонаправленного (в) околоствольных дворов: 
1 — магистральная выработка транспортного горизонта; 2 — грузовые ветви; 3 — порожняковые ветви; 4, 5, 6 — направление движения вагонеток соответственно груженых углем, углем и породой и порожних

 
            В челноковом дворе вагонетки после разгрузки меняют свое положение относительно направления движения (см. рис. 2 а). Груженые вагоны заходят во двор и выходят порожними из двора противоположными торцами. Такую схему часто применяют в параллельных дворах и, в частности — в тупиковых, отличительной особенностью которых является прием груженых вагонеток и выдача порожних происходит с одной стороны от главного ствола. К тупиковому двору главная выработка горизонта примыкает с одной стороны. Поэтому тупиковый двор является односторонним. Тупиковую ветвь в челноковом дворе располагают с противоположной от главной выработки горизонта стороны, где и производят изменение направления движения вагонеток. При наличии подходов грузов к околоствольному двору с двух сторон двор является двусторонним. 
            Схемы околоствольных дворов шахт с конвейерным транспортом угля приведены на рис. 3. Штрихпунктирными линиями показаны рельсовые пути для локомотивной или монорельсовой доставки вспомогательных материалов, оборудования и людей. Такие дворы имеют упрощенную компоновку, более экономичны и производительны, чем околоствольные дворы с рельсовым транспортом угля. 
            Важным элементом подобного двора является механизированный бункер-накопитель, который служит резервной емкостью. Вместимость таких бункеров составляет 500 м3 и более. 
            Околоствольные дворы наклонных стволов имеют угольные бункеры над загрузочными площадками скипового или конвейерного стволов, камеры с опрокидывателями при локомотивной транспортировке груза, а также криволинейные наклонные заезды из вспомогательного ствола на одну из ветвей околоствольного двора для спуска-подъема вагонеток с оборудованием и материалами. Посадочные площадки для людей при нескольких доставочных горизонтах устраивают непосредственно во вспомогательном стволе, при одном горизонте — в стволе или в околоствольном дворе. Остальные камеры аналогичны камерам в околоствольных дворах при вертикальных стволах. 
            В гидрошахтах околоствольные дворы имеют существенные особенности. Так как уголь к околоствольному двору транспортируют водой, в состав околоствольного двора входят пульпо-сборник, камера гидроподъема с необходимым оборудованием и пульповодный ходок. Другая особенность околоствольного двора гидрошахты — камера перегрузки оборудования и материалов с рельсового транспорта на монорельсовый. 
В зависимости от числа обслуживаемых пластов, взаимного расположения главного и вспомогательного стволов, выбранной схемы вскрытия шахтного поля, горно-геологических и других условий околоствольные дворы могут иметь различную привязку к главной транспортной выработке. При разработке одиночного пологого пласта применяют параллельный круговой или челноковый дворы, используя в качестве транспортной выработки главный откаточный штрек. Такой двор наиболее экономичен. При расположении стволов в лежачем боку свиты пластов используют петлевые и тупиковые околоствольные дворы. При разработке свиты пластов со значительным расстоянием между ними применяют круговой параллельный двор, выработки которого размещают между пластами в устойчивых породах, а при небольшом расстоянии между пластами в свите предпочтение отдают круговому перпендикулярному двору.