Бурение скважин и проведение взрывных работ

Там, где исследуемые участки перекрыты мощной осадочной толщей или твердыми породами, необходимо бурение скважин (рис.1) при помощи разных буровых установок — шнековых, ударно-канатных, вращательных, а также станков «Эмпайр» .

Рис. 1. БУРЕНИЕ, часто используемое для определения положения рудных тел и изучения качества руд.

Шнековые установки применяются для бурения мягких грунтов. Вращение шнека осуществляется вручную, либо с использованием лошадиной тяги, либо механическими средствами. Шнековое бурение ведется в основном до глубины около 200 м.

Станки «Эмпайр» широко используются для бурения рыхлых отложений до глубины 9−12 м. Основной частью установки является тяжелая обсадная труба с режущим башмаком на нижнем торце и круглой стальной платформой на верхнем торце. Чтобы платформа вместе с обсадной трубой могла вращаться, к ней крепится поворотный рычаг. В случае мягкого грунта труба под действием веса человека, стоящего на платформе, вдавливается в почву. В глинах и других более плотных породах дополнительную вдавливающую силу обеспечивают приводные плунжеры, которые можно поднимать и сбрасывать. Рыхлый материал, скапливающийся внутри обсадной трубы, разжижается водой.

Установки ударно-канатного бурения состоят из тяжелого долота, ударной штанги, ударников и замка, к которому крепится канат. Для забивания бурового снаряда используется вышка с силовой установкой, поднимающей и сбрасывающей рабочий орган. Раздробленная масса извлекается из скважины желонкой или змеевиком. При ударно-канатном бурении скважины редко бывают прямыми, а опробование — точным. Поскольку породы, в которые забивается буровой снаряд, дробятся, часто бывает трудно получить ясное представление об их генезисе. Несмотря на то, что в настоящее время ударно-канатное бурение применяется редко, оно сыграло важную роль в практике разведки и подготовки к эксплуатации многих месторождений полезных ископаемых.

Установки вращательного бурения обеспечивают низкую себестоимость бескернового бурения в непродуктивных отложениях. Отбор керна проводят лишь в продуктивной зоне. Некоторые конструкции таких установок предназначены для наклонного бурения под любыми углами. Самая глубокая в мире скважина (12 066 м, Кольский п-ов) была пробурена с применением вращательного бурения.

Размеры буровых установок различны — от небольших станков, монтаж и управление которыми в подземных выработках могут осуществлять два человека, до огромных, смонтированных на стальных вышках и обслуживаемых бригадой квалифицированных буровиков. Имеются установки, смонтированные на автомобильных шасси или полозьях. Вращательное бурение нефтяных и газовых скважин (роторное) осуществляется также со специальных судов и стационарных морских платформ. До недавнего времени использовались стальные буровые штанги, поэтому предельная глубина бурения определялась мощностью станка, удерживающего буровую колонну. Появление алюминиевых буровых штанг, хотя и более дорогих, чем стальные, позволило бурить более глубокие скважины.

Когда установки вращательного бурения используются для отбора керна, на конец колонковой трубы навинчивается буровая коронка, армированная алмазами или твердыми сплавами, например карбидом вольфрама (победитом). В этой системе полые буровые штанги удерживаются буродержателем, закрепленным на торце полой колонковой трубы, оснащенной резьбой. Буровой раствор под давлением подается вниз по полым штангам для охлаждения коронки и удаления раздробленной массы и шлама. По мере продвижения коронки в керноприемнике колонковой трубы формируется цилиндр из ненарушенной горной породы (керн). Когда коронка углубится на расстояние, равное длине колонковой трубы (от 1,5 до 3,6 м), колонна штанг, колонковая труба и коронка извлекаются из скважины, а керн — из колонковой трубы. Затем он отправляется на разного рода анализы.

При бурении бескерновыми вращательными установками (роторное бурение) исследуется раздробленная масса и шлам, вынесенные сжатым воздухом или буровым раствором через полые буровые штанги. Как правило, роторное бурение быстрее и дешевле колонкового. Общая глубина скважин, пробуриваемых за смену, может меняться в широком диапазоне в зависимости от геологических условий и размеров скважин — от нескольких сотен метров до 1,5−3 м в скальных породах.

Буровые установки с алмазными буровыми наконечниками используются для проходки скважин глубиной до 3 км. Некоторые из этих установок снабжены специальными колонковыми трубами, позволяющими извлекать керн через штанги с помощью троса. Установки такого типа позволяют достигать более высоких скоростей бурения за счет меньших временных затрат на извлечение керна без подъема на поверхность всей буровой колонны.

бурения скважина взрывная подземная Для проходки бурением относительно неглубоких шахтных стволов применяются специальные установки вращательного бурения с использованием твердосплавных коронок или коронок дробового бурения диаметром 1 м и более. Установки такого типа используются также в некоторых системах разработки для буровой проходки очистных горных выработок (например, при подземной разработке калийных солей).

Бурение при буровзрывной отбойке. При буровзрывной отбойке прежде всего бурят шпуры для размещения в них ВВ. В течение долгого времени стандартным был ручной способ бурения шпуров; он до сих пор применяется при разведочных работах, в малых рудниках и даже на отдельных изолированных участках крупных рудников, где затраты на обеспечение сжатым воздухом и на механическое оборудование неоправданны. При ручном бурении шпуров обычно используется шестигранный бур диаметром 22 мм, заостренный на конце в виде долота. Бурение шпура, производимое одним человеком, осуществляется с помощью молотка массой 1,8 или 2,2 кг. Для проходки шпуров глубиной 90−150 см используются несколько буров разной длины.

Существуют разные типы механических буровых станков. Большинство операций по бурению в угольных шахтах производится пневматическими или электрическими вращательными установками шнекового типа. В крепких породах обычно используются ударные пневматические поршневые перфораторы, в которых поршень, совершающий возвратно-поступательные движения, наносит сильные удары по хвостовику рабочего органа (бура), эластично закрепленного в патроне на переднем конце перфоратора. В то же время механизм перфоратора предусматривает вращение бура. Перфораторы типа отбойного молотка меньших размеров бывают ручными либо на цилиндрической пневмоподдержке. По мере того, как в процессе бурения рабочий орган перфоратора углубляется, пневмоподдержка поднимается, удерживая положение перфоратора и его рабочего органа на одной линии с пробуриваемым шпуром. Пневматические бурильные молотки большей мощности, называемые колонковыми перфораторами, часто устанавливаются на рамах или колонках, которые, в свою очередь, зажимаются в суппорт на коротком горизонтальном стержне, прикрепленном к вертикальной распорной стойке, закрепленной домкратами между кровлей и почвой горной выработки.

Гидроприводные бурильные устройства вращательного типа позволяют достигать более высоких скоростей бурения и снижения уровня вредных шумов. При проходке больших подземных выработок используются буровые каретки — передвижные устройства, состоящие из нескольких колонковых перфораторов, что ускоряет буровой цикл. Для вертикального обуривания кровли и проходки наклонных скважин применяются пневматические устройства, называемые телескопными перфораторами. В таких системах рабочий орган, сам перфоратор и пневмоцилиндр располагаются на одной линии. Пневматический цилиндр, удерживающий рабочий орган на забое, удлиняется по мере углубления. Буровые станки, монтируемые на передвижных платформах, из-за больших вертикальных габаритов чаще используются на открытых горных выработках. Пневматические перфораторы, применяемые при добыче полезных ископаемых, работают на сжатом (до 860 кПа) воздухе. Для удаления буровой мелочи и подавления пыли используется вода, которая нагнетается к забою через осевой канал поршня-ударника и промывает скважину в пространстве между буром и горными породами.

Буры и коронки. Применяемые буры диаметром от 22 до 150 мм имеют круглое, шестигранное или восьмигранное сечение. Для подачи воздуха или воды, удаляющих шлам, служит продольный осевой канал. На протяжении многих лет коронки припаивались или приваривались к концу бура, и операция замены затупившегося инструмента была очень трудоемкой. Используемые в настоящее время съемные буровые коронки позволяют избежать этой дорогостоящей операции и обеспечить необходимую степень твердости резцов. Существует много видов съемных коронок, в том числе одноразовые и многоразовые. Последние затачивают на специальных станках. Армирование съемных коронок карбидами вольфрама (победит, вокар и др.) обеспечивает их исключительную долговечность по сравнению со сплошными. В процессе бурения вначале используются короткие буры с коронками диаметром 70−76 мм. Через каждые 60−90 см бур заменяется, причем, как правило, требуется коронка немного меньших размеров, поскольку по мере стачивания коронок диаметр шпура уменьшается. Съемные коронки могут быть крестообразными, шестиреберными или однодолотчатыми. Режущие грани коронок обычно располагаются под углом 90°. Как правило, шпуры имеют длину 2−3 м, но при определенных системах разработки производится бурение шпуров глубиной 9−12 м (в этом случае целесообразнее использовать алмазные коронки).

Взрывные работы в подземных выработках. Их эффективность определяется последовательностью взрывания системы шпуров, а также типом, мощностью и качеством ВВ. Обычно используются смеси аммиачной селитры с жидким горючим; для работ в особых условиях, например в обводненных скважинах, в эти смеси добавляют алюминиевый порошок и другие вещества.

Подготовительные выработки. Для проходки подготовительных выработок — стволов, восстающих, штреков и квершлагов — обычно применяют один забой. Реже применяют встречные забои. Используются разные схемы расположения шпуров, но чаще всего — прямые и встречные врубы. Прямые врубы образуются бурением 3−5 параллельных шпуров вблизи центра забоя выработки. Другие параллельные им шпуры пробуриваются в забое на большем расстоянии друг от друга. Для образования зоны разрушенных пород сначала взрывают заряды ВВ во взаимно близко расположенных центральных шпурах, затем взрывают заряды ВВ в оставшихся шпурах. Встречные врубы достигают той же цели с помощью системы шпуров, пробуренных в забое таким образом, что они пересекаются в вершине клина либо трех — или четырехгранной пирамиды. Системы взрывных шпуров называются комплектами. Комплект шпуров обычно бурится на глубину, равную или в 1,5 раза превышающую наименьший размер подвигаемой выработки. Комплекты шпуров, использующие встречные врубы в штреках, имеют названия, соответствующие их расположению и назначению (врубовые, вспомогательные, отбойные, наклонные или восстающие).

Очистные работы. Выемку руды из места ее первоначального залегания, или очистные работы, желательно проводить в нескольких забоях. В таких условиях для дробления полезного ископаемого требуется меньше шпуров и взрывчатых веществ.

Подготовка к взрыванию. Для возбуждения взрыва используют инициирующие ВВ в капсюлях-детонаторах с детонирующими шнурами либо применяют электродетонаторы. Обычно при помощи деревянного шомпола шпуры и скважины заряжают ВВ. Затем вставляют боевой заряд с капсюлем-детонатором, после чего снова забивают и трамбуют ВВ. Аммиачно-селитренные ВВ с жидким горючим заливают или закачивают в скважины. Устье скважины закупоривают песчано-глинистой смесью или другим мягким материалом.

Капсюли-детонаторы представляют собой небольшие, обычно медные, трубки диаметром около 6 мм и длиной 50−75 мм. Они закрыты с одной стороны и частично заполнены инициирующим ВВ, которое может детонировать от искры, поступающей от детонирующего шнура или от электрозажигания. Детонирующий шнур изготавливается из непромокаемой текстильной оплетки, внутри которой имеется пороховая дорожка. Скорость сгорания пороха строго контролируется. Чаще всего применяются шнуры, сгорающие со скоростью 1 см/с. В этом случае порядок подрыва управляется путем разделения шнура на отрезки различной длины. Капсюли-детонаторы плотно скрепляются со шнуром, который поджигается с помощью специальных зажигательных трубок, электровоспламенителей или спичек. Промышленные электродетонаторы характеризуются скоростями детонации, отличающимися всего на доли секунды. Как показала практика, замедление детонации на миллисекунды в разных шпурах приводит к оптимальному дроблению пород и ослаблению ударных волн. Электродетонаторы воспламеняются от тока, подаваемого от взрывной машинки, представляющей собой генератор постоянного тока.