Бурение производится при взрывных работах с целью разведки напластований грунтов, залежей каменных материалов, для водоснабжения и водопонижения и для других производственных целей.
В разрабатываемых породах бурильным инструментом бурят цилиндрические отверстия — выработки. Выработку диаметром до 75 мм и глубиной до 6 м называют шпуром, выработку больших размеров — скважиной. Шпуры и скважины бывают вертикальными, наклонными и горизонтальными. Начало шпура или скважины у поверхности земли называют устьем, низ — забоем, боковые поверхности — стенками.
Процесс бурения состоит из двух операций: разрушения (отделения) породы на дне скважины и удаления разрушенной породы из скважины.
Эффективность бурения скважин и шпуров определяется скоростью бурения, которая зависит от: физико-механических свойств грунта, в основном от сопротивления породы разрушению под действием бурового инструмента; вида и формы бурового инструмента и способа его воздействия на забой скважины (ударное, вращательное, ударно-вращательное и т. д.); диаметра скважины и, в ряде случаев, ее глубины; способа, скорости и тщательности удаления из забоя скважины буровой мелочи; общей организации и масштаба производства буровых работ.
Трудоемкость бурения породы — буримость — характеризуется временем чистого бурения 1 м скважины (шпура) и зависит от крепости породы.
Разрушенный грунт (буровая мелочь, шлам) удаляется из скважин глинистым раствором или водой, струей сжатого воздуха, шнековыми устройствами, желонками и другими приспособлениями.
Стенки скважины в слабых, рыхлых и насыщенных водой грунтах крепят стальными обсадными трубами. Колонны обсадных труб составляют из звеньев длиной 1,5...4,5 м, соединяемых муфтами, ниппелями или свинчиванием (труба в трубу).
В зависимости от геологических и гидрогеологических условий выработок и их глубины применяют те или иные способы бурения, которые можно подразделить на две основные группы.
К первой группе относятся ударный (ударно-канатный), ударно-вращательный, вращательный, а также вибрационный способы бурения, при которых породу разрушают механически, воздействуя на нее породоразрушающими инструментами.
Ко второй группе относятся термический, взрывной, гидравлический и электрогидравлический способы, при которых для бурения используются физико-химические методы разрушения горных пород.
Ударный (ударно-канатный) способ заключается в том, что буровой снаряд массой 1000...3000 кг падает с определенной высоты в забой скважины и разрушает породу благодаря развивающейся при его падении живой силе удара. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, вследствие чего создаются условия для равномерного разрушения всей площади забоя скважины. Во время бурения в скважину периодически подают воду и образовавшийся шлам вычерпывают желонкой.
Станками ударно-канатного бурения бурят скважины в неоднородных и разно-прочных грунтах диаметром до 400 мм и глубиной до 50 м. Из-за сравнительно невысокой производительности станки ударно-канатного бурения вытесняются более производительными станками ударно-вращательного и вращательного бурения.
Принцип ударного бурения использован в пневматических бурильных молотках (ручных и колонковых перфораторах), которые широко применяются для бурения шпуров диаметром 32...40 и 50...75 мм в полускальных и скальных грунтах.
Ударно-вращательное бурение с погружным пневмоударником (пневмоударное бурение) по сравнению с ударно-канатным имеет более высокую скорость; при этом можно бурить направленные (от 0 до 90° к горизонтали) скважины, отсутствует необходимость в подвозке . тяжелого инструмента и снабжении водой. Ударное действие и вращение долота осуществляются двумя независимыми механизмами. Станками ударно-вращательного бурения можно бурить скважины диаметром до 155...200 мм, глубиной : до 36 м в скальных грунтах средней и выше средней крепости (VI—IX категорий по буримости).
Вращательное бурение заключается в том, что буровой снаряд из штанг шнекового типа с резцовой коронкой, прижатый к забою скважины за счет массы станка, получает вращение от двигателя станка. Резцы коронки при вращении в забое скважины срезают породу, которая в виде мелочи непрерывно удаляется из скважины спиральными витками штанг.
Вращательное бурение скважин осуществляется в основном станками шнекового бурения, а в отдельных случаях, для бурения разведочных скважин в особо вязких абразивных грунтах (для получения керна),— станками алмазного и дробового бурения.
Преимущества вращательного бурения — достаточно высокая скорость бурения в плотных и полускальных грунтах и непрерывность процесса, возможность бурения как вертикальных, так и наклонных скважин.
При вибрационном бурении применяют вибраторы направленного (вертикального) действия, жестко присоединенные к колонне буровых труб, имеющей на конце рабочий наконечник. Под действием вибрирующего снаряда некрепкие грунты и породы выделяют связанную воду; часть породы в зоне контакта с вибрирующим наконечником переходит в подвижное состояние, что влечет за собой резкое снижение сопротивляемости грунта сдвигу и способствует погружению вибробурового снаряда в породу.
Для вибробурения шпуров и скважин диаметром до 125 мм и глубиной до 20... ...25 м применяют самоходные виброустановки. При вибропогружении повышается почти в 10 раз скорость проходки скважины по сравнению с ударно-канатным бурением, однако с увеличением глубины выработки до 15...20 м скорость резко уменьшается.
Термическое (огневое) бурение основано на прожигании породы высокотемпературной газовой струей, выходящей со сверхзвуковой скоростью из сопла огнеструйной горелки. Для получения высокотемпературной газовой струи используют распыленный керосин и газообразный кислород (иногда воздух). Порода нагревается до температуры 2000 °С, увеличивается в объеме, растрескивается и разрушается на мелкие частицы, которые вместе с продуктами сгорания удаляются из скважины струей охлажденных газов.
Термическое бурение применяется только в исключительно труднобуримых кварцсодержащих скальных, а также в мерзлых грунтах.
Ручные термобуры применяют для бурения шпуров диаметром 60 мм и глубиной 1,5...2 м, а передвижные станки — для бурения скважин диаметром 250... ...360 мм, глубиной до 17...22 м. Производительность станков в хорошо термо-буримых породах достигает 12... 15 м/ч.
Гидравлическое бурение основано на использовании ударного действия тонкой высоконапорной струи воды, подаваемой в забой скважины со сверхзвуковой скоростью. Гидравлический способ особенно эффективен при устройстве скважин глубиной до 8 м в мягких и водонасыщенных грунтах. Эксперименты подтверждают возможность использования этого способа для бурения скальных грунтов.
Электрогидравлическое бурение основано на явлении гидравлических ударов, возникающих в жидкой среде вследствие импульсного разряда между разомкнутыми контактами электрической цепи, к которым подводится высокое напряжение. Если в зоне высоковольтных электрических разрядов поместить породу, то под действием многократно повторяющихся ударов она разрушится. Этот метод находится в стадии промышленных экспериментов.
Применение ультразвука для бурения скважин и резания пород основывается на совместном воздействии на хрупкую породу ультразвуковых колебаний бурового инструмента (частота свыше 20 кГц) и кавитационного эффекта в промывочной жидкости. Источником ультразвука являются мощные магнитострикционные излучатели. Ведутся работы по звуковому и инфракрасному разрушению пород.
Взрывобурение заключается в том, что в забой скважины периодически подаются ампулы с жидкими компонентами взрывчатого вещества (ВВ) — окислителем и горючим. По трубам в воде или из сопла взрывобура посылаются твердые заряды ВВ массой 150...200 г с частотой 20...25 зарядов в час. Может быть также применен взрывобур, являющийся дозатором непрерывно подаваемого горючего и окислителя (четырехокись азота и керосин) и непрерывно (или прерывно) поступающего инициатора взрыва (например, сплава К и Na).
Создаются станки взрывного бурения скважин диаметром до 300 мм и с глубиной бурения до 40 м, а также взрывобуры для дробления негабарита.
Плазмобурение заключается в нагреве забоя скважины плазменным факелом, образующимся в плазмотроне (электрической дуге между электродом и соплом газовой горелки, охлаждаемой водой) при прохождении струи азота или смеси азота и водорода.
Бурение шпуров и скважин
Для бурения шпуров наиболее часто применяют перфораторы (пневматические отбойные молотки) и электросверла.
Шпуры глубиной до 2,5 м и диаметром до 45 мм бурят ручными легкими (до 20 кг) и средними (до 25 кг) перфораторами; глубиной более 2,5 м и диаметром 47...75 мм — тяжелыми (до 35 кг), устанавливаемыми на специальных тележках или треногах.
Электросверла — легкие с ручной подачей и тяжелые с автоматической — применяют для вращательного бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 5 м в породах различной твердости.
В мерзлых грунтах шпуры диаметром 50...70 мм и глубиной до 2 м можно бурить с применением горячего (60... ...90 °С) сжатого воздуха. Для этого используют установку, состоящую из компрессора и калорифера. Горячий воздух размораживает грунт и выбрасывает его из шпура.
Для бурения шпуров в мягких и плотных грунтах на глубину до 3 м применяют также ручной способ. При этом пользуются ручным буром-щупом, снабженным различными наконечниками.
Термический способ используют для бурения очень крепких пород кристаллической структуры. Ручными термобурами бурят шпуры диаметром 60 мм и глубиной 1,5... ...2 м; передвижными станками термического бурения — шпуры и скважины диаметром до 130 мм и глубиной до 20 м.
Ударно-канатные буровые станки (БУ-20-2м, БУ-20-2у, БС-1м) используют только в разнородных и разнопрочных грунтах, а также для бурения разведочных скважин при диаметре их 150... ...350 мм и глубине до 50 м. Из-за отсутствия резервов увеличения мощности и производительности эти станки для бурения взрывных скважин в однородных грунтах не применяются.
Станки с погружными пневмоударниками применяются для бурения скважин диаметром 100...200 мм и глубиной до 30 м только в труднобуримых и абразивных скальных грунтах. Станки конструктивно просты; возможно многошпиндельное бурение. Основные их недостатки — малая стойкость буровых коронок, низкая производительность и большое пылеобразо-вание.
Станки шнекового бурения широко применяются для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 125... ...160 мм и глубиной до 25м в плотных и полускальных грунтах (аргиллите, мягком известняке, мергеле и т. п.). Станки просты в эксплуатации, при их работе обеспечиваются благоприятные санитарно-гигиенические условия.
Для вращательного бурения скважин применяют самоходные бурильные и бурильно-крановые установки. Бурильный инструмент входит в толщу породы вращательно-поступательным движением по направлению своей оси.
