Бурение шпуров и скважин

Трудовые затраты на бурение шпуров:

, чел-см. или , чел-см.,

где: l_шп – длина шнура, м;

N_шп – количество шпуров в отбиваемом слое (заходке);

n_бур – число бурильщиков для обслуживания перфоратора;

n_П – число исполнительных органов бурового станка;

Q_п – эксплуатационная производительность перфоратора, м/см.;

Q_б.у. – эксплуатационнаяпроизводительность бурильной установки, м/см.

Продолжительность обуривания забоя, слоя, заходки, уступа рассчитывается по формуле:

, см.,

где: Т _б - трудовые затраты на бурение шпуров, чел-см.;

- число бурильщиков, одновременно работающих в забое, чел.

1.

2.

3.

3.1.

3.1.1. Методика расчёта рациональных режимных параметров бурения

1.

2.

3.

3.1.

3.1.1.

3.1.1.1. Вращательно-ударный способ бурения

Наибольшую производительность при эксплуатации шахтных бурильных установок можно получить только при обеспечении рациональных режимных параметров бурения. К ним относятся: число ударов на один поворот бура, частота вращения бура, осевое усилие, энергия удара, интенсивность очистки шпура.

Угол поворота (градус) между ударами (по О.Д. Алимову и Л.Т. Дворникову) [15]:

,

где: A_y – энергия удара поршня ударника, Дж;

f – коэффициент крепости горных пород.

Значения A_y и f выбираются в соответствии с технической характеристикой бурильной установки и крепости буримых пород.

Число ударов за один оборот бура:

, шт.

Рациональная частота ударов бурильной машины:

, Гц

Частота вращения бура:

, с

Крутящий момент на буре:

M = 500-25f, Н.м.

Механическая скорость бурения вращательно-ударной установки:

мм/мин.

Техническая скорость бурения вращательно-ударной установки определяется из формул:

м/ч,

где: K_Г – коэффициент готовности установки;

R – число бурильных машин на установке;

К_о – коэффициент одновременности.

В расчётах можно принимать:

К_о=1, если число бурильных машин R=1;

К_o=0,8при R=0,8;

K_o=0,7 при R=3;

- механическая скорость бурения, м/мин;

- скорость обратного хода бурильной головки, м/мин, указывается в технической характеристике бурильной установки. Среднее значение = 6÷16 м/мин.;

Т_з – время замены резца, Т_з=1;

В – стойкость резца (коронки) на одну заточку, м;

T_н – время наведения бурильной машины с одного шпура (скважины) на другой, Т_н=1÷3 мин.;

Т_з.б. – время забуривания шпура (скважины), Т_з.б.= 2÷3 мин.

Стойкость резцов за одну заточку В можно определить по формуле:

,

где: q_k – расход буровых коронок на 1000 м бурения (см. табл. 11)

Данные о расходе буровых штанг, коронок и сжатого воздуха в зависимости от крепости буримых пород приведены в табл.11.

l – глубина бурения, м.

Коэффициент готовности K_Г:

,

где: Т_о – наработка на отказ;

T_в – время восстановления отказа.

Значения Т_о, Т_в определяются в зависимости от крепости буримых пород (табл. 12).

Таблица 11

Таблица 12

Тип бурильной машины	Наработка наотказ То, ч.	Время восстановления Тв, ч.
БУ-1, СБКН-2Н, СБКН-2П
БУР-2
СБУ-2М, СБУ-2К, БУЭ-1М

Для бурильных установок, не приведённых в табл. 12, коэффициент готовности можно принимать равным К_Г=0,8.

1.

2.

3.

3.1.

3.1.1.

3.1.1.1.

3.1.1.2. Ударно-вращательный способ бурения шпуров

К бурильным машинам ударно-вращательного способа бурения шпуров относятся буровые станки с выносными гидравлическими и пневматическими бурильными головками, у которых ударная мощность N_y выше мощности, расходуемой на вращение бурового инструмента N_вр. Наиболее широко на практике используют станки типа КБУ-50, КБУ- 80, УБШ-322, УБШ-662, оснащённые перфораторами с независимым вращением бура типа ПК-60 и ПК-75, а также станков типа БКТ-2, ГБГ, ВТФ, УБШ-321Г, оснащенных гидравлическими бурильными головками.

Методика расчёта рациональных режимных параметров бурильных машин для ударно-вращательного бурения шпуров

При ударно-вращательном бурении рациональная частота вращения бурового инструмента определяется по формуле:

, с^-1,

где: d_шп - диаметр шпура (скважины), мм (приведённая формула справедлива при 35<d_шп<80 мм.)

Начальная механическая скорость бурения первого метра шпура или скважины определяется из формулы:

мм/с,

где: A – энергия удара перфоратора, Дж;

n – частота ударов, Гц;

d – диаметр бурения, мм;

f – коэффициент крепости пород.

Значение крепости пород f и диаметра бурения выбираются в соответствии с характеристиками бурового оборудования.

Значения энергии ударного импульса A_y и частоты ударов n приведены в справочной литературе.

Теоретическая производительность при ударно-вращательном бурении шпуров определяется из формулы:

м/ч,

где: e – основание натурального логарифма;

а – декремент затухания энергии ударного импульса, который зависит от типа бурильной головки (табл. 13);

l – глубина бурения, м.

Таблица 13

Техническая производительность бурильных машин ударно-вращательного действия для бурения шпуров:

м/ч,

где: t_н – время навинчивания одной штанги, мин. (t_н = 0,5 мин.);

t_p – время развинчивания одной штанги, мин. (t_p = 1 мин.);

l – длина одной буровой штанги, м. (в расчётах принимать l из технической характеристики станка, ориентировочно l=0,7-1,5 м);

Т_з – время замены бурового инструмента, Т_з=2 мин.;

В – стойкость резца (коронки) на 1000 м бурения:

м,

Значения q_k выбираются из данных табл.14 в зависимости от крепости буримых пород.

Таблица 14

Примеры расчёта по приведённой методике

Пример 1. Определить начальную механическую скорость бурения перфоратором ПК60А в породах крепостью f=12. Энергия удара перфоратора A=95 Дж; частота ударов n=45 Гц, диаметр шпура 43 мм.

Решение. Определить начальную механическую скорость бурения шпура:

м/мин.

Пример 2. Определить теоретическую производительность станка для следующих данных: d=56 мм; L=20 м; l=1,2 м; В=20 м; _н=0,56 м/мин; α = 0,04; R=1; k₀=1.

Решение. Теоретическая производительность по предложенной методике определяется:

м/ч.

Пример 3. Вычислить техническую производительность станка для условий примера 2 и следующих данных: k_г=0,9; t_н=0,5мин.; t_р=1мин.; Т_нп=5 мин.; T_зб=1 мин.; Т₃ = 4 мин.

Решение.Техническая производительность определяется:

м/ч.

Эксплуатационная производительность бурения определяется исходя из длительности смены, затрат времени на подготовительно-заключительные операции и простои по организационно-техническим причинам:

, м/см,

где: Т_см – продолжительность смены, мин.;

Т_п.з. – время подготовительно – заключительных операций, мин. (в расчётах принимать Т_п.з. = 30-50 мин.);

Т_о.п. – время организационных простоев, мин.;

Т_п. – время перегона бурильной установки, в расчётах принимается Т_п = 15-30 мин.

1.

2.

3.

3.1.

3.1.1.

3.1.1.1.

3.1.1.2.

3.1.1.3. Ударно-вращательный способ бурения глубоких скважин

К машинам данного типа относятся буровые станки типа НКР–100М с погружными пневмоударниками (П1-75; M-48; M-1900), а также самоходные и колонковые буровые станки типа КБУ-50; КБУ-80; ПБУ-80; СБУ-80С; СБУ-50С и др., оснащённые мощными погружными (выносными) пневмо- и гидроударниками.

Начальную механическую скорость бурения скважин определяют по формуле:

, мм/с,

где: А - энергия удара, Дж;

n - частота ударов, с^-1;

d - диаметр долота, мм;

f - коэффициент крепости буримых пород.

Тип применяемого пневмо- или гидроударника принимается по технической характеристике бурового станка.

Механическая скорость бурения пневмоударниками при заданной глубине скважины:

, м/мин.

где: - коэффициент падения скорости бурения с глубиной скважины; в расчётах можно принимать = 0,0004;

L - глубина скважины, м.

Средняя скорость бурения скважины:

, м/мин.

Время бурения скважины:

, мин.

Время бурения 1 м скважины:

, мин.

Теоретическая производительность станка:

, м/ч.

Техническая производительность станка:

, м/ч,

где: К_Г – коэффициент готовности станка, К_г = 0,8-0,9;

В – стойкость долота на одну заточку, м:

,

где: q_д – расход долот на 1000 м бурения (табл.15).

Таблица 15

В числителе приведён расход при диаметре скважин 105 мм, в знаменателе – при диаметре 155 мм.

t_н, t_р – время навинчивания – развинчивания одной штанги, мин. t_н = 0,5 мин., t_р = 1 мин.;

l – длина штанги, l = 0,7-1,2 м;

Т_з – время замены долота Т_з = 4 мин.;

Т_н.п. – время наведения станка на скважину, Т_н.п. = 4 мин.;

Т_з.б. – время забуривания, Т_з.б. = 1 мин.;

L – глубина скважины, м.

Эксплуатационная производительность буровых станков ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками определяется с учётом простоев станка по организационным причинам:

, м/см.,

где: Т_см – продолжительность смены, мин.;

Т_о.п. – время организационных простоев, Т_о.п. = 10-20 мин.;

Т_п – время перемещения станка в течении смены, Т_п = 20 мин.;

Т_п.з. – время подготовительно-заключительных операций, Т_п.з.= 15-25 мин.;

m – число скважин в веере, в расчётах принимать усреднённое значение m = 12.

1.

2.

3.

3.1.

3.1.1.

3.1.1.1.

3.1.1.2.

3.1.1.3.

3.1.1.4. Шарошечный способ бурения

Шарошечная буровая машина независимо от классификационных признаков состоит их следующих узлов: механизма подачи, механизма вращения, механизма свинчивания и развинчивания буровых штанг, пульта управления и насосной станции. Шарошечные машины, применяемые на открытых разработках, резко отличаются габаритами, весом и наличием гусеничного хода от станков для подземного бурения.

4.Механическая отбойка руды комбайнами

Применение комбайнов значительно упрощает организацию работ и повышает темпы проведения выработок и производительность труда горнорабочих.

Все современные проходческие комбайны используют механический способ разрушения породы и применяются при проведении горных выработок и ведении очистных работ по породе с коэффициентом крепости f менее 6. Ведутся опытные работы по созданию комбайнов для применения их по рудам и породам с коэффициентом крепости до 10-12.

Российская промышленность выпускает следующие типы комбайнов: 4ПУ; ПК-3Р; ПК-8М; ПК-9Р; 4ПП-2; ГПК; ГПКС; 4ПП-5; «Союз-19у»; Урал-10КСА; Урал-20КСА; Урал-38; КРТ.

Анализируя производительность комбайнов, следует обратить внимание на технические возможности комбайнов и на организацию их работы в забое.

1.

2.

3.

4.

1.

2.

3.

4.

4.1. Расчёт производительности очистных комбайнов

Теоретическая производительность комбайнов бурового типа определяется по формуле:

, т/мин., или:

, т/мин.,

где: S – площадь разрушаемого исполнительным органом сечения выработки, м²;

– максимально возможная для крепости разрушаемой породы скорость подачи исполнительного органа на забой, м/мин.;

- плотность разрушаемой породы, т/м³.

Теоретическую производительность проходческих комбайнов бурового типа определяется по формулам:

, м³/мин.

, м/мин.

Значение максимально возможной скорости подачи ротора исполнительного органа на забой определяется по формуле:

, м/мин.

где: N_и.о. – мощность привода исполнительного органа, кВт;

- КПД привода исполнительного органа, = 0,8-0,9;

S – площадь разрушаемого исполнительным органом сечения выработки, м²;

Н_w – удельная энергоёмкость процесса разрушения, кВт·ч/м³.

Усреднённые значения Н_w

Таблица 16

Промежуточные значения Н_w для пород крепостью f = 0,5; 1,5; 2,5; 3,5 определяются как среднее арифметическое значение Н_w для пород крепостью 1, 2, 3, 4.

Для комбайнов избирательного действия теоретическая производительность определяется по формуле:

, т/ч

, м³/ч

где: m – мощность (толщина) снимаемого слоя угля или породы, м;

В – величина заглубления исполнительного органа в массиве угля или породы, м;

– максимально возможная для заданной породы скорость поперечного (вертикального, горизонтального или наклонного) перемещения исполнительного органа, м/с;

– плотность разрушаемой породы, т/м³.

Учитывая, что коронка исполнительного органа проходческого комбайна имеет форму усечённого конуса, толщину снимаемого слоя определяют по формуле:

, м,

где: D_к – максимальный диаметр конической коронки по резцам, м.

Величину заглубления коронки исполнительного органа в массив принимают в зависимости от крепости разрушаемого угля или породы.

Усреднённые значения величины В можно получить из формулы:

, м.

Значения максимально возможной скорости поперечного (вертикального, горизонтального или наклонного) перемещения исполнительного органа в зависимости от крепости разрушаемой породы можно определить из формулы:

, м/мин.

Усреднённые значения Н_w для комбайнов избирательного действия приведены в табл. 17.

Таблица 17

Техническая производительность комбайнов бурового типа определяется по формуле:

, т/м; м³/мин; м/мин.

где: – коэффициент технической производительности комбайна, определяющий снижение его теоретической производительности за счёт регламентированных простоев, зависящих от конструкции комбайна: техническое обслуживание, замена изношенного инструмента и т.д.

Как показывает опыт эксплуатации комбайнов бурового типа, величина коэффициента технической производительности К_тех в зависимости от конструкции и степени их технического совершенства составляет 0,5-0,7.

Аналитически К_тех можно определить из формулы:

,

где: К_Г – коэффициент готовности, в расчётах следует принимать К_Г = 0,8;

Т_пр.б. – время регламентированных простоев комбайна, зависящих от его конструкции, мин.;

L_в – длина проведённой выработки до замены изношенных резцов, мин.;

– максимально возможная для данной породы скорость подачи исполнительного органа на забой, м/мин.

Время регламентированных простоев определяется из формулы:

,мин.

где: – время маневровых операций на отодвигание комбайна от забоя для замены резцов, определяется из формулы:

, мин.

где: а – величина отодвигания исполнительного органа комбайна для замены резцов; в расчётах принимать а = 0,8-1,0 м;

- маневровая скорость передвижения проходческого комбайна, м/мин.

В расчётах выбирается из технической характеристики комбайна в соответствии с вариантом выполнения задания и технической характеристикой комбайна.

Время замены инструмента Т_з.и. определяется из формулы:

, мин.

где: t_р – время замены резца, t_р = 1,0 мин.

Длина пройденной выработки L_в комбайном бурового типа до замены резцов определяется из формулы:

, м,

где: n_g – допускаемый процент выхода из строя резцов, ;

N – общее число резцов на исполнительном органе, шт.;

S – площадь поперечного сечения выработки, м²;

n_у – удельный расход резцов на единицу объёма отбитого массива угля или породы, n_у = 0,15 шт./м³.

Техническая производительность проходческих комбайнов избирательного действия определяется по формуле:

Q_тех=K_тех·Q_теор, т/мин.; т/ч,

где: К_тех – коэффициент технической производительности комбайна избирательного действия, зависящий от его конструкции.

Значение коэффициента технической производительности определяется из формулы:

где: К_Г – коэффициент готовности комбайна; К_г = 0,9;

Т_пр.и. – время регламентированных простоев комбайна (маневровые операции, техническое обслуживание, замена изношенного инструмента), зависящее от его конструкции, мин.;

L_и.о. – путь, пройденный исполнительным органом комбайна за один цикл обработки забоя, м, определяется графически по схеме отработки забоя или аналитически по формуле:

, м,

где: Н – высота выработки, м;

D_к – диаметр коронки исполнительного органа, м;

а_н, а_в – ширина нижнего и верхнего оснований трапецеидальной выработки, м.

- максимально возможная для заданной крепости породы скорость поперечного (горизонтального, вертикального или наклонного) перемещения стрелы исполнительного органа комбайна, м/с.

Время регламентированных простоев комбайна избирательного действия определяется из формулы:

, мин.,

где: Т_м.о. – время маневровых операций на выдвижение коронки исполнительного органа из забоя, мин.:

, мин.,

где: В – величина заглубления коронки исполнительного органа в зависимости от крепости разрушаемой породы, м.;

- маневровая скорость телескопической раздвижки стрелы исполнительного органа, м/мин.;

– время на отодвигание комбайна от забоя для замены инструмента, мин.:

, мин.,

где: а – величина отодвигания комбайна от забоя, м, в расчётах принимать а = 0,6-0,8 м.;

n_д – допустимый процент выхода резцов из строя, %;

n_у – удельный расход резцов в зависимости от крепости разрушаемых пород.

В расчётах принимать: n_у = 0,35 шт./м³ (при f = 3); n_у = 0,25 шт./м³ (при f = 2); n_у = 0,1 шт./м³ (при f = 1).

Эксплуатационная производительность комбайнов определяется с учётом регламентированных простоев, зависящих от конструкции комбайна и его технического уровня, а также простоев по организационным причинам.

Эксплуатационная производительность определяется по формуле:

, т/мин.; т/ч.,

где: К_э – коэффициент эксплуатационной производительности.

Для комбайнов бурового типа:

Для комбайнов избирательного действия:

,

где: – максимально возможная скорость подачи исполнительного органа комбайна бурового действия для заданной крепости разрушаемой породы, м/мин.;

– максимально возможная скорость поперечного перемещения стрелы исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия для заданной крепости разрушаемой породы, м/с;

Т_о.п. – время организационных простоев комбайна (мин.), зависит от технологической схемы проходки забоя, организационных причин и т.д.

Как показывает опыт эксплуатации проходческих комбайнов бурового и избирательного действия, усреднённое значение Т_о.п. можно принимать:

- для комбайнов бурового типа;

- для комбайнов избирательного действия.

Расчёт по приведённой выше методике рекомендуется производить при использовании в курсовом проекте современных зарубежных самоходных буровых установок. Для расчёта параметров бурения с использованием отечественной техники или при отсутствии ряда данных расчёт производить по упрощенной методике, приведенной ниже.

Эксплуатационную производительность перфораторов при бурении шпуров в зависимости от типа перфоратора и коэффициента крепости руды при эталонном диаметре шпуров 43 мм, давлении сжатого воздуха в магистрали 6 кГс/см²; глубине шпура 1,5 м, следует принимать по данным табл. 18.

При отклонении от указанных условий значение производительности перфоратора корректируется умножением на поправочные коэффициенты: k_d – на диаметр шпура (табл. 19); k_l - глубину шпура (табл. 20); k_в – давление сжатого воздуха (табл. 21).

Таблица 18

Эксплуатационная производительность перфораторов при бурении шпуров, м/см

Таблица 19

Значения поправочных коэффициентов на диаметр шпура

Таблица 20

Значения поправочных коэффициентов на глубину шпура

Таблица 21

Значения поправочных коэффициентов на давление сжатого воздуха

Таблица 22

Эксплуатационная производительность телескопных перфораторов при бурении скважин, м/см

Примечание: при глубине скважин до 6 м необходимо вводить поправочный коэффициент 1,25.

Эксплуатационную производительность колонковых перфораторовпри глубине скважин до 15 м, диаметре 85 мм и давлении сжатого воздуха 0,6 МПа принимать по табл. 23.

Таблица 23

Эксплуатационная производительность колонковых перфораторов при бурении скважин диаметром 85 мм за 7-ми часовую смену

При отклонении от указанных условий эксплуатационную производительность колонковых перфораторов определяют с применением коэффициентов на давление сжатого воздуха (табл. 26), диаметр (табл. 24) и глубину скважины (табл. 25).

Таблица 24

Значения поправочных коэффициентов на диаметр скважины

Диаметр скважины, мм
Коэффициент	2,20	1,60	1,25	1,00

Таблица 25

Значения поправочных коэффициентов на глубину скважины

Глубина скважины, м	До 10	10 -15	15 - 20	20 - 25
Коэффициент	1,2	1,0	0,8	0,7

Таблица 26

Значения поправочных коэффициентов на давление сжатого воздуха

Эксплуатационная производительность буровых станков ударно-вращательного бурения (с погружными пневмоударниками) за 7-часовую смену при глубине бурения до 30 м, угле наклона скважин к горизонтали от 0 до и давлении сжатого воздуха в забое 0,6 МПа, в зависимости от коэффициента крепости породы принимать по табл. 27. При глубине бурения более 30 м необходимо вводить коэффициент 0,9.

Таблица 27

Сменная эксплуатационная производительность буровых станков ударно-вращательного бурения, м

	Диаметр скважины, мм
20 - 19	4,5	3,4	2,3
18 - 15	11,0	8,2	5,5
14 - 13	17,0	12,5	8,5
12 – 11	20,0	15,9	10,0
10 – 9	27,0	20,0	13,5
8 - 7	40,0	30,0	20,0
6 - 4	64,0	47,5	32,5
Менее 4	88,0	65,5	45,0

При угле наклона скважины к горизонтали от 45 до 90^о и от минус 45 до минус 90^о принимать коэффициент 0,8.

Эксплуатационную производительность самоходных бурильных установок для бурения шпуров, а также буровых станков шарошечного и вращательно-ударного бурения можно также определить по «Единым нормам выработки и времени на подземные очистные, горнопроходческие и нарезные работы (ЕНВ)» или с помощью инженерно-технических расчётов, исходя из технической производительности оборудования и времени «чистого» бурения в течение смены.