CC BY
55
УДК 622.23.051.15+622.23.052
БУРОВЫЕ КОРОНКИ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТО-СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
В.Я. Щерба, В.А. Губанов, А.Л. Поляков, Д.Т. Карабань
ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством», г.Солигорск, Беларусь
В ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством» были проведены исследования характера разрушения глинисто-соляных пород Старобинского месторождения в процессе вращательного бурения. На основе полученных результатов разработаны буровые коронки и инструмент для высокопроизводительного бурения в названных условиях шпуров и скважин большого диаметра глубиной 6 м и более.
Горно-геологические условия разработки
Старобинское месторождение, разрабатываемое с начала 60-х годов прошлого века, представляет собой соле-носную толщу мощностью около 300-400 м, представленную чередованием пластов каменной соли и глинисто-карбонатных пород, среди которых залегают четыре калийных горизонта. Породы, встреченные при разработке Ста-робинского месторождения калийных солей, в основном не отличаются высокой прочностью. Их крепость по шкале Протодьяконова изменяется в пределах от 1 до 4. Разрабатываемые в настоящее время Второй, Третий (частично Первый) калийные горизонты осложнены разного рода геологическими нарушениями различной природы, к которым относятся:
- замещения продуктивного калийного пласта каменной солью;
- малоамплитудные тектонические нарушения (сбросы, взбросы);
- геологические нарушения типа «мульда погружения». Некоторые из этих геологических нарушений являются выбросоопасными при их вскрытии горными работами. Выбросоопасностью обладают также глинисто-карналлитовая пачка Третьего горизонта и подстилающий его глинисто-мергелистый горизонт, в породах которого встречаются очаговые скопления газа [4]. Такие горногеологические условия и характеристики вмещающих пород вместе с применяемой на месторождении технологией разработки полезного ископаемого определили основной способ бурения шпуров и скважин различного назначения -вращательный и способ удаления буровой мелочи из забоя скважин - винтовыми штангами (шнеками).
Вид и форма буровых резцов (коронок)
Как показывает опыт эксплуатации месторождений каменного угля, для вращательного бурения по углю и породам крепостью f < 7 наиболее оптимально подходят двухперые резцы (буровые коронки) угольные и породные, которые могут иметь различную форму (рис. 1) и армируются пластинками твердого сплава ВК-8. Данные резцы серийно выпускаются Кузнецким машиностроительным заводом и имеют, как правило, два типоразмера, чаще всего используются резцы диаметром 43 мм [1]. Их корпус изготавливается из конструкционной, либо инструментальной стали. Резец крепится в витой (спиральной) буровой штанге с помощью клиновидного хвостовика и шплинта (см. рис. 1) через отверстия, имеющиеся в штанге и хвостовике резца. Угольные резцы характеризуются удлиненными перьями и большим диаметром (16-27 мм) их раствора (см. рис. 1, а, б, в), что способствует снижению усилия подачи бурового
инструмента на забой [3]. Породным резцам свойственны меньший раствор, более короткие и широкие перья (см. рис. 1, г). Передний угол перьев чаще всего равен 0°, в некоторых случаях (например, для резцов РМ) +6°. Резцы для бурения по хрупким породам имеют и-образный раствор скалывающего типа (см. рис. 1, в), а для бурения по вязким породам (например, по соли) - У-образный раствор режущего типа.
Рис. 1. Серийно выпускаемые резцы для бурения по углю и породам / < 7
Все вышеописанные типы буровых резцов, несмотря на их широкую распространенность в угольной и других отраслях горной промышленности, имеют существенный недостаток - узел их соединения с буровой штангой. Соединение посредством клиновидного хвостовика и шплинта не достаточно надежно, особенно при бурении с наращиванием бурового става. В таких случаях при увеличении нагрузки на узел соединения может происходить срез шплинта либо обламывание клиновидного хвостовика, что, в свою очередь, зачастую приводит к потере бурового инструмента. Последний недостаток устранен в резцах (рис. 2, а) и буровом инструменте (штангах) зарубежного производства.
а
Рис. 2. Буровые резцы (коронки) с быстроразъёмным соединением для буровых штанг зарубежного производства: а - поставляемые из-за рубежа; б - выпускаемые ЗАО «Солигорский ИПР с ОП»
Следует отдельно заострить внимание на особенностях буровых коронок (резцов), применяемых в Солигор-ских рудниках. Уже на стадии проходки стволов Солигор-ских рудников стало ясно, что ни один из описанных выше типов буровых коронок не удовлетворяет в полной мере требованиям эффективности ведения буровых и буровзрывных работ. Дело в том, что эффективное бурение по глинисто-соляным породам и сильвиниту (обладающим ярковыраженными вязкопластическими свойствами) возможно лишь при реализации способа разрушения забоя скважины (шпура) посредством резания, без внедрения и скола, как это происходит у «угольных» коронок. Опытным путем было установлено, что наибольший эффект достигается, когда передний угол перьев коронки находится в пределах 10-15° (см. рис. 2, б), в этом случае оказываются минимальными усилие подачи бурового инструмента на забой и образование буровой мелочи оптимальных, для выноса винтовой штангой, размеров.
Буровой инструмент для бурения в сложных горно-геологических условиях Старобинского месторождения
Одной из проблем, которая существует на месторождении при отработке Третьего калийного горизонта, является проблема перехода очистными и подготовительными выработками геологических нарушений типа «мульда погружения». Проблема становится еще более острой, когда такие нарушения встречаются лавами по верхнему слою, имеющему относительно небольшую вынимаемую мощность (1,2-1,4 м). В соответствии с «Нормативными и методическими документами по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей» [2] данные участки выемочного столба должны проходиться лавой с предварительным и принудительным инициированием выброса соли и газа буровзрывным способом из специально проводимой передовой выработки.
Основной трудностью, осложняющей переход таких участков, является проблема бурения горизонтальных и слабонаклонных (до ±25°) шпуров при принудительном инициировании БВР мульд погружения. Проблема усугубляется, если глинистые породы, слагающие такие мульды, еще и увлажнены. При бурении в них без продувки или промывки происходят заштыбовка бурового инструмента и его заклинивание. Извлечь буровой инструмент без его разрушения в таких случаях не представляется возможным. При БВР застрявшие штанги, как правило, деформируются и восстановлению не подлежат. При одном цикле проведения передовой выработки в мульде погружения (бурение, заряжание ВВ, взрывание), как правило, заклинивается 2-3 комплекта буровых штанг длиной от 2-3 до 5-6 метров. Все это сказывается на производительности и безопасности очистных работ при переходе данных участков. Если
учесть тот факт, что данные работы выполняются в условиях ограниченного пространства, требуют больших физических и материальных затрат, то переход одной мульды (в зависимости от ее размеров) занимает от одного-двух до трех-четырех месяцев при скорости подвигания забоя в сутки не более 1,0 м.
В связи с вышеизложенным было предложено [4] проходку передового вруба заменить проходкой передовой скважины либо скважин диаметром 120-140 мм, которые использовались бы в качестве свободной поверхности для серии шпуров, ее оконтуривающих, с целью создания при ведении БВР передовой выработки. Для этих целей в 20032004 годах на базе ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством» были проведены научно-исследовательские, конструкторские и опытно-экспериментальные работы по созданию бурового инструмента для бурения скважин 080-85 мм и 120-140 мм по глинистым породам. Данный инструмент получил положительную оценку на испытаниях в шахтных условиях при выполнении работ по инициированию выбросоопасных геологических нарушений.
В состав бурового инструмента входят:
- буровые коронки 085-86 мм;
- буровые коронки 0130-140 мм;
- забурники (направляющие) для бурения скважин 085-86 мм;
- забурники (направляющие) для бурения скважин 0130-140 мм;
- буровые штанги (шнеки) для бурения скважин 08085 мм;
- буровые штанги (шнеки) для бурения скважин 0130-140 мм.
Отдельные части бурового инструмента представлены ниже, на рис. 3, 4.
Рис. 3. Общий вид трехперых коронок для расширения скважины до 085-86 мм и 0130-140 мм
Рис. 4. Общий вид буровых штанг для расширения скважин до 085-86 мм, 130-140 мм
Подводя итог всему сказанному, можно утверждать, что разработанный, изготовленный, испытанный и запатентованный в ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством» буровой инструмент для бурения шпуров и скважин в глинистых, глинисто-соляных породах, доломитах, песчаниковидных солях может быть рекомендован для промышленного использования на рудниках РУП «ПО «Беларуськалий», а также других горных предприятиях, разрабатывающих месторож-
дения калийных, каменных и других солей подземным способом.
Список литературы
1 Машины для угольной промышленности (справочник) / С.Х. Клорикян, Е.В. Зеленкин [и др.] - М.: Недра, 1968. - 299 с.
2. Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей. - Солигорск-Минск, 1995. - 214 с.
3 Справочник механика шахтостроителя / под. ред. Д.И. Малиованова. - М.: Недра, 1986. - 623 с.
4 Щерба В.Я. Управление газодинамическими процессами на Старобинском месторождении калийных солей / В.Я. Щерба, А.Н. Башура, С.С. Андрейко; под ред. В.Я. Пру-шака. - М.: Изд-во Москов. гос. горного ун-та, 2004. -194 с.
