Огневое бурение скважин.

При механических способах бурения скважин с увеличением крепости и образивности горных пород скорость бурения уменьшается и более быстро изнашивается породоразрушающий инструмент. В результате этого стоимость бурения скважин резко увеличи­вается. При огневом бурении порода разрушается газовыми струями, образующимися в результате сгорания жидкого горючего с окисли­телем; скорость бурения с увеличением крепости пород обычно повышается. Поэтому огневое бурение скважин применяют в креп­ких и весьма крепких горных породах, имеющих кварцевую основу. Производительность станков огневого бурения в крепчайших по­родах в 5—10 раз выше по сравнению с ударно-канатными станками.

Сущность огневого бурения скважин заключается в следующем. Высокотемпературная газовая струя, выбрасываемая из реактивной

горелки со сверхзвуковой скоростью, быстро прогревает тонкий слой породы в забое скважины. В результате разности термических напряжений, возникающих в соседних слоях, породы из-за неравно­мерности ее нагревания, а также значительных напряжений в среде, вызванных неравномерностью расширения отдельных кристаллов, происходит растрескивание породы. Разрушенная порода струей газов и пара выносится из скважины.

Наиболее интенсивно разрушаются при огневом бурении креп­кие монолитные породы, имеющие в своем составе много кварца (кварциты, граниты, песчаники и др.). В сильнотрещиноватых породах огневое бурение малоэффективно, так как проникновение газовых потоков в трещины значительно повышает теплопровод­ность породного массива. Также плохо поддаются огневому бурению слабые породы, имеющие большую упругую деформацию, затруд­няющую создание разрушающих напряжений в массиве.

В настоящее время на карьерах СССР применяют два типа стан­ков огневого бурения: СБО-1 и СБО-2, работающие на керосине и окислителе-кислороде и приспособленные для бурения вертикаль­ных скважин глубиной до 20 м. Кроме этого, используется станок СБО-3 с гибкой штангой, предназначенный для бурения вертикаль­ных скважин глубиной до 40 м (табл. 14). В качестве окислителя на станке СБО-3 может применяться кислород, сжатый воздух или азотная кислота.

Таблица 14

Техническая характеристика станков огневого бурения

Показатели СБО-1 СБО-2 СБО-3

Диаметр скважины, мм........................................... ......... 250 200 400

Максимальный диаметр расширенной скважины, мм.. 400 500 600

Глубина бурения, м.......................................................... 19 20 40

Скорость подъема и опускания горелки, м/ч................. 6-30 20 15-30

Диаметр горелки, мм........................................................ 1,9-14,4 3,8-38 3,9-39

Мощность двигателя, кВт................................................. 145 135 160

Скорость передвижения станка, км/ч............................... 0,65 0,65 0,6

Средний расход компонентов:

Кислород, м³/ч ................................................................... 240 110 400

Керосина, кг/ч..................................................................... 125 150 195

Воды, м³/ч........................................................................... 3,6 3,5 3,6

Вес станка, т....................................................................... 40 43 45

Коэффициент крепости по М.М.Протодьяконову.......... от 14 и выше

Рабочий орган станка огневого бурения состоит из реактивной горелки, буровой штанги и подводящего устройства.

Конструкция горелки показана на рис. 102. Через форсунку 1 смесь распыленного керосина и газообразного кислорода поступает в камеру сгорания 2. Образовавшиеся внутри камеры сгорания газообразные продукты выбрасываются со скоростью 1800—2000 м/сек через сопло 3 в виде огненных струй. Обычно применяются горелки с тремя эксцентрично расположенными соплами. Температура га­зов в камере сгорания достигает 2500— 3500° С. Для охлаждения горелки в кор­пусе ее имеются каналы 4, в которые по­ступает вода, выходящая наружу через от­верстия 5.

Горелка при помощи переходника 6 сое­диняется с буровой штангой из толстостен­ной цельнотянутой трубы. Внутри штанги размещены трубопроводы для подвода к го­релке кислорода, керосина и воды.

Рис. 102. Схема реак­тивной горелки.

Во время бурения горелка вместе со штангой непрерывно вращается со скоростью 10—20 об/мин, и выбрасываемые из сопел горелки газовые струи периодически нагре­вают различные участки породы в забое скважины. При малой скорости вращения горелки порода в забое скважины начинает плавиться, и процесс нарушается. Расстоя­ние от среза сопла горелки до забоя сква­жины регулируется автоматически и в за­висимости от свойств буримых пород изме­няется в пределах 60 — 150 мм.

Кислород к станку огневого бурения 1 (рис. 103) подается по шлангами высокого давления от передвижных кислородных реципиентов 2 или передвижных цистерн с жидким кислородом, газифицируемых пе­ред подачей к станку. Керосин подвозят автоцистернами, из кото­рых его перекачивают в расходный бак, установленный в кузове станка. Вода поступает к станку по шлангу из передвижного ре­зервуара 3. Затраты на кислород достигают 30—50% общих затрат на буре­ние скважин. Поэтому замена кислорода сжатым воздухом или жид­ким окислителем (азотной кислотой) является основным направ­лением дальнейшего совершенствования огневого бурения скважин.

Особенностью огневого способа бурения является возможность расширения скважины (для размещения заряда ВВ) при замедле­нии скорости подачи рабочего органа в скважину. Однако опыт применения огневого бурения на карьерах показал, что такой

Таблица 15

Рациональные скорости бурения и разбуривания ( по Н.И. Ляхову)

Породы	Коэффициент кре­пости по М. М. Протодьяконову	Скорость бурения, м/ч	Скорость разбури-вания, м/ч	Диаметр расширен­ной скважины, мм
Гематито-магнетитовые роговики тонкополосча- Магнетитовые и гематито-магнетитовые рогови­ки со средней и выше средней трещинова-	18—20 18—20 18 16 16	12 10 8 6 4	13 13 13 14 15	395 364 314
Магнитно-карбонатные роговики сильнотрещи-				280
Карбонатно-силикатно-магнетитовые роговики трещиноватые с прослойками сланца . .				247

способ расширения скважины нерационален. Значительно больший эффект достигается при бурении скважин минимального диаметра на полную глубину при максимальной скорости бурения и последу­ющего разбуривания нижней части сква­жины (табл. 15).

Рис. 103. Схема располо­жения бурового и вспомо­гательного оборудования на рабочей площадке в карьере.

В настоящее время в карьере ЮГОКа, широко применяющем огневое бурение в крепких породах, скважины бурят сле­дующим образом. Вначале пробуривают скважину диаметром 180—200 мм при мак­симальной скорости бурения (в зависи­мости от типа пород) 6—12 м/ч. Затем на проектной глубине скважины делают вруб, выдерживая рабочий орган над за­боем скважины в течение 5—10 мин. После этого разбуривают нижнюю часть сква­жины до диаметра 350—450 мм путем перемещения рабочего органа снизу вверх со скоростью 10—16 м/ч. При этом, не­смотря на уменьшение средней скорости бурения по сравнению со скоростью бу­рения малого диаметра, стоимость обури-вания 1 м³ горных пород в результате расширения сетки скважин снизилась более чем в три раза.

К достоинствам огневого способа бурения скважин относятся: высокая производительность бурения в крепких и весьма крепких горных породах; отсутствие разрушающего инструмента; возмож-

ность расширения скважин; возможность автоматизации управления процессом бурения.

Недостатками огневого бурения скважин являются большая энергоемкость, сложность оборудования, возможность использования только в определенных породах.