СПОСОБ БУРЕНИЯ КОМПЕНСАЦИОННЫХ СКВАЖИН
METHOD OF DRILLING COMPENSATION WELLS

Изобретение относится к буровой технике, а именно к особым способам или устройствам для бурения.
Бурение компенсационных шпуров и скважин ∅ 60-90 мм параллельными врубами с подготовкой забоев для взрыва в горизонтальных подземных горных выработках шпурами ∅ 40-42 мм на глубину 1,5-1,6 м является весьма актуальным. Особенно на подэтажах, на которые невозможно доставить мощную буровую технику. Например, в Криворожском железорудном бассейне на такие выработки приходится до 60% от всех горизонтальных выработок. Для повышения эффективности проходки таких выработок в различных частях забоя бурят несколько компенсационных шпуров и скважин ∅ 60-90 мм. В компенсационные шпуры (скважины) взрывчатка не закладывается, однако благодаря шпурам (скважинам) увеличиваются глубина отбойки и коэффициент использования шпуров (скважин). Забой после взрыва получается гладкий, правильной формы и практически без недовзорванных стаканов.
Известен способ бурения компенсационных скважин сплошным забоем лезвийной коронкой типа К-100 В, которая включает лезвийную трехперую часть диаметром ≥60-100 мм с опережающим лезвием - центратором ∅ 40 мм - аналог 1. (См. источник 1: Иванов К.И. и др. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1966, с. 170.) Недостатком данного способа является низкая скорость бурения из-за несовершенной формы породоразрушающих твердосплавных лезвий коронки, недостаточной энергии удара для данной коронки особенно в переносных перфораторах на пневмоподдержках, которые применяются при проходке подэтажных выработок.
3
Известен способ для бурения компенсационных шпуров и скважин сплошным забоем штыревой коронкой ∅ 64 мм, у которой передняя часть, снабженная породоразрушающими штырями, изготовлена в виде усеченного конуса, выполняющего функцию центратора - аналог 2. (См. источник 2: Каталог - Rock Drilling Tools. Atlas Copco Secoros AB, SE-737 25 Fagersta, Sweden, 2001, c. 33.) По сравнению с аналогом 1 аналог 2 обеспечивает повышенную скорость бурения. Однако недостатком данного способа является необходимость применения мощных гидравлических перфораторов с удельной энергией удара ≥350 Дж/м и усилием подачи ≥3000 Н, которые не могут обеспечить переносные пневматические перфораторы, применяемые при бурении на подэтажных выработках.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ расширения ранее пробуренных шпуров ∅ 40-42 мм с целью превращения их в компенсационные шпуры большего диаметра 65 мм. (См. Источник 3: Применение коронок- расширителей для бурения компенсационных скважин на проходческих работах, Минцветмет СССР, ЦНИИ экономики и информации цветной металлургии. Обзорная информация. Выпуск 6. М., 1988, 39 с.) Для реализации данного способа предусмотрено применение коронки с расширяющей частью, в передней части которой используют направляющий центратор, вставляемый в предварительно пробуренный шпур в первой стадии - коронки КРР-65, серийно выпускаемой ЗАО «Бинур», РОССИЯ, Москва - аналог 3. (См. Источник 4: авт. св. СССР №876948, кл. Е21В 10/26, опубл. 30.10.81, бюл. №40.) Эта коронка-расширитель имеет жестко соединенный с ним при помощи внутреннего конусного соединения в расширяющей части корпуса направляющий центратор-стержень с головкой, на котором установлены кольцевая насадка и эластичные кольца, размещенные с обоих торцов. По сравнению со способами- аналогами 1 и 2 суммарное время, которое затрачивается на бурение опережающего шпура и расширение скважины, уменьшается до 2-х раз. Однако к недостаткам данного способа следует отнести необходимость бурения в две стадии. В первой стадии бурится шпур коронкой ∅ 40-42 мм, а затем осуществляется его расширение до ∅ 65 мм коронкой с расширяющей частью КРР-65. У нее низкая эффективность передачи ударных импульсов от буровой штанги, по которой наносит удары поршень-ударник перфоратора. Ударные импульсы трансформируются в волну напряжения, которая, пройдя буровую штангу через конусное сопряжение штанга-коронка, передается на корпус КРР-65 и далее на ее расширяющую часть. На этом участке происходят основные потери энергии ударных импульсов из-за несовершенной ступенчатой формы перехода корпуса коронки на ее расширяющую часть, а также несовершенной лезвийной формы ее породоразрушающих элементов и нерациональной треугольной формой пазов для выноса шлама. Такая форма пазов не только не обеспечивает необходимую очистку забоя от шлама, который повторно измельчается твердосплавным вооружением коронки, увеличивая износ всех элементов коронки, но и снижает передачу энергии ударов поршня перфоратора на лезвия коронки. Кроме того, направляющий стержень вследствие того, что он не прижат к забою, а находится в уже пробуренном шпуре под действием ударных волн, проходящих через коронку, часто отсоединяется от коронки и остается в расширенной скважине. Это происходит потому, что волна напряжения, проходящая через корпус расширяющей части коронки, на несколько микрон увеличивает его в размере и, соответственно, увеличивает диаметр внутреннего конуса в нем. Поэтому натяг конусного сопряжения постепенно ослабляется и направляющий стержень отсоединяется от корпуса в среднем 1 раз после расширения 2-х шпуров. Для его извлечения непроизводительно тратится время, снижая эффективность процесса расширения шпуров, что установлено нами и не указано в вышеприведенных источниках 3 и 4.
Целью изобретения является создание более эффективного способа для бурения компенсационных шпуров и скважин в одну стадию коронкой диаметром 60-90 мм.
3
3
Предусмотрена возможность бурения компенсационного шпура (скважины) в одну стадию. При этом в случае бурения компенсационного шпура (скважины) в одну стадию коронкой с расширяющей частью диаметром D центратор заменяют коронкой меньшего диаметра d по сравнению с диаметром D, которую насаживают на наружный конус в передней части расширяющей части коронки. Этот конус выполнен как одно целое с расширяющей частью и изготовлен таким образом, чтобы обеспечить максимальную передачу энергии ударных импульсов через сопряжение наружный конус расширяющей части / внутренний конус опережающей коронки, которая в этом случае выполняет функцию концентратора энергии, обеспечивающего эффективное разрушение породы вблизи ее оси. При этом породоразрушающим элементам как на опережающей коронке, так и на расширяющей части задают штыревую форму, которая вместе с количеством и диаметрами штырей опережающей коронки соотносится к форме, диаметру и количеству штырей расширяющей части в пропорции ноу-хау заявителя. Эти соотношения задают таким образом, чтобы расчетная удельная энергоемкость 1 мм разрушенной породы в компенсационной скважине при ее использовании для бурения в одну стадию с опережающей коронкой меньшего диаметра, была соразмерна удельной энергоемкости 1 мм разрушенной породы штыревой коронкой, используемой для бурения подготовительных шпуров в случае бурения компенсационных скважин в две стадии. Причем боковой поверхности расширяющей части коронки задают форму, подобную форме изгиба лепестков цветка лотоса, радиус R изгиба которой регламентирован в диапазоне размеров ноу-хау заявителя. При этом наряду с формой боковой поверхности расширяющей части, подобной форме лепестков цветка лотоса, радиус ее изгиба R задают такой величины, что обеспечивают максимальное напряжение на породоразрушающих штырях и создают условия эффективного разрушения породы в скважине при минимальном напряжении в конусном сопряжении штанга / расширяющая часть коронки. Кроме того, вогнутым пазам для выноса разрушенного шлама на расширяющей части придают радиальную форму цилиндрической поверхности радиусом r такой величины, что обеспечивают эффективный вынос шлама при минимальном износе поверхности расширяющей части и опережающей коронки, а также максимальное напряжение на поверхности породоразрушающих штырей как на расширяющей части, так и на штырях опережающей коронки. Это наряду с формой боковой поверхности расширяющей части, подобной форме лепестков цветка лотоса, дополнительно увеличивает напряжение на породоразрушающих штырях и обеспечивает более эффективное разрушение породы в скважине.
Изобретение поясняется  чертежами. На фиг. 1 показана трехперая лезвийная коронка с четвертым опережающим лезвием способа-аналога 1. На фиг. 2 показана штыревая коронка ∅ 64 мм, у которой передняя часть, снабженная породоразрушающими штырями, выполнена в виде усеченного конуса, выполняющего функцию центратора способа-аналога 2. На фиг. 3 показана коронка-расширитель ∅ 65 мм КРР-65 способа-прототипа. На фиг. 4 и 5 показаны чертежи предлагаемой коронки: фиг. 4 - вид сбоку, фиг. 5 - вид сверху по стрелке А, на которых: 1 - корпус расширителя; 2 - породоразрушающие штыри расширителя; 3 - пазы для выноса шлама от расширителя; 4 - наружный конус для насадки опережающей коронки; 5 - опережающая коронка; 6, 7 - породоразрушающие штыри опережающей коронки; 8 - пазы для выноса шлама опережающей коронки; 9 - каналы для выхода промывочной жидкости из опережающей коронки. По стрелке Б на фиг. 7 штриховой линией показан внутренний конус расширяющей части коронки для ее насадки на буровую штангу. На фиг. 6 показана фотография комбинированной коронки для реализации предложенного способа бурения компенсационных скважин в одну стадию. На фиг. 7 показаны зависимости напряжений, определенные нами компьютерным моделированием: 1 - на породоразрушающих штырях; 2 - в конусном сопряжении коронка-штанга в зависимости от формы и радиуса кривизны R боковой поверхности коронки.
На фиг. 8 показаны напряжения на породоразрушающих штырях, определенные компьютерным моделированием, в зависимости от формы пазов для бурового шлама, где 1 - закругленные пазы с вогнутыми цилиндрообразующими поверхностями радиусом r; 2 - при треугольных пазах; 3 - трапецеидальные пазы. На фиг. 9 показана эффективность выноса шлама в зависимости от формы пазов, определенная на основании наших исследований с использованием экспериментально полученного нами параметра завихренности потока, где обозначения 1, 2, 3 аналогичны фиг. 8. На фиг. 10 показана теоретическая удельная энергоемкость разрушения породы с коэффициентом средней крепости ƒ=10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова коронками различных типов, где 1 - для штыревой коронки ∅ 64 мм, показанной на фиг. 2; 2 - для штыревой коронки ∅ 41 мм; 3 - для предлагаемой комбинированной одностадийной коронки ∅ 65 мм, показанной на фиг. 6, с опережающей коронкой меньшего диаметра и расширителем, боковая поверхность которого подобна форме лепестков цветка лотоса; 4 - для предложенного расширителя ∅ 65 мм, боковая поверхность которого подобна форме лепестков лотоса (рассчитано с использованием источника 5 - Хруцкий А.А. Методика проектирования штыревых коронок для бурения скважин / Вicник Криворiзького технiчного унiверситету: зб. наук, праць. - Кривий Рiг. - 2008. - Вип. 20. - С.98-102, а также источника 6 - Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород / Ю.И.Протасов. - М.: Недра, 1985. - 242 с.): На фиг. 11 показаны экспериментально определенные суммарные затраты времени на бурение компенсационной скважины ∅ 65 мм глубиной 1,5 м различными коронками по породе средней крепости ƒ=10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, на которой обозначения типов коронок аналогичны фиг. 10, причем на фиг. 11 добавлены затраты времени бурения расширителем КРР-65 без учета времени, которое приходится тратить на извлечение его периодически отсоединившегося направляющего стержня из скважины после расширения каждых 2-х шпуров. На фиг. 12 показаны зависимости экспериментально определенной скорости износа на 1 погонный метр пробуренного компенсационного шпура ∅ 65 мм по породе средней крепости ƒ=10 различными коронками, на которой обозначения типов коронок аналогичны фиг. 10 и добавлена скорость износа расширителя КРР-65. На фиг. 13 показаны экспериментально определенные скорости бурения различными коронками по крепкой породе с коэффициентом крепости ƒ=17-18 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, на которой обозначения типов коронок аналогичны фиг. 11 и фиг. 12.
Способ бурения компенсационных скважин реализован следующим образом.
1. Разработана компьютерная 3-D модель предложенной коронки, фиг. 4-6. У этой коронки форма боковой поверхности расширяющей части задана подобной форме лепестков цветка лотоса. Своим внутренним конусом расширитель коронки виртуально насаживался на внешний конус буровой штанги для проведения экспериментов на компьютерной модели.
2. Задавались различные варианты пазов для выноса бурового шлама на расширяющей части коронки: закругленные пазы цилиндрообразующей поверхности радиусом r, треугольные пазы; трапецеидальные пазы. Компьютерным моделированием определена наилучшая форма пазов, при которой напряжение на поверхностях породоразрушаюших штырей расширителя максимально. Как видно из фиг. 8, эти закругленные пазы обеспечивают наибольшее напряжение на породоразрушающих штырях >45 МПа, при оптимальной величине радиуса r.
3. Проверена эффективность выноса шлама по методике, разработанной нами, зависящая от безразмерного параметра завихренности двухфазного потока (промывочная жидкость-шлам). Из фиг. 9 видно, что наилучшую эффективность выноса шлама обеспечивают закругленные пазы цилиндрообразующей поверхности, обеспечивающие самый высокий параметр завихренности потока - 0,4.
4. Выбран диапазон оптимальных радиусов R закругления боковой поверхности, подобной форме лепестков цветка лотоса, расширяющей части коронки по методике, аналогичной вышеописанной в п. 2 реализации способа. На фиг. 7 этот диапазон отмечен двойной стрелкой, в котором величина напряжений на породоразрушающих штырях расширяющей части коронки (график 1) максимальна и составляет 52-55 МПа, а величина напряжений в конусном сопряжении штанга-коронка (график 2) минимальна - 370-440 МПа. Это, с одной стороны, обеспечивает максимальную эффективность разрушения коронкой породы в скважине и, соответственно, производительность бурения. А с другой стороны - предотвращает разрушение (разрыв) корпуса расширяющей части коронки в районе нижней части ее внутреннего конуса, в которой для разработанной нами конструкции толщина корпуса коронки минимальна, фиг. 4 - вид по стрелке Б.
3
3
3
3
3
5. Теоретически рассчитана удельная энергия, которая необходима для разрушения 1 мм породы крепостью ƒ=10 по шкале М.М. Протодьяконова для штыревых коронок различных конструкций, фиг. 10: 1 - для штыревой коронки ∅ 64 мм (353 Дж/мм); 2 - для штыревой коронки ∅ 41 мм (81 Дж/мм); 3 - для предлагаемой комбинированной одностадийной коронки ∅ 65 мм, с опережающей коронкой меньшего диаметра и расширяющей частью, боковая поверхность которой подобна форме лепестков лотоса (92 Дж/мм); 4 - для предложенного расширителя ∅ 65 мм, боковая поверхность которого подобна форме лепестков лотоса (38 Дж/мм). Как видно из фиг. 10, предложенная одностадийная коронка с опережающей коронкой меньшего диаметра и расширяющей частью, боковая поверхность которой подобна форме лепестков цветка лотоса ∅ 65 мм (тип 3), имеет теоретически несущественно более высокую (примерно на 13-14%) удельную энергоемкость разрушения по сравнению со штыревой коронкой ∅ 41 мм (тип 2), для которой после бурения шпура еще требуется расширять скважину во второй стадии бурения. Самым эффективным для данной крепости породы является предложенный расширитель ∅ 65 мм, боковая поверхность которого подобна форме лепестков лотоса (тип 4), у которого удельная энергия разрушения породы более чем в 2 раза меньше, чем у штыревой коронки ∅ 41 мм (тип 2), применяемой для бурения врубовых, вспомогательных и контурных шпуров забоя.
6. Если вместо опережающей коронки меньшего диаметра применяется цилиндрический центратор или бывшая в употреблении коронка-центратор ∅ 40-42 мм, то волна напряжения, проходящая через корпус расширяющей части коронки и наружный конус в ее передней части для насадки, на несколько микрон увеличивает наружный размер этого конуса. Это увеличивает натяг конусного сопряжения, поэтому специальный цилиндрический центратор или бывшая в употреблении коронка-центратор никогда не отсоединяется от расширяющей части предложенной коронки, несмотря на то, что в этом случае они находится в предварительно пробуренном шпуре и не упираются в разрушаемую породу. В отличие от расширителя КРР-65 способа-прототипа, который отсоединяется примерно 1 раз на 2 расширенные скважины.
Опытные образцы предложенных коронок - одностадийная (тип 3) и расширитель (тип 4) были изготовлены и испытаны в производственных условиях на шахте им. Фрунзе ПАТ «Евраз Суха Балка» г. Кривой Рог при бурении породы средней крепости ƒ=10 по шкале проф. М.М. Протодьяконова по сравнению с коронкой-расширителем КРР-65 способа-прототипа. Как видно из фиг. 11, наименьшие затраты времени (11 мин) на бурение компенсационной скважины приходятся на предложенный расширитель (тип 4). Это вместе с бурением шпура коронкой ∅ 41 мм в первой стадии. У предложенной одностадийной коронки (тип 3) - 16 мин. Самые большие затраты времени приходятся на бурение расширителем КРР-65 способа-прототипа - 18 мин вместе со временем, затрачиваемым на бурение подготовительного шпура. Это без учета времени, которое приходится тратить на извлечение периодически отсоединяющегося направляющего стержня. Кроме того, из-за более низкой эффективности выноса шлама расширителя КРР-65, у которого треугольные пазы для выноса шлама (см. фиг. 3 и фиг. 9). При этом у него самая высокая скорость износа 2,3 г на 1 погонный метр пробуренной скважины, фиг. 12.
Таким образом, предложенный способ при бурении по породам средней крепости ƒ=10 увеличивает скорость бурения в среднем на 54,5% и снижает скорость износа предложенных коронки и расширителя в среднем на 45,5% по сравнению со способом-прототипом с расширителем КРР-65.
Испытания по крепким породам ƒ=18 проведены на шахте им. Ленина ПАТ «Криворожский железорудный комбинат». При одностадийном бурении компенсационного шпура предложенной комбинированной коронкой (тип 3, показанной на фиг. 6) и бурении в две стадии предложенным расширителем (тип 4), как видно из фиг. 13, в этих условиях скорость бурения, как в одну стадию комбинированной коронкой с опережающей коронкой меньшего диаметра, так и в две стадии, суммарная скорость бурения с учетом бурения опережающего шпура и расширения скважины с одностадийным способом одинакова - 0,134 м/мин. Это значит, что при бурении крепкой породы целесообразно применять одностадийный способ бурения компенсационной скважины. При этом для данной крепости породы с использованием способа-прототипа скорость разбуривания скважины в предварительно пробуренном шпуре ∅ 41 мм расширителем КРР-65 практически равна нулю, фиг. 13. Это происходит из-за несовершенной ступенчатой формы его корпуса и треугольных пазов для выноса шлама, а также лезвийной формы породоразрушающих элементов, на которых в этой связи напряжение на них для разрушения крепкой породы недостаточно.
Таким образом, предложенный способ бурения компенсационных скважин с использованием предложенной комбинированной одностадийной коронки имеет существенные преимущества по сравнению со способом- прототипом.