Text
                    Г.А.СОВЕТОВ Н.И.ЖАБИН
ОСНОВЫ БУРЕНИЯ И ГОРНОГО ДЕЛА
Содержание
Введение ..............................................................8
Раздел первый. БУРЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН.............................8
Глава 1. Общие сведения о бурении скважин.............................13
§ 1.	Скважина и ее элементы...........................................13
§ 2.	Способы разрушения горных пород при бурении......................16
§ 3.	Удаление продуктов разрушения при бурении........................17
§ 4.	Физико-механические свойства горных пород........................28
§ 5.	Отбор проб и образцов............................................32
Контрольные вопросы................................................35
Глава 2. Бурение неглубоких скважин без промывки......................35
§ 1.	Ручное вращательное бурение......................................36
§ 2.	Ударно-канатное бурение неглубоких скважин.......................38
§ 3.	Вращательное шнековое бурение....................................40
§ 4.	Вибрационное бурение.............................................45
§ 5.	Бурение скважин методом задавливания.............................50
§ 6.	Комбинированное бурение..........................................51
Контрольные вопросы................................................54
Глава 3. Ударно-механическое бурение..................................54
§ 1.	Общие сведения...................................................54
§ 2.	Инструмент для ударно-канатного механического бурения............55
§ 3.	Буровые установки для ударно-канатного механического бурения.....59
§ 4.	Технология ударно-канатного бурения..............................59
§ 5.	Геолого-техническая документация. Отбор проб горных пород........63
§ 6.	Меры безопасности при ударно-канатном бурении....................64
Контрольные вопросы................................................66
Глава 4. Колонковое бурение...........................................66
§ 1.	Общие сведения...................................................66
§ 2.	Технологический инструмент для колонкового бурения...............69
§ 3.	Вспомогательный инструмент для спуско-подъемных операций.........75
§ 4.	Буровые установки для колонкового бурения........................76
§ 5.	Буровые насосы...................................................86
§ 6.	Силовой привод буровых установок.................................90
§ 7.	Буровые вышки и мачты............................................93
§ 8.	Технология колонкового бурения...................................96
§ 9.	Бурение по полезному ископаемому................................112
§10.	Аварии и осложнения при бурении................................119
§ 11.	Контрольно-измерительная аппаратура............................129
§12.	Геолого-техническая документация...............................131
§13.	Мероприятия по охране труда и пожарной безопасности............132
Контрольные вопросы...............................................134
Глава 5. Роторное бурение и бурение забойными двигателями............134
§ 1.	Роторное бурение................................................135
§ 2.	Бурение турбобуром..............................................140
§ 3.	Бурение электробуром...........................................142
§ 4.	Меры безопасного ведения буровых работ.........................143
Контрольные вопросы..............................................144
Глава 6. Сверхглубокое и морское бурение............................144
§ 1.	Бурение сверхглубоких скважин..................................144
§ 2.	Оборудование и инструмент для сверхглубокого бурения...........147
§ 3.	Бурение в море и океане........................................149
§ 4.	Технические средства для морского бурения......................149
§ 5.	Охрана труда при бурении.......................................152
Контрольные вопросы..............................................153
Глава 7. Специальные работы в скважине..............................154
§ 1.	Искривление буровых скважин....................................154
§ 2.	Измерение искривления скважин..................................157
§ 3.	Направленное и многоствольное бурение..........................158
§ 4.	Тампонирование скважин.........................................160
§ 5.	Торпедирование скважин.........................................170
Контрольные вопросы..............................................171
Глава 8. Пути развития техники и методики бурения...................171
§ 1.	Перспективы развития техники и технологии бурения геологоразведочных скважин.............................................................171
§ 2.	Мероприятия по охране природы..................................174
Контрольные вопросы..............................................177
Раздел второй. ОСНОВЫ ГОРНОГО ДЕЛА..................................178
Глава 9. Горные работы и горные выработки...........................178
§ 1.	Виды горных работ..............................................178
§ 2.	Горные выработки...............................................180
§ 3.	Формы и размеры поперечных сечений горноразведочных выработок...185
§ 4.	Классификация горных пород.....................................186
§ 5.	Способы проведения горных выработок............................188
Контрольные вопросы..............................................189
Глава 10. Проведение разведочных горных выработок буровзрывным способом............................................................190
§ 1.	Сущность буровзрывного способа проведения горных выработок.....190
§ 2.	Технологический процесс проходческих работ.....................191
§ 3.	Бурильные машины и инструмент..................................195
§ 4.	Меры безопасности при проходке разведочных горных выработок с применением буровзрывных работ..................................................203
Контрольные вопросы..............................................205
Глава 11. Погрузка и транспортирование горной породы в разведочных выработках..........................................................205
§ 1.	Оборудование для погрузки горной породы в горизонтальных и наклонных выработках..........................................................206
§ 2.	Механизированная погрузка породы в вертикальных и наклонных выработках 210
§ 3.	Транспортирование породы при проведении подземных разведочных горных выработок. Подъем породы............................................211
§ 4.	Транспортирование породы на поверхности........................217
§ 5.	Меры безопасного ведения работ при погрузке и транспортировании породы.. 217
Контрольные вопросы..............................................219
Глава 12. Крепление горноразведочных выработок......................220
§ 1.	Напряженное состояние горных пород. Горное давление............220
§ 2.	Назначение крепления горных выработок. Горное давление в горизонтальных, наклонных и вертикальных выработках.................................221
§ 3.	Материалы для крепления горных выработок.......................224
§ 4.	Виды и конструкции рудничной крепи.............................227
§ 5.	Технология возведения крепи в горизонтальных, наклонных и вертикальных выработках..........................................................232
Контрольные вопросы..............................................237
Глава 13. Проведение подземных горноразведочных выработок...........237
§ 1.	Проведение разведочных шурфов и стволов шахт...................237
§ 2.	Проведение горизонтальных выработок............................254
§ 3.	Проведение наклонных выработок.................................262
§ 4.	Проведение подземных камер.....................................263
§ 5.	Проведение восстающих горных выработок.........................264
§ 6.	Меры безопасного ведения работ при проходке подземных разведочных горных выработок...........................................................266
Контрольные вопросы..............................................267
Глава 14. Проведение открытых горноразведочных выработок............268
§ 1.	Общие сведения.................................................268
§ 2.	Проведение разведочных канав экскаваторами и канавокопателями..270
§ 3.	Проведение разведочных канав бульдозерами и скреперами.........271
§ 4.	Меры безопасного ведения работ при проведении открытых разведочных выработок...........................................................278
Контрольные вопросы..............................................279
Глава 15. Вентиляция, освещение и водоотлив при проведении разведочных горных выработок........................................279
§ 1.	Состав рудничного воздуха......................................279
§ 2.	Проветривание горных выработок.................................283
§ 3.	Вентиляционное оборудование....................................286
§ 4.	Освещение разведочных горных выработок.........................287
§ 5.	Эксплуатация рудничных световых приборов.......................288
§ 6.	Притоки воды в разведочные горные выработки....................291
§ 7.	Способы и схемы водоотлива.....................................293
§ 8.	Оборудование для откачки воды из горных выработок..............295
§ 9.	Мероприятия по предупреждению проникновения вод с поверхности..297
Контрольные вопросы..............................................297
Раздел третий. ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ......................................298
Глава 16. Взрыв и его действие в горном массиве.....................298
§ 1.	Область применения взрывных работ..............................298
§ 2.	Общие сведения по теории взрыва...............................298
§ 3.	Взрывчатые вещества и их свойства.............................300
§ 4.	Действие заряда в горном массиве...............................306
Контрольные вопросы..............................................308
Глава 17. Взрывчатые вещества и средства инициирования.............309
§ 1.	Классификация взрывчатых веществ..............................309
§ 2.	Средства и способы инициирования зарядов ВВ...................320
§ 3.	Правила безопасного обращения с ВВ и СИ.......................330
Контрольные вопросы.............................................333
Глава 18. Технология взрывных работ................................333
§ 1.	Общие положения...............................................333
§ 2.	Технология огневого и электроогневого взрывания...............334
§ 3.	Технология электрического взрывания зарядов...................336
§ 4.	Технология взрывания зарядов детонирующим шнуром..............341
§ 5.	Правила безопасного ведения взрывных работ....................343
Контрольные вопросы..............................................346
Глава 19. Методы взрывных работ.....................................346
§ 1.	Шпуровой метод................................................346
§ 2.	Метод скважинных зарядов......................................349
§ 3.	Метод камерных зарядов........................................363
§ 4.	Метод наружных (накладных) зарядов............................355
§ 5.	Правила ведения взрывных работ................................356
Контрольные вопросы.............................................359
Глава 20. Хранение и транспортирование взрывчатых материалов........360
§ 1.	Склады взрывчатых материалов..................................360
§ 2.	Прием, отпуск и учет взрывчатых материалов....................362
§ 3.	Транспортирование взрывчатых материалов.......................362
§ 4.	Доставка ВМ к месту работы....................................365
Контрольные вопросы.............................................366
Глава 21. Испытание и уничтожение взрывчатых материалов............366
§ 1. Испытание взрывчатых материалов...............................366
§ 2. Уничтожение взрывчатых материалов.............................369
Контрольные вопросы.............................................370
Г.А.СОВЕТОВ Н.И.ЖАБИН
основы БУРЕНИЯ И ГОРНОГО ДЕЛА
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено
Министерством геологии СССР в качестве учебника для учащихся средних специальных учебных заведений по специальностям: 0801 — «Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»; 0802 — «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»; 0804 — «Гидрогеология и инженерная геология»
МОСКВА "НЕДРА”1991
ББК 33.13
С 56
УДК 622.24 (075)+622 233
Рецензент Старооскольский геологоразведочный техникум
Советов Г. А., Жабин Н. И.
С 56 Основы бурения и горного дела: Учеб, для техникумов.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1991 — 368 с.: ил.
ISBN 5-247-01624-6
Описаны способы бурения геологоразведочных скважин, конструкции буровых установок, технология бурения скважин и специальных работ в них, способы и технология проведения разведочных горных выработок Рассмотрены взрывные работы, взрывчатые вещества и средства взрывания Во втором издании (1 е изд. — 1980) особое внимание уделено новым установкам и станкам для бурения геологоразведочных скважин
Для студентов геологоразведочных техникумов, обучающихся по специальностям «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых», «Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» и «Гидрогеология и инженерная геология»
„2502010300—131
С043(01)—91	105—91
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Советов Геннадий Алексеевич
Жабин Николай Иванович
ОСНОВЫ БУРЕНИЯ И ГОРНОГО ДЕЛА
ББК 33.13
Заведующий редакцией И, Е. Игнатьева
Редактор издательства А И. Рогинская
Технические редакторы О. А Колотвина, М. П. Виноградова
Корректор М, В. Дроздова
И Б № 8321
Сдано в набор 23 11 90 Подписано в печать 25 03 91 Формат 60X907is Бумага книжно-журнальная Гарнитура Литературная Печать вызокая Усл печ л 23,0 Усл кр отт 23 0 Уч-изд л 24,12 Тираж 4260 экз Заказ 678/2356—4 Цена 1 р 20 к
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 125047, Москва, Тверская застава, 3.
Московская типография № 11 Государственного комитета СССР по печати.
113105, Москва, Нагатинская ул, д. 1.
ISBN 5-247-01624-6	© Издательство «Недра», 1980
© Г, А. Советов, Н. И. Жабин, 1991,
с изменениями и дополнениями
ВВЕДЕНИЕ
Значение горнодобывающей промышленности в развитии народного хозяйства нашей страны велико. Добыча руды, минерального топлива, сырья для химической промышленности, строительных материалов, минеральных удобрений и других полезных ископаемых обеспечивает технический прогресс в промышленности и сельском хозяйстве, укрепляет экономику и обороноспособность нашей страны, повышает благосостояние народа.
Для обеспечения потребностей народного хозяйства необходимо такое число разведанных месторождений различных полезных ископаемых, запасы которых могли бы на много лет вперед обеспечить быстро развивающиеся промышленность и сельское хозяйство.
Основная задача разведчиков недр — открытие месторождений для горной промышленности, определение количества и качества полезного ископаемого и изучение геологических и гидрогеологических условий его залегания. Разведочное бурение является важнейшим техническим средством поисков и разведки полезных ископаемых.
В комплексе геологоразведочных работ бурение скважин занимает ведущее место как по объему и качеству геологической информации, так и по количеству ассигнований, выделяемых на их сооружение. В настоящее время эти затраты составляют около 50% общего финансирования геологических изысканий в системе Министерства геологии СССР.
Выполнение задач, стоящих перед геологическими службами страны, зависит от организации геологоразведочных работ, состояния их технической оснащенности, совершенствования технологических процессов бурения, методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.
В СССР уделяется большое внимание развитию минерально-сырьевой базы нашей страны, повышению эффективности поисковых и разведочных работ на основе внедрения новых методов и технических средств. Состояние минерально-сырьевой базы, экономическая эффективность находятся в прямой зависимости от технической оснащенности геологоразведочных работ и уровня их организации.
Направления экономического и социального развития СССР предусматривают дальнейшее расширение минерально-сырьевой базы страны, повышение эффективности и качества подготовки к освоению разведанных запасов полезных ископаемых.
Планируется расширить сырьевую базу действующих горнодобывающих предприятий, уделить особое внимание поискам и разведке месторождений высококачественных руд для черной и цветной металлургии, сырья для производства минеральных удобрений и строительных материалов, ускорить внедрение прогрессивных методов поисков и разведки полезных ископаемых.
Возрастающие объемы потребления минерального сырья предопределяют рост геологоразведочных работ, общей целью которых является научно обоснованное, планомерное и экономически эффективное обеспечение народного хозяйства СССР разведанными запасами полезных ископаемых.
Геологоразведочные работы — сложный научно-технический процесс, в котором каждый вид работ имеет большое значение на различных стадиях геологических исследований. В ходе геологоразведочных работ изучают закономерности размещения полезных ископаемых, условия их образования, особенности строения, вещественный состав, а также условия залегания для геолого-экономической оценки и подготовки месторождений к промышленному освоению. По результатам геологоразведочных работ подсчитывают и утверждают запасы полезных ископаемых, производят качественную оценку их прогнозных ресурсов. Условия поисков и разведки месторождений постоянно усложняются, а работы удорожаются. Это связано с переходом на поиски скрытых, глубоко залегающих месторождений, а также месторождений с более низким качеством полезных ископаемых и сложными условиями их залегания.
Условия залегания полезных ископаемых в недрах земли, их качество и величина запасов, экономическая целесообразность эксплуатации месторождения определяются с помощью буровых скважин и горноразведочных выработок. Бурение скважины с целью познания и освоения земных недр — неотъемлемая часть геологических исследований. Разведочное бурение в комплексе геологоразведочных работ является ведущим как по объему и качеству геологической информации, так и по сумме ассигнований, выделяемых на их производство.
Буровые скважины служат для разведки и эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых, подземных пресных и минеральных вод. Месторождения углей, железных и марганцевых руд, многие месторождения цветных металлов разведывают с помощью буровых скважин почти без применения горных выработок. Полиметаллические месторождения и руды редких и благородных металлов обычно разведывают буровыми скважинами в сочетании с горноразведочными выработками. Буровые работы находят широкое применение не только при разведке месторождений полезных ископаемых. Для изучения условий залегания пород и их водоносности бурят
инженерно-геологические и гидрогеологические скважины. Скважины бурят также для водоснабжения, замораживания плывунов и водоносных песков, нагнетания цемента или гудрона при цементировании пористых пород, создания подземных нефте- и газохранилищ, для прокладки кабелей и воздуховодов, водоотлива, разработки месторождений полезных ископаемых.
На различных стадиях поисков и разведки месторождений полезных ископаемых на земной поверхности и в глубине недр проводят горные работы, являющиеся одним из основных технических методов изучения недр и разведки месторождений твердых полезных ископаемых.
Горные выработки проводят на различных этапах геологоразведочных работ. При геологических съемках проводят канавы для составления структурно-геологических карт и выявления перспективных планов на полезные ископаемые формаций. С помощью канав и шурфов в поверхностном слое массива устанавливают рудопроявления. На стадии предварительной разведки месторождений, имеющих выход на земную поверхность, с помощью горных выработок решают разнообразные геологические задачи. При детальной разведке месторождений цветных, редких и радиоактивных металлов масштабы использования горноразведочных выработок наиболее значительны и возрастают с повышением сложности и глубины залегания месторождений. На стадии эксплуатационной разведки с помощью горноразведочных выработок проводят геологоразведочные работы с целью прироста разведанных запасов. С помощью горноразведочных выработок оконтуривают запасы полезных ископаемых, заверяют и корректируют результаты буровой разведки, отбирают технологические пробы. Удельный вес разведки с помощью горных выработок в общем объеме геологоразведочных работ тем больше, чем сложнее геологические условия. Условия проведения горноразведочных работ характеризуются большим многообразием природных, горно-геологических особенностей. Специфика горноразведочных работ обусловлена разнохарактерностью их видов на одном объекте (канавы, шурфы, штольни и др.), разобщенностью объектов, небольшим сроком существования объектов, низкой концентрацией и непостоянством годовых объемов горных работ в партиях.
Производство горных работ связано со значительными затратами труда, энергии, времени и средств. Механизация проведения горных выработок и соответствующая организация работ обеспечивают их экономичность и безопасность, сокращают сроки разведки месторождений.
Основная цель горных работ — разработка месторождений полезных ископаемых. Под разработкой месторождения понимают совокупность производственных процессов, связанных с
эффективным извлечением полезных ископаемых из земные недр.
Месторождения полезных ископаемых могут разрабаты ваться двумя способами: 1) подземным — добычные работь ведут на определенной глубине от поверхности земли под тол щей пород; 2) открытым — работы ведут на поверхности зем ли с предварительным удалением пород, закрывающих место рождение.
Горные и буровые работы начали проводить еще в глубо кой древности. В Египте бурили скважины при строительства пирамид и для извлечения из недр земли соляных рассоло! еще 6000 лет назад. В Китае более 2000 лет назад бурение применяли для добычи рассолов поваренной соли. В Poccni с XII—XIII вв. буровые работы вели для добычи рассолов е бассейне рек Северной Двины и Камы. В XV—XVII вв. на Пермских соляных промыслах бурили скважины глубиной дс 100 м с использованием деревянных бурильных труб и креплением стенок скважины деревянными обсадными трубами. Первые скважины для извлечения на поверхность подземных вод были пробурены в XII в. в провинции Артуа (Франция). В 1876 г. в Москве на Яузском бульваре была пробурена скважина на воду глубиной 458 м с начальным диаметром 812 мм. С 1850 г. в России начали применять разведочное бурение на каменный уголь.
Первая скважина на нефть была пробурена ударным способом на Северном Кавказе в 1866 г.
С расширением области применения буровых работ совершенствуется технология их выполнения. В 1862 г. при проходке железнодорожного туннеля Мон-Сени в Альпах были использованы алмазы для бурения взрывных скважин.
Русский профессор С. Г. Войслав впервые разработал теорию алмазного бурения, усовершенствовал методику его ведения, сконструировал и предложил мелкоалмазную коронку.
С 1922—1923 гг. бурение глубоких скважин на нефть начали осуществлять вращательным способом. Широкое развитие в настоящее время получило бурение с использованием забойных двигателей. Еще в 1892 г. К. Г. Симченко предложил использовать для бурения турбобур, а в 1898 г. П. В. Балицкий предложил электробур. В 1923 г. советский ученый М. А. Капелюш-ников предложил редукторный турбобур. В 1936 г. группа советских ученых (П. П. Шумилов, Р. А. Иоаннесян, М. Т. Гусман, Э. И. Тагиев) разработала и внедрила в производство многоступенчатые безредукторные турбобуры, успешно применяемые и в настоящее время в нашей стране и за рубежом.
Развитие разведочного колонкового бурения в советское время связано в первую очередь с Курской магнитной анома
лией, где по указанию В. И. Ленина начались геологоразведочные работы.
С 1929 г., когда было освоено отечественное производство твердых сплавов, расширяется твердосплавное бурение на уголь, минеральные соли, марганцевые руды и т. д.
В 60-е годы началось бурное развитие алмазного бурения, вызвавшего настоящий переворот в технике и технологии разведочного бурения. В настоящее время СССР занимает ведущее место в области теории и практики гидроударного бурения. В СССР разработано и успешно применяется многозабойное и направленное бурение, бурение с продувкой, со съемными керноприемниками, с гидротранспортом керна и др.
В 1976 г. в СССР осуществлено автоматическое глубинное бурение на Луне с доставкой взятого грунта на Землю. В настоящее время успешно бурится сверхглубокая скважина СГ-3 на Кольском полуострове проектной глубиной 15 км.
Геологоразведочные работы начинаются с момента получения первых сведений о проявлении полезного ископаемого при геологической съемке и заканчиваются с его полной выемкой. В процессе исследований и освоения месторождения перед разведкой ставят задачи, которые определяют характер отдельных видов разведочных работ. К этим работам относят поиски и разведку полезных ископаемых. В поисковые работы включают открытие месторождения, определение его промышленного значения, выяснение технических и экономических условий будущей разведки, выбор метода разведки. Границей между поисками и разведкой считают момент обнаружения полезного ископаемого в конкретных геологических условиях. Задачами разведки являются определение формы рудного тела и границ промышленной его части, установление элементов залегания полезного ископаемого, качественная и количественная характеристика месторождения, характеристика вмещающих пород и др.
В основе геологических работ, связанных с поисками и разведкой месторождений полезных ископаемых, гидрогеологическими и инженерно-геологическими исследованиями, лежит изучение горных пород, слагающих определенный участок земной коры. В ходе геолого-поисковых и геологоразведочных работ широко используют искусственное обнажение горных пород и вскрытие их на различных глубинах от поверхности. Искусственные выемки в горных породах разделяют на буровые скважины и горные выработки. Все работы, связанные с разрушением и выемкой горных пород, подразделяют на буровые (при бурении скважин) и горные (при проходке горных выработок).
Раздел первый
БУРЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ СКВАЖИН
§ 1.	Скважина и ее элементы
Буровой скважиной называют цилиндрическую выработку в земной коре, имеющую большую протяженность при сравнительно малых размерах в поперечном сечении. Начало скважины называют устьем, дно скважины — забоем, боковые поверхности— стенками (рис. 1.1). Основные элементы, характеризующие скважину, — ее диаметр, глубина и направление. Диаметр скважины определяется наружным диаметром породоразрушающего инструмента. Глубина скважины — это расстояние от устья скважины до забоя. Диаметры буровых скважин колеблются от 26 до 1000—1500 мм. Скважины диаметрами 1000—1500 мм называют шурфами, а отверстия в земной коре еще большего диаметра — стволами шахт.
Глубины скважин зависят от назначения и условий залеганий полезных ископаемых и изменяются в широких пределах. При геологической съемке, поисках и разведке твердых полезных ископаемых скважины бурят на глубину от нескольких метров до 2000—3000 м.
При бурении на нефть и газ глубина скважин достигает 9000 м и более. Сверхглубокие скважины с целью изучения геологического строения земной коры бурят на глубину 12000— 18000 м.
Место расположения скважин может быть на поверхности земли, на реке, озере, море или в подземной горной выработке.
Скважины бурят под любым углом к горизонтальной поверхности. Направление скважин может быть от вертикального до горизонтального.
Положение скважин в земной коре определяется зенитным 0 и азимутальным а углами (рис. 1.2).
Зенитным углом 0 называется угол между осью скважины и вертикалью. Угол между осью скважины и горизонтальной плоскостью называется углом наклона скважины i. Азимутальным углом а называется угол, измеряемый по часовой стрелке в горизонтальной плоскости между определенным направлением, проходящим через ось скважины (например, на север), и проекцией оси скважины на горизонтальную плоскость.
Рис. 1.1. Элементы буровой скважины:
а, б — при бескерновом и колонковом бурении; 8 — элементы скважины; 1 — устье; 2— стенки скважины; 3 — забой; 4 — керн; 5 — стенки скважнны, закрепленные обсадными трубами; L — длина скважнны; D, D\, £>2» D3—диаметры ствола скважины
Рис. 1.2. Положение скважины в пространстве:
1 — устье; 2 — скважина; 3 — забой
По целевому назначению буровые скважины подразделяются на следующие:
1)	геологоразведочные — к ним относятся поисково-съемочные, разведочные, структурные, опорные, картировочные, инженерно-геологические, гидрогеологические и опробовательские;
2)	эксплуатационные — для вскрытия и разработки жидких, газообразных полезных ископаемых и минеральных солей;
3)	технические — проходятся с различными инженерными целями, например, для проведения взрывных работ.
Бурение скважин состоит из следующих основных рабочих процессов и вспомогательных операций:
1)	разрушения горной породы на забое скважины;
2)	удаления разрушенной породы с забоя и выноса ее на поверхность;
3)	закрепления неустойчивых стенок скважины;
4)	спуско-подъемных операций (СПО), производимых для замены изношенного породоразрушающего инструмента и взятия образцов пород.
Разрушение горных пород при бурении можно производить механическим или физическим способами. В настоящее время в основном бурят механическим способом с помощью различных породоразрушающих инструментов.
Удаление разрушенной породы с забоя и вынос ее на поверхность — необходимое условие процесса бурения. Существуют несколько способов транспортирования разрушенной породы с забоя скважины на поверхность. При бурении с использованием колонны пустотелых бурильных труб, на конце которой находится породоразрушающий инструмент, разрушенная порода удаляется промывкой или продувкой. Буровая мелочь (шлам) выносится из скважины струей промывочной жидкости (водой, буровым раствором), закачиваемой в скважину насосами, или воздухом, подаваемым в скважину от компрессора.
Частицы разрушенной породы удаляются также с помощью бурового или специального инструментов (буровой стакан, ложковый или спиральный бур, шнек, желонка), что определяется способом бурения.
Закрепление стенок скважины для предупреждения от обрушения при бурении в неустойчивых породах достигается путем:
1)	создания гидростатического давления промывочной жидкости, заполняющей скважину;
2)	образования плотной глинистой корки при промывке скважины глинистым раствором;
3)	установки в скважине колонны обсадных труб.
Скважины бурят установкой, которая представляет собой комплекс бурового и энергетического оборудования, а также наземных сооружений, служащих для бурения скважин.
В состав буровой установки входят буровой агрегат, размещаемый в буровом здании, и буровая вышка. Буровой агрегат включает в себя буровой станок, буровой насос и силовые приводы к ним, а также аппаратуру контроля и регулирования процесса бурения.
По транспортабельности буровые установки разделяются на стационарные, передвижные, самоходные и переносные.
Под сооружением геологоразведочной скважины понимают комплекс работ, включающий в себя следующие операции: подготовка к бурению, собственно бурение и поддержание скважины в устойчивом состоянии, проведение в ней необходимых исследований, ликвидация скважины или сдача ее в эксплуатацию.
§ 2.	Способы разрушения горных пород при бурении
Бурение скважин осуществляют с использованием механических способов разрушения, при которых порода на забое скважины разрушается путем резания, дробления, скалывания или истирания. Физические способы находятся в стадии изучения и экспериментирования или применяются в ограниченных объемах.
В зависимости от способа разрушения породы различают следующие виды механического бурения: ударное, ударно-поворотное, вращательное и ударно-вращательное. Сущность ударного бурения заключается в том, что тяжелый буровой снаряд с породоразрушающим инструментом на нижнем конце периодически поднимается на определенную высоту и сбрасывается на забой скважины. Вследствие удара инструмента по забою происходит дробление и скалывание породы. После каждого удара инструмент поворачивают на некоторый угол, что обеспечивает получение круглого сечения скважины. Буровой снаряд может спускаться в скважину на стальном канате или на колонне бурильных труб. Соответственно различают ударно-канатное и ударно-штанговое бурение. Преимущественное применение получило ударно-канатное бурение.
При инженерно-геологических изысканиях применяют задавливание (статическое зондирование) или забивание (динамическое зондирование) специальных инструментов (зондов) в мягкие породы.
К ударному способу относится также вибрационное бурение, при котором для разрушения породы используют механические колебания большой частоты, передаваемые породоразрушающему инструменту через бурильную колонну от вибрационной машины.
При вращательном бурении породоразрушающий инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью скважины, и одновременно с определенным усилием подается на забой. В результате непрерывного вращения и поступательного перемещения под влиянием постоянно действующей осевой нагрузки происходят последовательное скалывание или срезание частиц породы и углубление инструмента по винтовой линии.
По способу разработки забоя вращательное бурение скважин разделяется на бескерновое и колонковое. В первом случае породоразрушающим долотом разрушается порода по всему забою (см. рис. 1.1, а), во втором — выбуривается только кольцевой забой, а в центре скважины остается столбик (колонка) породы, называемый керном (см. рис. 1.1,6). Керн является хорошим геологическим образцом, поэтому колонковое бурение получило широкое распространение на поисковосъемочных, разведочных и картировочных работах.
Бескерновое бурение производится при проходке эксплуатационных скважин на нефть, газ и воду и на детальной разведке при бурении в породах, не содержащих полезного ископаемого. При бескерновом бурении используют лопастные, шарошечные и алмазные долота.
Колонковое бурение производится породоразрушающим инструментом кольцевой формы с применением в качестве породоразрушающих материалов в зависимости от твердости пород твердосплавных резцов, алмазных зерен и буровой дроби. Соответственно различают три вида колонкового бурения: твердосплавное, алмазное и дробовое.
При бурении неглубоких скважин в мягких породах применяют вращательное шнековое и медленновращательное бурение буровыми ложками и змеевиками.
При ударно-вращательном бурении по медленно вращающемуся породоразрушающему инструменту наносятся частые удары. В результате повышается эффект разрушения пород средней и высокой твердости. Ударно-вращательное бурение осуществляется с помощью забойных механизмов — гидро- и пневмоударников или скважинных вибраторов. Гидроударник или пневмоударник, находящийся над породоразрушающим инструментом, передает инструменту удары с частотой 900—3600 ударов в 1 мин. Скважинный вибратор, устанавливаемый над породоразрушающим инструментом, сообщает ему до 3000— 5000 ударов в 1 мин.
Из физических способов разрушения горных пород термическое (огневое) бурение получило широкое применение при проходке взрывных скважин в весьма твердых породах. При этом способе бурения струя газов с температурой 3000—3500°C направляется на забой из специальной горелки с соплами. Вследствие взаимодействия газовой струи, вылетающей из сопел со скоростью 2000 м/с и выше, в породе развиваются высокие термические напряжения, вызывающие разрушение породы.
Гидравлическое (гидромониторное) бурение применяется в мягких породах, которые подвергаются размыву струей жидкости, подаваемой на забой под большим давлением (до 20 МПа).
Классификация способов бурения горных пород приведена на рис. 1.3.
§ 3.	Удаление продуктов разрушения при бурении
В процессе бурения разрушенная порода должна удаляться с забоя на поверхность. В случае накапливания буровой мелочи (шлама) на забое скважины будет происходить переизмель-чение частиц породы, что приведет к лишним затратам энер-
Физическими способами
| Задавливанием |— | Вибрационное |»
Ударно-поворотное
Рис. 1.3. Классификация способов бурения
| Ударно-врацательное")
-I Канатное I
—[ Штанговое |
гии, быстрому износу породоразрушающего инструмента и снижению скорости углубления скважины.
Частицы разрушенной породы могут удаляться несколькими способами: механическим, гидравлическим, пневматическим и комбинированным.
Механический способ удаления разрушенной породы предусматривает транспортировку буровой мелочи с помощью бурового или специального инструмента (желонки, ложки, шнека). Вид инструмента определяется способом бурения.
При гидравлическом способе буровая мелочь удаляется потоком промывочной жидкости. Пневматический способ очистки скважины заключается в выносе продуктов разрушения потоком сжатого воздуха или газа.
Комбинированный способ предусматривает частичное удаление буровой мелочи потоком промывочной жидкости и полное удаление механическим способом — подъемом инструмента (желонки или шламовой трубы).
Способы удаления продуктов разрушения из скважины определяются в основном способами бурения и типами буримых пород.
Механический способ очистки скважины применяют при неглубоком бурении скважин медленновращательным способом в мягких и рыхлых породах и при ударно-канатном бурении.
При вращательном колонковом и роторном бурении применяют гидравлический и пневматический способы. При этих способах промывочная жидкость, воздух или газ охлаждают буровой инструмент, в результате чего повышается механическая скорость бурения.
При гидравлическом способе удаление продуктов разрушения осуществляют промывкой скважины. Промывочную жидкость непрерывно нагнетают насосом к забою, а движущийся восходящий поток подхватывает частицы разрушенной породы и выносит их на поверхность. Промывка при бурении скважин предназначена также для охлаждения породоразрушающего инструмента и закрепления неустойчивых стенок скважины. Существуют три схемы циркуляции промывочной жидкости в скважине: прямая, обратная и местная (призабойная). При прямой промывке жидкость подается насосом к забою скважины по бурильной колонне, омывает забой и поднимается по кольцевому зазору между стенками скважины и колонной бурильных труб, транспортируя на поверхность разрушенную породу (рис. 1.4, а). После выхода из скважины промывочную жидкость пропускают по системе желобов и отстойников для очистки ее от частиц породы. Очищенную промывочную жидкость нагнетают в скважину.
При обратной промывке промывочная жидкость подается в скважину по кольцевому зазору между колонной бурильных труб и стенками скважины и поднимается к поверхности вместе с разрушенной породой внутри бурильных труб (рис. 1.4,6). В этом случае устье скважины должно быть герметизировано и оборудовано специальным сальником, позволяющим колонне труб вращаться и иметь поступательное движение, но в то же время не пропускать жидкость.
В настоящее время при бурении в основном применяют прямую промывку, как наиболее простую и надежную при использовании насосов достаточной подачи. При обратной промывке в большинстве случаев обеспечиваются большая скорость восходящего потока и лучший вынос шлама, уменьшается число самозаклиниваний керна и улучшается его выход.
При бурении скважин для водоснабжения успешно применяют разновидность обратной промывки — всасывающую промывку. Сущность ее состоит в том, что промывочная жидкость самотеком поступает в скважину из отстойника и отсасывается из бурильных труб вместе с остатками разбурен-
a
Рис. 1.4. Схемы удаления продуктов разрушения забоя скважины:
а, б — прямая и обратная промывка скважины соответственно; в — комбинированная схема циркуляции промывочной жидкости; 1— насос; 2, 9—11— нагнетательные шланги; 3— сальник; 4 — бурильные трубы; 5 — породоразрушающий инструмент*. 6 — очистной желоб; 7 — отстойник; 8 — приемная емкость; 12 — уплотнитель
пой породы центробежным насосом или с помощью эрлифта. При использовании центробежных насосов скважина должна быть заполнена водой до устья, а применение эрлифта позволяет вести бурение в скважинах, в которых уровень жидкости расположен на некоторой глубине. Кроме прямой и обратной схем промывки, существует также комбинированная схема (рис. 1.4, в), в которой с помощью специальных конструкций буровых снарядов и погружных насосов в призабойной части скважины создается местная (призабойная) циркуляция промывочной жидкости в процессе бурения. При этом прямая промывка в призабойной части скважины преобразуется в обратную.
Виды буровых растворов. Промывочные жидкости могут обладать различными физико-механическими свойствами, которые
оказывают существенное влияние на весь процесс бурения и состояние скважины. Тот или иной тип промывочной жидкости должен обеспечивать максимальную механическую скорость бурения скважины, высокое качество и минимальную стоимость буровых работ в конкретных условиях бурения. Эти условия определяются физико-механическими свойствами горных пород, устойчивостью стенок скважины, способом бурения, типом породоразрушающего инструмента, пластовым давлением, температурой на забое скважины, состоянием скважины (наличием зон поглощения, водопроявлением), типом насоса. При бурении на твердые полезные ископаемые в качестве промывочных жидкостей используют техническую воду, глинистый раствор, растворы солей, эмульсионные промывочные жидкости, естественные промывочные растворы.
Самая дешевая промывочная жидкость при бурении разведочных скважин — вода. Она применяется при бурении скважин в устойчивых породах.
Наиболее распространенная промывочная жидкость — глинистый раствор. Он может применяться как в неосложненных условиях бурения, так и при бурении в малоустойчивых, разрушенных, пористых и сыпучих (рыхлых) породах. Глинистым раствором называется водная суспензия различных глин. Наилучшими для приготовления глинистых растворов являются бентонитовые глины, быстро набухающие и легко распускающиеся в воде. Для приготовления глинистых растворов могут применяться и другие типы глин: каолинит-монтмо-риллопитовые, каолинит-гидрослюдистые.
Качество глинистых растворов зависит от свойств основных составляющих их компонентов (глины и воды), а также от степени измельчения частиц глины. Одно из важнейших свойств глинистого раствора при бурении скважин — его застудневание в спокойном состоянии. Это обусловлено пластинчатой формой элементарных частиц глинистых минералов. При помещении в воду глина распускается на элементарные кристаллы-пластинки; вокруг каждой пластинки образуется гидратационная оболочка из молекул воды и ионное облако, создающее электростатические силы отталкивания между частицами глины. Это препятствует выпадению частиц в осадок. Гидратационные оболочки и силы отталкивания ослаблены или отсутствуют на торцовых поверхностях частиц. В состоянии покоя в глинистых растворах происходит слипание частиц по этим поверхностям, за счет чего образуется устойчивая пространственная сетчатая структура, называемая гелем. Из такого студнеобразного раствора долгое время не выпадают частицы шлама. При перемешивании раствора связи между частицами разрушаются и раствор становится жидким, легко протекающим по скважине и прокачиваемым насосом. Это свойство раствора разжижаться
при встряхивании и загустевать в неподвижном состоянии называется тиксотропией.
Важное свойство глинистых растворов — способность образования на стенках скважины тонкой и достаточно прочной корки глины, которая закрепляет стенки скважины в слабоустойчивых породах. При использовании глинистого раствора для неосложненных условий образуется корка толщиной 1—2 мм. Толщина ее может достигать 5—6 мм на больших глубинах скважины. Значительная толщина глинистой корки и ее липкость могут приводить к авариям (залипанию, прихватам, затяжке инструмента), образованию сальников.
Пригодность раствора для бурения в конкретных условиях определяется следующими основными параметрами его качества: плотностью, вязкостью, содержанием песка, стабильностью и водоотдачей.
Плотность р определяет величину гидростатического давления промывочной жидкости на забой и стенки скважины. Повышение гидростатического давления позволяет предупредить обрушение стенок скважины в неустойчивых породах. Вместе с этим при повышении гидростатического давления увеличивается уход промывочной жидкости из скважины по трещинам вскрытых ею пород. Плотность глинистого раствора для неосложненных условий составляет р= 1100-ь 1250 кг/м;.
Вязкость Т характеризует способность глинистого раствора выносить буровую мелочь с забоя и замазывать трещины в породах стенок скважины. Вязкость глинистого раствора зависит от качества исходных материалов, а также от концентрации и размера частиц глины. Чем меньше частицы глины и чем больше их в растворе, тем выше его вязкость. В практике буровых работ пользуются условной вязкостью глинистого раствора, определяемой временем истечения раствора объемом 500 см’’ через трубку с внутренним диаметром 5 мм. Бурение в неосложненных условиях ведется с применением глинистых растворов вязкостью 18—22 с. Для борьбы с потерей раствора в трещиноватых породах вязкость повышается до 50 с и более.
Содержание песка П в глинистом растворе характеризует качество глины и степень загрязненности раствора частицами разбуренной породы. С увеличением песка в растворе возрастает износ трущихся частей бурового насоса и бурильных труб. Во время прекращения циркуляции песок оседает на забой скважины и может прихватить буровой снаряд. В глинистом растворе для неосложненных условий содержание песка не должно превышать 4%.
Суточный отстой О, или количество воды и твердых частиц глины, выделившихся при отстое из раствора, характеризует способность мелких частиц оставаться продолжительное время во взвешенном состоянии при полном покое глинис
того раствора. Для глинистых растворов, применяемых в неосложненных условиях, суточный отстой составляет 3—4%.
Стабильность С (устойчивость) глинистого раствора —• это способность не расслаиваться в течение длительного времени и удерживать во взвешенном состоянии мелкие и твердые частицы глины. Показатель стабильности определяется разностью плотностей верхнего и нижнего слоев раствора после отстоя в течение 1 сут. Эта разница должна быть не более 20 кг/м3.
Водоотдача В характеризует способность глинистого раствора отфильтровывать воду в пористые породы, в результате чего происходит глинизация стенок скважины. При высокой водоотдаче раствора снижается качество глинизации и ухудшается устойчивость стенок скважины. За единицу измерения водоотдачи принимается количество воды (в см3), от-фильтровавшейся в течение 30 мин из 100 см3 глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм при давлении 0,1 МПа. Водоотдача для нормальных глинистых растворов должна составлять 25 см3/30 мин. Растворы для борьбы с прихватами и обвалами характеризуются водоотдачей 5—6 см3/30 МИН.
Параметры качества глинистого раствора контролируют как при приготовлении растворов, так и в полевых условиях в процессе их применения на буровых установках с целью замены, его очистки или обработки раствора реагентами.
В состав переносной лаборатории буровых растворов ЛБР-3 входят следующие приборы для определения свойств бурового раствора (рис. 1.5). Плотность определяют ареометром АБР-1, условную вязкость бурового раствора — вискозиметром ВБР-1, содержание песка в растворе — отстойником ОМ-2, стабильность раствора — цилиндром стабильности ЦС-2, для измерения водоотдачи применяют прибор ВМ-6.
Указанные приборы применяют для определения свойств любых растворов. При централизованном приготовлении буровых растворов измеряют статическое напряжение сдвига с помощью ротационного пластомера СНС-2.
Статическое напряжение сдвига характеризует прочность структуры глинистого раствора, т. е. его способность удерживать частицы шлама во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции.
Параметры растворов, приготовленных из недостаточно качественных глин, можно улучшить добавлением в них реагентов. Реагенты применяют также для придания растворам нужных свойств в осложненных условиях бурения.
Различают два вида химической обработки растворов: первичную и вторичную. При первичной обработке раствору придают свойства, необходимые для бурения в конкретных уело-
Рис. 1.5. Приборы для контроля промывочного раствора:
а — ареометр АБР-1: 1 — поплавок; 2— стакан; 3 — грузик; 4 — ведро; 5 — котелок; б — вискозиметр ВБР-1: / — сетка; 2 —воронка; <5 — трубка; 4 — мерная кружка; 5 — ковш; в — отстойник ОМ-2: / — крышка; 2— цилиндр; 3 — бюретка; г — цилиндр стабильности ЦС-2; д — прибор ВМ-6: / — плунжер; 2 — груз; 3 — напорный цилиндр; 4 — запорная игла; 5— стакан; 6 — прокладка; 7 — пробка; 8 — фильтровальная бумага; 9 — основание;. А — масло; Б — глнннстый раствор; е — ротационный пластомер СНС-2; / — стальная нить; 2 — лимб; 3 — цилиндр; 4 — электродвигатель; 5 — стакан
виях. При вторичной обработке восстанавливают свойства раствора, утраченные при бурении под влиянием растворимых пород, минерализованных вод и других факторов.
По характеру действия на буровые растворы химические реагенты разделяют на реагенты: стабилизаторы, структурооб-разователи, пептизаторы, коагуляторы, пенообразователи, пеногасители и эмульгаторы. Многие химические реагенты вы-лолняют одновременно несколько функций.
Реагент ы-с т абил изатор ы регулируют заряд частиц и гидратацию и способствуют понижению водоотдачи и снижению вязкости бурового раствора. Наиболее часто применяют следующие реагент ы-понизител и водоотдачи: углещелочной реагент (УЩР), порошкообразный углещелочной реагент (ПУЩР), торфощелочной реагент (ТЩР), конденсированную сульфит-спиртовую барду (КССБ), карбоксиметилцел-люлозу (КМЦ), кальцинированную соду (Na2CO3), тринатрийфосфат (ЫазРОд), гидролизованный полиакрилонитрил, гидролизованный полиакриламид. Наиболее распространенные реагенты, используемые в качестве понизителей вязкости буровых растворов, — сульфат-спиртовая барда (ССБ), УЩР и полифенол лесохимический.
Для повышения структурно-механических свойств буровых растворов применяют реагент ы-с труктурообразова-тели: жидкое стекло (Na2O-л • SiO2), кальцинированную соду, поваренную соль, измельченный асбест.
В качестве р е а г е н т о в-п е п т и з а т о р о в, вызывающих распад слипшихся комочков твердой фазы в растворе, применяют каустическую соду (NaOH), кальцинированную соду, УЩР.
Широко используют для обработки буровых растворов п о-в е р х н о с т н о-a к т и в н ы е вещества (ПАВ). Растворенные в жидкости ПАВ обладают способностью концентрироваться на поверхности раздела фаз, образуя на контакте с другой несмешивающейся жидкостью, твердым телом или газом тонкие адсорбционные слои, повышающие смачивающую способность и активно изменяющие характер взаимодействия между фазами раствора. ПАВ влияют на качество обрабатываемых глинистых и других растворов при введении в очень малых количествах, составляющих доли процента.
Специальные промывочные жидкости имеют целенаправленное назначение. К ним относятся солевые, меловые, эмульсионные, аэрированные, утяжеленные, полимерные буровые растворы и растворы на нефтяной основе.
Растворы солей применяют в качестве промывочной жидкости при проходке соляных отложений, многолетнемерзлых пород и сильноминерализованных толщ пород.
Меловые растворы, обработанные химическими реагентами, целесообразно использовать при бурении водорастворимых неглинистых отложений при вскрытии минерализованных подземных вод.
Эмульсионные промывочные жидкости получают большое распространение. При алмазном бурении применение эмульсионных растворов уменьшает вибрацию бурильной колонны, препятствует самозаклиниванию керна, снижает затраты мощности и повышает производительность. Используют водные растворы поверхностно-активных веществ и водо-масленные эмульсии, активизированные ПАВ. В промывочную жидкость (техническую воду) вводят 0,4—2% ПАВ в зависимости от минерализации воды, применяемой для промывки. Эмульсионные глинистые растворы используют при бурении глубоких скважин для ликвидации явления «залипания» инструмента.
Аэрированные (насыщенные воздухом, вспененные) растворы применяют для борьбы с поглощениями. Они обладают повышенной очистной и несущей способностью.
Ингибированные растворы применяют для предотвращения осыпей и обвалов стенок скважины в глинистых породах. Ингибирование заключается в добавлении к промывочной жидкости веществ, содержащих ионы кальция (известь, хлористый кальций), в присутствии реагентов-стабилизаторов.
Утяжеленные глинистые растворы применяют для борьбы с выбросами и обвалами скважин. Основная мера борьбы с обвалами'—использование растворов с минимальной водоотдачей и повышенной плотностью. Плотность глинистого раствора может быть увеличена за счет добавления утяжелителей— тонко размолотых порошков минералов с повышенной плотностью. В качестве утяжелителей применяют барит, магнетит и гематит плотностью 3600—4200, 4200—4750 и 4300— 4500 кг/м3 соответственно. Необходимая масса сухого утяжелителя (кг) для получения бурового раствора требуемой плотности вычисляется по формуле
Ру (Ру. Р — Рб.р) у
Ру Рб. р
(1-1)
где ру, ру.р, рб.Р — плотности соответственно утяжелителя, утяжеленного раствора, исходного бурового раствора, кг/м3; V— объем утяжеленного раствора, м3.
Промывочные жидкости на полимерной основе применяют для алмазного бурения. Малоглинистые полимеры —; бентонитовые промывочные жидкости (ПБР) содержат 1,5—5% глины и 0,2—0,3% высокомолекулярных соединений (полиакриламида ПАА).
В одногип ан о в ы й раствор (гипан — гидролизованный полиакрилонитрил) хорошо зарекомендовал себя при вскрытии водоносного горизонта, представленного песками.
Растворы на нефтяной основе (PH О) применяют при вскрытии продуктивных горизонтов для повышения теплоотдачи, а также при бурении в особо неустойчивых глинистых соленосных отложениях. Их изготовляют из дизельного топлива и известково-битумного порошка.
Естественные буровые растворы получают непосредственно в скважине при промывке водой, которая насыщается частицами разбуренной породы. В зависимости от буримых пород различают глинистые, карбонатные (на основе известняков, доломитов), сульфатные (на базе гипса, ангидрита), карбонатно-глинистые, аргиллитовые (при бурении по аргиллитам) естественные растворы. Неглинистые естественные жидкости представляют собой грубые суспензии и для придания им необходимых свойств требуется химическая обработка (добавка ПАВ и структурообразователей).
При работе с химическими реагентами следует учитывать, что некоторые из них оказывают вредное действие на организм человека. При работе с химическими реагентами, особенно с каустической и кальцинированной содой, жидким стеклом, негашеной известью, необходимо пользоваться защитными очками, резиновыми перчатками и обувью, прорезиненным фартуком.
Существуют два основных способа приготовления глинистого раствора: механический и гидравлический. При механическом способе приготовления применяют глиномешалки — горизонтальные и вертикальные, одно- и двухвальные. Горизонтальная глиномешалка представляет собой барабан, внутри которого вращается вал, снабженный лопатками для перемешивания глины с водой. В верхней части барабана размещен люк для загрузки глины и заливки воды, а в нижней — сливной кран. Широко применяют также фрезерно-струйные мельницы (ФСМ).
Приготовление глинистых растворов в механических глиномешалках можно производить периодически или непрерывно. При периодическом способе в глиномешалку заливают воду на Vs—'/з ее объема, включают привод и через верхний люк постепенно загружают глину. При необходимости обработки раствора химическими реагентами их вводят в глиномешалку перед загрузкой глины.
Глинистый раствор можно приготовлять гидравлическим способом в специальных гидравлических мешалках или гидромониторами. Непосредственно в карьере, в котором берут глину, струей воды, выбрасываемой из гидромонитора или брандспойта под большим давлением, размывают глину. Вода,
обогащенная глиной, направляется в емкость, откуда она засасывается насосом, и вновь выбрасывается из брандспойта до тех пор, пока не образуется глинистый раствор требуемой концентрации.
Глинистый раствор по мере выхода из скважины очищается от частиц породы и вторично нагнетается в скважину. Проходя через систему желобов, отстойники и отстойные баки, глинистый раствор очищается от бурового шлама. Желоба и отстойники должны регулярно очищаться от осажденного шлама. При использовании сит раствор поступает на сетку, фильтруется через нее, сливается в желоб и направляется в приемный резервуар. Сита бывают вибрационные и конвейерные.
Продукты разрушения можно удалять с забоя скважины продувкой сжатым воздухом или газом. В определенных геологических условиях продувка сжатым воздухом целесообразнее промывки, например, при бурении в льдистых мерзлых породах, которые при промывке могут оттаивать и оползать; в породах, которые впитывают воду и от этого набухают; в устойчивых породах при отсутствии водопритоков. В скважинах, где наблюдаются значительные водопритоки, бурение с продувкой нецелесообразно. Для бурения с продувкой скважин сжатым воздухом применяют передвижные компрессорные станции с подачей от 5 до 12 м3/мин, развивающие давление до 0,8 МПа. Чем выше давление сжатого воздуха, тем глубже можно бурить скважину, даже при наличии водопритоков.
Для отделения шлама от потока воздуха и сбора шлама используют шламоуловители циклонного типа. Циклонное устройство позволяет улавливать не только крупные частицы породы, но и мелкую пыль, которая ухудшает санитарно-гигие-ничеокие условия труда бурильщиков.
§ 4.	Физико-механические свойства горных пород
Горные породы, в которых бурят скважины, состоят из минеральных частиц, связанных между собой силами молекулярного сцепления или цементирующим материалом.
В зависимости от физико-механических свойств горных пород выбирают способ их разрушения, тип и режим работы породоразрушающего инструмента, а также от способа крепления стенок скважины. Основные физико-механические свойства пород определяются комплексом геологических признаков — минералогическим составом, структурой и текстурой — и зависят от свойства основного минерального вещества, величины зерен, пористости и трещиноватости. Основные свойства, влияющие на процесс бурения, следующие: твердость, прочность, абразивность, упругость, пластичность, хрупкость, трещиноватость.
Твердость — свойство твердого тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, не получающего остаточных деформаций. Различают агрегатную твердость горных пород и твердость отдельных минералов, слагающих породу. Агрегатная твердость породы зависит от твердости слагающих ее минеральных зерен, прочности цементирующего вещества и плотности горной породы. Агрегатная твердость породы влияет на механическую скорость бурения.
Прочностью твердого материала (породы) называется его способность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Чем выше пределы прочности породы, тем больше энергии расходуется на ее разрушение. Механическую прочность пород определяют на сжатие, скалывание и разрыв. Прочность горной породы зависит от скорости приложения нагрузки. В пределах 2—5 м/с показатель прочности изменяется незначительно. При больших значениях скоростей прочность и удельная работа разрушения растут. Для ударного и вращательного бурения большое значение имеет прочность при динамических нагрузках. Динамическую прочность /;д горных пород определяют с помощью прибора ПОК-1.
Абразивностью породы называется способность изнашивать в результате трения разрушающий ее инструмент. Абразивность горных пород в значительной степени зависит от твердости породообразующих минералов: чем тверже минералы, тем больше абразивность породы. Особенно большой абразивностью обладают песчаники с кварцевыми зернами угловатой формы, сцементированными менее твердым цементом. Абразивность горных пород определяют по методу износа свинцовых шариков раздробленной породой на приборе ПОАП-2М. Абразивность характеризуют коэффициентом абразивности /СабР.
Упругость — свойство пород изменять свою форму и объем под действием внешней нагрузки и восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия. Все твердые породы в большей или меньшей степени обладают упругими свойствами.
Пластичность — свойство пород необратимо деформироваться от действия внешних сил или внутренних напряжений, т. е. претерпевать пластическую (остаточную) деформацию без нарушений сплошности материала. Наибольшей пластичностью обладают осадочные породы (карбонатные, сульфатные), минимальная пластичность проявляется в метаморфических и изверженных породах.
Хрупкость — свойство пород разрушаться без заметной пластической деформации. Большинство скальных пород при обычных условиях деформаций относится к хрупким телам.
Трещиноватость — совокупность трещин в массиве горных пород. Трещины могут быть различного происхождения. Тре
щиноватость понижает сопротивляемость пород механическим воздействиям и облегчает отбойку их от массива.
В зависимости от механических свойств, практически влияющих на выбор способа и технологию бурения, горные породы разделяются на скальные, связные и несвязные (сыпучие).
Скальные породы характеризуются наличием между частицами значительных сил сцепления, которые после разрушения породы не восстанавливаются.
Скальные породы разделяются на хрупкие и пластичные. Хрупкие породы разрушаются при достижении предела упругости. Разрушению пластичных пород предшествуют не только упругие, но и остаточные вязкопластические деформации. На разрушение пластичных пород затрачивают больше работы, чем на разрушение хрупких.
Скальные породы бывают монолитными и трещиноватыми. Стенки скважин, пройденных в скальных породах, устойчивы, за исключением случаев пересечения сильно раздробленных участков.
Связные породы отличаются тем, что силы сцепления между частицами этих пород могут сильно изменяться в зависимости от влажности и восстанавливаться после нарушения связности путем применения высокого давления и увлажнения. Связные породы дают большие остаточные деформации без нарушения связности. Некоторые связные породы увеличиваются в объеме при увлажнении (глинистые породы, мел). Стенки скважин в связных породах сравнительно устойчивы, но могут выпучиваться и оползать.
Несвязные (сыпучие) породы представляют собой скопления несвязных или слабо связных между собой частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька, щебень). Бурят в подобных породах обычно с одновременным креплением стенок скважины обсадными трубами или другими способами.
Одно из важных свойств горных пород —у стой ч ив ость. Это свойство зависит от прочности связей между слагающими их частицами, от степени трещиноватости и выветрелости. Устойчивость пород в стенках скважин — это способность пород не обрушаться при обнажении их буровыми скважинами. По устойчивости породы разделяют на четыре группы.
1.	Устойчивые породы высокой или средней твердости, имеющие прочную связь между слагающими их зернами. Породы этой группы монолитны или слаботрещиноваты, не размываются промывочной жидкостью. При их бурении не требуется крепление стенок скважины. Столбик керна, используемый для опробования, хорошо сохраняется.
2.	Слабоустойчивые породы невысокой твердости с недостаточно прочной связью между зернами, а также трещиноватые,
раздробленные и сбрекчированные породы. При бурении таких пород необходимы меры против потери промывочной жидкости, вывалов породы из стенок скважины, истирания и размывания керна.
3.	Породы с изменяющейся устойчивостью — плотные, невысокой прочности породы, легко растворяющиеся или размываемые промывочной жидкостью (глинистые породы, каменная соль). Бурение таких пород сопровождается образованием каверн в стенках скважины и сложностью сохранения керна.
4.	Неустойчивые породы, не имеющие связи между зернами (песок, гравий, галечник). Бурение таких пород, особенно обводненных, наиболее сложно.
Горные породы характеризуются также крепостью и буримостью. Крепостью горной породы принято характеризовать ее сопротивляемость разрушению. Крепость горной породы представляет собой комплексную характеристику породы, которая определяется ее физико-механическими свойствами, оказывающими влияние на процесс разрушения при бурении. Крепость породы — величина постоянная, не зависящая от способа бурения.
Буримостью называется углубление скважины по определенной горной породе за единицу времени чистого бурения. Буримость измеряется в м/ч, см/мин, мм/мин. Буримость зависит от физико-механических свойств буримой породы. Чем крепче порода, тем она труднее разрушается и ниже ее буримость. Буримость породы зависит также от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента и параметров режима бурения. Буримость породы характеризуется следующими показателями: механической скоростью бурения, величиной проходки до допустимого износа породоразрушающего инструмента, затратами времени на проходку 1 м скважины. Буримость пород устанавливают опытным путем для определенных горных пород и породоразрушающих инструментов при рациональных режимах бурения. Так как при разных способах бурения механизм разрушения горных пород различен, то и буримость одной и той же породы при различных способах бурения будет неодинакова. Показатель буримости — очень важная величина, так как по буримости пород планируют и нормируют буровые работы.
В основу классификации пород по буримости положена зависимость фактической буримости пород от их петрографической характеристики, определенная путем большого числа фото-хронометражных наблюдений. Для проектирования и нормирования бурения существуют следующие классификации:
1)	для вращательного механического бурения с двенадцатью категориями пород по буримости;
2)	для вращательного бурения шнеками с шестью категориями;
3)	для ударного механического бурения (исключая разведку россыпных месторождений) с семью категориями;
4)	для ударного механического бурения при разведке россыпных месторождений с шестью категориями;
5)	для ручного вращательного бурения с пятью категориями.
По классификации Министерства геологии СССР для вращательного бурения горные породы разделены на 12 категорий но буримости. Критерием отнесения породы к той или иной категории буримости является величина углубления скважины за 1 ч чистого времени бурения при определенных условиях (тип и диаметр буровой коронки, глубина скважины). При отклонениях от установленных условий вводят поправочные коэффициенты. В табл. 1.1 приведена в сокращенном виде классификация пород по буримости для вращательного механического бурения и одновременно указаны примерные механические свойства пород — коэффициент крепости по М. М. Протодьяко-нову и скорость бурения.
В соответствии с ОСТ 41-89—74 «Породы горные. Методы контрольного определения категорий пород по буримости для вращательного бурения» категорию пород по буримости устанавливают по объединенному показателю рм, учитывающему динамическую прочность Кд и абразивность породы /Сабр. Согласно ОСТ 41-89—74 рекомендуют по показателю рм определять категорию буримости от V до XII. Объединенный показатель вычисляют по формуле
Рм = ЗКд^Кабр.	(1.2)
§ 5. Отбор проб и образцов
Образцы горных пород, полученные при бурении, используют для большого комплекса исследований. По образцам определяют петрографические и фациально-литографические характеристики, возрастные признаки пород, глубину и элементы залегания отдельных толщ и слоев, геолого-минералогические факторы, вещественный состав руд, количество и качество заключенных в рудах полезных компонентов, технологические и физико-механические свойства пород.
Основное условие для изучения образцов при колонковом бурении — получение необходимого количества кернового материала (керна) и его представительность. Для практических целей размер и массу пробы устанавливают главным образом в зависимости от вида опробования и характера распределения полезных компонентов. Минимально допустимые диаметры кер-
Таблица 11
Классификация горных пород по буримости для вращательного механического бурения и примерные механические свойства пород
Категория пород по буримости	Наиболее характерные породы	Коэффициент крепости по М М Протодьяконе-ву f	Объединенный показатель рм	Механическая скорое 1Ь бурения, м ч
I	Торф, лесс, слабый мел, песок и супеси без гальки и щебня	0,3—1	—	23,0—30,0
II	Торф, растительный слой Песок плотный, глина средней плотности Суглинок плотный, мергель, мел, плывун безна порный	1—2		11,0—15,0
III	Слабо сцементированные пес чаинки Мергель Известняк ракушечник Плотная глина Пес чано глинистые грунты с со держанием мелкой гальки свыше 20 % Плывун напорный	2—4	2—3	5,7—10,0
IV	Сланцы глинистые, песчано-глинистые, углистые, серицитовые Слабые песчаники Плотные мергели Неплотные известняки и доломиты Сильно выветре лые	дуниты, перидотит ы, змеевики	4—6	3—4,5	3,5—5,0
V	Галечно щебенистые грунты Сланцы хлоритовые, серицитовые, слюдяные Филлиты Ар гиллиты Известняки, мраморы, мергелистые доломиты Дуни ты, затронутые выветриванием	6-7	4,5—6,8	2,5—3,5
VI	Сланцы глинистые, кварцево хлоритовые Полевошпатовые песчаники Конгломераты осадочных пород на известняко вом пементе, Апатиты, Сидери ты	7—8	6,8—10,1	1,5—2,5
VII	Сланцы	роговообманковые, хлоритороговообманковые, скварцеванные	известняки Крупнозернистые диориты, габбро Конгломераты с галькой (до 50%) изверженных пород	8—10	10,1—15,2	1,9—2
VIII	Песчаники кварцевые. Сланцы окремненные, гранатовые скарны Диабазы Гнейсы	11—14	15,2—22,8	1,5—1,9
IX	Крупнозернистые граниты, сиениты Сильно окремненные известняки. Конгломераты изверженных пород Базальты. Пегматиты	14—16	22,8—34,2	0,75—1,2
X	Граниты, гранодиориты, липариты Окремненные скарны.	16—18	34,2—51,2	0,5—0,75
Продолжение табл. 1.1
Категория пород по буримости	Наиболее характерные породы	Коэффициент крепости по М. М. Протодьяконе-ву f	Объединенный показатель рм	Механическая скорость бурения, м/ч
XI хп	Жильный кварц. Валунно-галечные отложения изверженных пород Кварциты, джеспилиты. Железистые роговики Монолитно-сливные кварциты, роговики, корундовые породы	18—20 >20—25	76,8—51,2 76,8	0,3—0,5 0,15—0,20
на устанавливаются в зависимости от типов рудных месторождений и составляют 22—60 мм.
Количество керна обусловлено не только его диаметром, но и выходом. Выход керна (%) устанавливают отношением длины извлеченного керна к длине пробуренного интервала. В случаях, когда определение длины керна затруднено, применяют массовый или объемный способ определения выхода керна (%). Для большинства полезных ископаемых плановый выход керна устанавливают не ниже 70—80%. Выход керна повышается при использовании специальных технических средств бурения.
Для повышения качества опробования в случаях низкого выхода керна при избирательном истирании керна и бескерно-вом бурении скважин отбирают пробы шлама.
Образцы жидких и газообразных полезных ископаемых отбирают на поверхности (путем откачки или в процессе естественного выхода) или непосредственно в скважине различными пробоотборниками.
При пересечении скважиной толщи полезного ископаемого или других участков разрезов, подлежащих исследованию, 100%-ный выход керна можно получить только в абсолютно устойчивых монолитных породах. В большинстве случаев часть керна в процессе бурения разрушается. В процессе бурения керн подвергается воздействию промывочной жидкости и избирательному истиранию. Некоторые породы размываются промывочной жидкостью или растворяются в ней.
По трудности отбора керна горные породы по классификации Министерства геологии СССР делят на четыре группы.
Первая группа — породы и полезные ископаемые, практически не разрушаемые промывочной жидкостью и вибрациями снаряда, монолитные и слаботрощиноватые. К этой группе относятся породы в высшей степени твердые, средней и малой твердости (IV—XII категорий по буримости).
Вторая группа — породы и полезные ископаемые, разруша зощиеся промывочной жидкостью и вибрациями снаряда. Породы могут быть сильнотрещиноватыми и перемежающимися по твердости. К этой группе относятся породы средней и малой твердости и мягкие (VII—III категорий по буримости).
Третья группа — легкорастворимые, а также многолетнемерзлые породы. К этой группе относятся породы малой твердости (IV и V категорий по буримости).
Четвертая группа — породы и полезные ископаемые, размываемые промывочной жидкостью. К этой группе относятся породы рыхлые и сыпучие (II и I категорий по буримости).
В породах первой группы обычно не требуется применять какие-либо меры для повышения выхода керна, для остальных групп эти меры необходимы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие элементы скважин характеризуют ее положение в земной коре?
2.	Какие виды скважин вы знаете?
3.	Из каких операций складывается процесс бурения скважины?
4.	Какие способы разрушения горных пород при бурении применяют в настоящее время?
5.	С какой целью производят колонковое бурение скважин?
6.	Какие виды буровых установок вы знаете? Что входит в состав буровой установки?
7.	Назовите способы удаления продуктов разрушения забоя скважины при ее бурении.
8.	Какие схемы циркуляции промывочной жидкости в скважине применяют в настоящее время?
9.	Какие промывочные жидкости применяют для промывки скважин? Приведите основные параметры качества глинистого раствора.
10.	Какие физико-механические свойства горных пород влияют на процесс бурения?
11.	Что такое буримость горных пород? Приведите классификацию горных пород по буримости.
12.	С какой целью производят отбор проб и образцов горных пород?
Глава 2
БУРЕНИЕ НЕГЛУБОКИХ СКВАЖИН БЕЗ ПРОМЫВКИ
При проведении геолого-поисковых работ, поисках руд цветных и редких металлов, разведке строительных материалов, сейсмической разведке, инженерно-геологических изысканиях получили распространение неглубокие (не более 50— 100 м) скважины. Диаметры скважин определяются целевым назначением работ, необходимой массой пробы, требованиями к сохранности структуры и текстуры извлекаемых проб и необходимостью применения обсадных труб.
При инженерно-геологических исследованиях бурят скважины диаметром 26—200 мм, при разведке химического сырья и строительных материалов — диаметром 93—200 мм, при разведке россыпных месторождений золота и платины — диаметром 150—200 мм, при гидрогеологическом бурении — диаметром 194—600 мм.
Породы, залегающие неглубоко от поверхности, разнообразны по механическим свойствам. Поэтому для проходки неглубоких скважин применяют различные типы буровых станков, отличающихся способом разрушения породы и технологией бурения. Специфичным для бурения неглубоких скважин является преобладание пород со слабыми внутренними связями, необходимость в ряде случаев крепления стенок скважины трубами одновременно с бурением и отбор проб грунта с ненарушенной структурой. При таких условиях оказывается целесообразным применять способы бурения, не требующие использования циркулирующей промывочной жидкости в качестве средства для выноса разрушенной породы.
Неглубокие скважины можно бурить ручным способом. В настоящее время бурение неглубоких скважин механизировано.
В зависимости от физико-механических свойств буримых пород, целевого назначения скважин, их глубины и диаметра применяют следующие способы механизированного бурения неглубоких скважин: 1) ударно-канатное, 2) вращательное, 3) вибрационное, 4) задавливанием, 5) комбинированное.
§ 1. Ручное вращательное бурение
Ручное бурение, при котором все операции выполняют вручную, применяют в труднодоступных районах для проходки одиночных или небольшого числа неглубоких скважин в мягких осадочных породах. Этот вид бурения используют для проходки геологосъемочных, геологоразведочных и инженерногеологических скважин глубиной до 20—25 м и диаметром от 26 до 200 мм.
В состав комплекта для ручного бурения входят буровой породоразрушающий инструмент, бурильные и обсадные трубы и их принадлежности, буровая вышка, балансир и инструмент для ликвидации аварий.
В качестве породоразрушающего инструмента при ручном медленновращательном бурении применяют спиральные или ложковые буры (рис. 2.1, а и б соответственно). Спиральный бур (змеевик) применяют для бурения мягких пластичных пород (глины, суглинки, мел), хорошо удерживающихся на витках бура. Ложковый бур используют для бурения мягких невязких пород (пески, супеси, суглинки).
Фис. 2.1. Породоразрушающий инструмент для ручного вращательного бурения
Рис. 2.2. Схема установки для ручного бурения:
1— породоразрушающий инструмент; 2, 3 — бурильные и обсадные трубы; 4, 9 — трубный и шарнирный хомуты, 5 — фарштуль; 6 — вышка; 7 — блок; 8 — канат; 10 — лебедка
При вращении бура с одновременной нагрузкой на забой ковшеобразное лезвие бура погружается в породу и срезает ее по всей площади забоя.
Вращательным способом бурят скважины в мягких породах (супесях, суглинках, лёссе, глинах, мягком меле). Породоразрушающий инструмент (спиральный или ложковый бур), соединенный через переходник с бурильными трубами, спускают в скважину и приводят во вращение с помощью поворотного хомута, закрепленного на трубах над устьем скважины. Под действием осевой нагрузки породоразрушающий инструмент погружается в породу и заполняется ею. После заполнения бура его извлекают из скважины, освобождают от породы и вновь опускают в скважину для продолжения бурения. Спуск в скважину и подъем инструмента выполняют с помощью лебедки, установленной на вышке. Схема установки для ручного бурения приведена на рис. 2.2. Шарнирный (поворотный) хомут в исходном положении располагают от поверхности земли на высоте 1,5 м. При свинчивании и развинчивании частей бурового снаряда используют инструментальные ключи и подкладную вилку.
§ 2. Ударно-канатное бурение неглубоких скважин
Ударно-канатное механическое бурение используют при проходке неглубоких инженерно-геологических скважин в связных, рыхлых и сыпучих грунтах, сухих и водонасыщенных породах. С помощью установок ударно-канатного бурения бурят скважины диаметром до 168 мм на глубину до 30 м.
Инструмент для бурения неглубоких скважин ударно-канатными установками в нескальных грунтах позволяет бурить без отбора и с отбором керна с получением ненарушенных образцов породы. Связные грунты бурят забивным способом, мягкопластичные глинистые породы — «клюющим» способом. В несвязных грунтах применяют желонирование. Для бурения валунно-галечниковых отложений используют долота, которыми порода измельчается на забое, а затем извлекается желонками.
Инструмент для бурения неглубоких скважин легкими установками приведен на рис. 2.3.
При забивном способе используют забивные стаканы или грунтоносы, соединенные с ударным патроном. При поднимании и опускании ударник ударяет по наковальне и забивает грунтонос в породу.
При «клюющем» способе применяют буровой снаряд, состоящий из забивного стакана (гильзы) и ударной штанги. Сброшенный с высоты 3—5 м буровой снаряд массой до 200 кг углубляется в породу на 0,1—0,2 м, а затем поднимается на поверхность для очистки стакана.
В несвязных породах применяют желонку, представляющую собой трубу с клапаном на нижнем конце. Желонку целесообразно утяжелять ударной штангой. Бурение желонками обычно сопровождается креплением стенок скважины обсадными трубами. Валуны и крупную гальку разрушают долотом с ударной штангой.
Ударно-механическое бурение скважин в рыхлых и сыпучих породах без промывки осуществляют легкими передвижными установками ударно-канатного бурения (рис. 2.4). Легкие буровые установки на одноосном прицепе снабжены фрикционной лебедкой, мачтой и двигателем. Буровой мастер с требуемой периодичностью включает и выключает лебедку, при этом буровой снаряд с породоразрушающим инструментом поднимается над забоем или падает на него.
Преимущество установок для бурения с помощью фрикционной лебедки — простота конструкции. В то же время необходимость управления и регулирования вручную частоты ударов и высоты сбрасывания инструмента требует от мастера физических усилий и ограничивает производительность. Техничес-
Рис. 2.3. Инструмент для бурения неглубоких скважин легкими установками ударного действия:
а — забивной стакан: 1 — коническая резьба; 2— труба с вырезом: 3— башмак; б — якелонка: / — коническая резьба; 2 — цилиндрический корпус; -3 — плоский клапан;
4 — башмак; в— грунтонос: 1 — гнльза;
2 — переходник; 3 — дренажный клапан;
4— башмак; г —ударннк для забивания грунтоноса илн стакана в породу: 1 — переходник; 2 — патрубок; 3 — наковальня;
4 — направляющий шток; 5 — ударник; д —• плоское долото: а — угол прнострения долота; е — обсадная труба: 1 — фрезерный башмак; 2 —ниппель; 3 — труба; 4 —головка; ж — ударная штанга: ] — штанга; 2 — переходник с дужкой для каната
Рис. 2.4. Легкая установка для ударно-канатного бурения забивными стаканами и грунтоносами:
1 — стакан; 2 — ударная штанга; .3 — канат;
4 — ролнк; 5 — мачта; 6 — двигатель; 7 — лебедка; 8—рукоятка лебедки
кие характеристики некоторых передвижных легких			буровых
установок приведены ниже. Марка установки		УБП-15м	Д-5-25	БУКС-Л ГТ
Номинальная глубина бурения, м	15	25	30
Начальный диаметр скважины, мм Грузоподъемность лебедки, кН .	168	127	168
	10	5	7
Скорость навивки каната на барабан, м/с		0,82	1,0—1,2	0,5
Тип двигателя		УД-25	УД-25	Д-300
Мощность, кВт		5,9	5,9	4,4
Высота мачты, 			5,5	4,5	5
Масса станка, кг		1100	370	435
Ударно-канатный способ бурения с		использованием стака-	
нов обеспечивает удовлетворительное качество пробы. Углубление за рейс при «клюющем» и забивном способах бурения скважины диаметром 70—219 мм устанавливается в зависимости от свойств пород в пределах 0,3—0,8 м. Для бурения слабоустойчивых пород применяют стаканы с клапанами.
При полном разрушении забоя скважины долотами образцы породы отбирают из-под клапана желонки. В гравийнопесчаных породах необходимо отбирать образец породы из желонки после ее последнего спуска в скважину. Породу тщательно перемешивают и берут среднюю пробу для данной глубины забоя.
На россыпных месторождениях в талых породах для качественного опробования бурят с креплением скважины обсадными трубами методом ходовой колонны с опережением забоя. После разрушения порода извлекается желонками.
§ 3. Вращательное шнековое бурение
Шнековым называется вращательное бурение, при котором разрушенная па забое порода выдается на поверхность винтовым транспортером — колонной шнеков. Этим методом бурят скважины диаметрами от 67 до 490 мм на глубину до 50—80 м в породах I—IV категорий по буримости. Шнековое бурение применяют для бурения взрывных скважин при сейсморазведке, при инженерно- и гидрогеологических исследованиях, геологической съемке, картировании и поисках, разведке различных полезных ископаемых.
Буровой инструмент для шнекового бурения состоит из комплекта шнеков и породоразрушающего инструмента — долота. Породу разрушают долотами, конструкция которых зависит от условий их использования. Применяют двух- и трехлопастные долота со ступенчатой режущей кромкой (рис. 2.5).-Двух- и трехлопастные долота типа ДБШ (рис. 2.5, а) со ступенчатой режущей кромкой армируют пластинчатыми резцами 1, а боковые грани — восьмигранниками 2 из твердого сплава.
Долота типа ДРШ (рис. 2.5, б) состоят из литого стального
корпуса 1 с двумя лопастями 2. Лопасти армированы твердосплавными зубками 3.
Шнек представляет собой трубу, к наружной поверхности которой по винтовой линии приварена стальная лента (реборда) толщиной 5—7 мм (рис. 2.6,а). Для бурения пород, содержащих твердые включения, используют утяжеленные шнеки с толщиной реборды 8—15 мм. Применяют шнеки длиной 1,5—3 м и диаметром 75—300 мм. Шаг винтовой линии реборды принимают 0,7—0,9 диаметра шнека. Шнеки друг с другом и с долотом соединяют с помощью резьбы или безрезьбового замка.
Шнековое бурение возможно также с отбором ненарушенных образцов породы. В этом случае колонна шнеков на нижнем конце имеет магазинный (колонковый) шнек (рис. 2.6,6). Он включает полый шнек с большим проходным отверстием, разъемную керноприемную- гильзу 2 и коронку 1, которая соединяется со шнеком резьбой.
Колонковое шнековое бурение возможно только в относительно вязких породах (суглинках и супесях), керн которых в шнеке удерживается силами трения.
Для шнекового бурения скважин применяют легкие переносные, передвижные и самоходные буровые установки. Легкие переносные установки, мотопробоотборник МП-1, мотобуры Д-10М, М-1 и КМ-10 предназначены для бурения скважин диаметром 50—100 мм на глубину до 7—10 м в рыхлых и связных породах при инженерно-геологических исследованиях. В установку входят бензодвигатель от мотопилы «Дружба»,, редуктор и комплект инструмента. Масса мотобуров 12— 32 кг.
Колонковый мотобур КМ-10 (рис. 2.7) значительно облегчает работу обслуживающего персонала. Он представляет собой вращатель 4, размещенный на каретке 3, которая посредством цепного механизма подачи перемещается по направляющей стойке 2. Нижний конец стойки закрепляется в грунте штырем, а верхний — соединяется с подкосом 6. На верхнем конце стойки укреплен вал ведущей звездочки механизма подачи. На вал надевается рукоятка для ручного привода. При работе мотобура КМ-10 исключается воздействие на рабочего реактивного крутящего момента и вибрации, значительно облегчается создание осевой нагрузки, расхаживание и подъем инструмента. Масса установки 32 кг (в том числе вращателя 14 кг). С ее использованием возможно бурение скважин диаметром 105 мм глубиной до 3—5 м, диаметром 70 мм—до 10 м.
Передвижная установка УКБ-12/25 предназначена для бурения шнековым способом в мягких и рыхлых породах скважин диаметрами 70, 105 и 140 мм на глубину соответст-
Рис. 2.5. Долота для шнекового бурения:
D — диаметр долота
Рис. 2.6. Инструмент для шнекового бурения:
а — шнек: 1 — хвостовик; 2 — реборда; 3 — труба; 4 — муфта; 5 — палец; 6 фиксатор; б — колонковый шнек: 1 — коронка; 2 — керноприемная гильза;
3 — корпус шнека
638
Рис. 2.7. Мотобур КМ-10:
1—цепная подача; 2—стойка;
3 — каретка:	4 — вращатель;
5 — бензобак; 6 — подкос; 7 — штырь; 8 — бензиновый двигатель
Рис. 2.8. Установка для поискового бурения УКБ-12/25: 1 — звездочка; 2 — цепь; 3 — бензобак; 4 — вращатель; 5 —каретка, 6 — лебедка; 7 — рукоятка лебедки; 8—стойка; 9 — подкос; 10 — рама; 11— центратор; 12— колесо
венно 15, 10 и 5 м (рис. 2.8). Установка состоит из подвижного вращателя, обеспечивающего два диапазона частот вращения инструмента, рамы с направляющей стойкой и подкосом, а также ручной лебедки цепной подачи. Максимальное усилие подачи — 4 кН, ход подачи— 1200 мм. Мощность бензинового привода «Дружба-4» — 2,95 кВт.
В районах, доступных для автотранспорта, может быть использована самоходная модификация установки УКБ-12/25, имеющая индекс УКБ-12/25С и смонтированная на автомобиле УАЗ-469Б.
При сейсморазведочных работах и поисках месторождений полезных ископаемых применяют буровые установки, смонтированные на автомашинах и гусеничных тракторах. Они предназначены для бурения шнеками скважин глубиной до 50— 80 м.
Установка шнекового бурения УШБ-16 предназначена для бурения скважин шнеками на глубину до 80 м и диаметром 150 мм. Мачта высотой 9,5 м монтируется на шасси автомобиля ЗИЛ-131. При транспортировании станка мачта укладывается в горизонтальное положение. Буровая установка имеет подвижной вращатель с большим ходом подачи (до 6,5 м) и двухбарабанную лебедку грузоподъемностью 25 кН.
Установки шнекового бурения на гусеничном ходу (УШБ-ТМ, ШАК-4, УШ-27) обеспечивают бурение скважин диаметром 102—222 мм глубиной до 80 м. Для этих установок характерно использование подвижного трех-, четырехскоростного (70—460 мин"1) вращателя с рабочим ходом подачи 1300— 3250 мм и усилием подачи до 100 кН.
Для бурения скважин шнеками диаметрами 76 и 112 мм на глубину до 25 м при поисково-картировочных работах в труднодоступных районах предназначены легкая разборная установка УПБ-100Р и самоходная установка УПБ-100ГТ, смонтированная на гусеничном транспортере ГТ-СМ.
Все исполнительные узлы установки УПБ-100ГТ (вращатель, механизмы подачи бурового снаряда и подъема мачты) снабжены гидравлическим приводом, что обеспечивает плавное регулирование частоты вращения снаряда и его плавную подачу.
Основные параметры технологического режима шнекового бурения — осевая нагрузка и частота вращения шнеков. Увеличение осевой нагрузки ведет к повышению скорости бурения. При этом необходимо следить за тем, чтобы объем породы,, разрушаемый долотом в единицу времени, был не более производительности шнекового транспортера, иначе на шнеках образуются пробки породы. Обычно в мягких породах бурят с осевой нагрузкой 4000 кН. В твердых породах осевая нагрузка достигает 100 кН.
Частота вращения должна быть в пределах 100—200 мин-1, меньшее значение относится к бурению более вязких пород. При бурении твердых пород частота вращения шнеков снижается до 80—120 мин-1. Для лучшей очистки скважины' после окончания бурения рекомендуется несколько минут вращать инструмент с частотой 200—300 мин-1.
Транспортировка породы шнеками улучшается, если в скважину подавать воду в количестве (3,3-~-8,3) 10-5 м3/с. В вязких породах вода, действуя как смазка, уменьшает трение породы о шнек, причем скорость подъема породы увеличивается. Однако воду на забой следует доливать только в интервалах, где породы плохо транспортируются, так как подача воды осложняет проведение геологического изучения грунтов.
Производительность шнекового бурения пород I, II, III и IV категорий по буримости — 75, 40, 22 и 10—14 м/ч соответственно.
Образцы пород при шнековом бурении могут отбираться у устья скважины из выносимой породы, с лопастей буровых шнеков, поднятых на поверхность, с забоя при помощи специальных грунтоносов. На поверхность порода выносится в виде комков и лент различной конфигурации, часто покрытых сверху оболочкой инородной породы со стенок скважины. Поэтому необходимо изучить внутреннее строение взятого образца, разламывая его.
При составлении геологической документации шнековых скважин важна привязка отбираемых на дневной поверхности образцов к определенной глубине скважины.
При инженерно-геологических изысканиях в породах I— IV категорий по буримости пробы отбирают с помощью колонковых шнеков. Монолиты песчано-глинистых пород отбирают специальными обуривающими грунтоносами, снабженными не-вращающимися керноприемными стаканами.
Для обеспечения безопасности при обслуживании шнековых установок запрещается применять шнеки с изношенными соединительными элементами, не обеспечивающими достаточной жесткости колонны; нельзя очищать от шлама шнековые трубы руками или какими-либо предметами во время вращения. Запрещается бурить с неогражденным шнеком.
Разъединение шнековых труб при подъеме допускается только после посадки их на вилку или на ключ-скобу.
§ 4.	Вибрационное бурение
Вибрационным называется бурение, при котором для разрушения породы на забое скважины используют механические колебания большой частоты, создаваемые вибрационной маши
ной и передаваемые породоразрушающему инструменту через колонну бурильных труб.
Вибрационный способ получил широкое распространение при бурении скважин глубиной до 25—30 м в породах, буримость которых не превышает IV категории по двенадцатибалльной классификации.
С помощью этого способа бурят скважины диаметрами от 60 до 219 мм.
Существуют две разновидности вибрационного бурения: чисто вибрационное и виброударное. При вибрационном бурении источником колебаний служит вибратор, который через; бурильную колонну жестко связан с породоразрушающим инструментом и во время работы сообщает ему возвратно-поступательные движения. В результате большой частоты колебаний (20—33 в 1 с) мягкие породы (пески, суглинки, глины) переходят в подвижное состояние, вследствие чего вибрирующий инструмент погружается в породу под действием своего1 веса.
При виброударном бурении инструменту, прижатому к забою, через бурильную колонну сообщаются частые удары вибромолота, направленные в сторону забоя. Под действием ударов инструмент забивается в породу и разрушает ее.
Принципиальная схема виброударного бурения приведена на рис. 2.9. В качестве вибромеханизмов при вибробурении применяют вибраторы и вибромолоты. Бурильную трубу вместе с инструментом присоединяют к поверхностному вибратору с помощью переходника.
Вибратор (рис. 2.10, а) генерирует вертикальные коле-бания посредством вращающихся в противоположные стороны дебалансов. Дебалансы, или эксцентрично расположенные грузы, закреплены на двух валах, один из которых соединен с электродвигателем клиноременной передачей. Возмущающая вертикальная сила постоянно изменяется по знаку и создает вертикальные колебания, которые передаются через переходник буровому снаряду.
Вибромолот (рис. 2.10,6) представляет собой вибратор, в колебательную систему которого введена система молота и наковальни. Наковальня воспринимает односторонние удары со стороны вибратора и передает их на буровой снаряд, с которым она жестко соединена.
Эффективность вибрационного бурения зависит от веса вибропогружателя, момента эксцентриков, частоты и амплитуды колебаний. По мере увеличения глубины скважины возрастает вес инструмента и увеличивается его упругость, вследствие чего снижается амплитуда колебаний породоразрушающего инструмента. Поэтому эффективная глубина бурения поверхностными вибраторами по этой причине не превышает 25—30 м.
a
Рис. 2.9. Схема виброударного буренья:
/ — виброзонд; 2 —бурильная колонна; 3 — вибромолот; 4 — ролик; 5 —канат-. б —лебедка; 7 — элекгроклб ‘ль
Рис. 2.10. Вибрационные машины:
а— д'зухбло-шкн! вибратор; б — вибро\ илот; / — пружина; 2-- болт; 5--К)рпус вибратора; 4— эксцентрик; 5 — валики; 6--клиноремепная передача; 7—п-сстерня; 8 --элсктро-.двш гисль; 2 -серы а; /0 —шкив; //--переходник: 12 — наковальня
Вибрационное бурение осуществляется как посредством поверхностных, так и погружных вибромеханизмов. Погружной вибромеханизм располагают непосредственно над породоразрушающим инструментом и спускают в скважину на ка-бель-канате по мере ее углубления. С помощью погружных вибромеханизмов возможно бурение более глубоких скважин, чем при использовании поверхностных вибраторов.
При вибрационном бурении в качестве породоразрушающего инструмента применяют виброзонды, грунтоносы и виброжелонки (рис. 2.11). Тип породоразрушающего инструмента зависит от физико-механических свойств пород и
Рис. 2Л1. Инструмент для вибрационного бурения: а — виброзонд, б — грунтонос; в — виброжелонка
целевого назначения скважины. Виброзонд применяют для бурения сухих песков и связных глинистых пород. Он представляет собой тонкостенную цельнотянутую трубу длиной 1,5 — 3 м с заостренным башмаком и продольной прорезью (окном) на боковой поверхности. Прорезь служит для осмотра поднятой из скважины породы и очистки зонда от породы. Для отбора образцов породы с ненарушенной структурой используют грунтоносы. Грунтонос состоит из разъемной трубы 1, внутреннего разъемного вкладыша, башмака 2, переходника, клапана 3. При извлечении грунтоноса из скважины образец породы удерживается в гильзе благодаря вакууму, создаваемому клапаном.
Виброжелонку применяют для бурения пород с повышенной влажностью и слабосвязных пород. Для удержания породы в желонке имеется нижний клапан.
В неустойчивых породах скважину закрепляют обсадными трубами, погружая их в грунт вибратором. Извлекают породу из труб желонками или грунтоносами.
Бурение скважин глубиной до 5—6 м по мягким породам, свободно входящим в грунтонос без образования пробок, производят одним рейсом на всю глубину скважины. В случае более глубоких скважин бурят повторяющимися рейсами. Величина рейсовой проходки зависит от плотности пород и составляет 0,3—3 м. Производительность вибробурения при различной глубине скважин представлена ниже.
Глубина скважины, м .	10 20 30
Производительность, м/смена . . 50—60 25 20
В настоящее время создано много вибраторов и вибромолотов для бурения скважин или погружения и извлечения обсадных труб. Технические характеристики некоторых вибромеханизмов приведены в табл. 2.1.
При бурении скважин вибрационным методом используют специализированные буровые установки, в состав которых входят вибратор или вибромолот, мачта, лебедка, двигатель и источник электроэнергии, размещенные на транспортной базе, а также комплект инструмента.
Установка АВБ-2М. предназначена для бурения инженерногеологических скважин диаметром 168—108 мм вибрационным способом на глубину до 20 м. Установка снабжена однотрубчатой мачтой высотой 7,5 м и планетарной лебедкой грузоподъемностью 40 кН. В качестве основного рабочего органа используют вибратор с возмущающим усилием 35 кН. Установка смонтирована на автомашине ГАЗ-66. Масса установки с принадлежностями — 6,5 т.
Вибрационный способ бурения обеспечивает наилучшее качество инженерно-геологической документации. Существующие
Таблица 2.1
Параметры	Вибратор			Вибромолот		
	ВБЛ-Зм	БТ-9	ВПМ-2	С-833	С-402	С-835
Мощность электродвигателей, кВт	4,5	7,0	7,0	2,0	5,6	14
Момент эксцентриков, Н-м	5—10	15	15	6	14	42
Частота вращения дебалансов, мин-1	1500	1250	1500— —1800	1410	1440	1450
Возмущающее усилие, кН	14—25	30	57	10,5	32,8	100
Масса, кг	280	400	330	135	400	1040
Число ударов в 1' мин			’—	705	480	480; 725
режимы вибробурения позволяют с высокой точностью (до 0,2—0,3 м) устанавливать литологические границы буримых пород.
При повышенных требованиях к точности рекомендуется устанавливать продолжительность вибрирования инструмента не более 2 мин в песчаных и 3—4 мин в глинистых грунтах; углубление за рейс производить не более 2 м в песках и супесях, 1—2 м — в суглинках и глинах, 0,3—0,5 м — в полутвердых грунтах; прекращать бурение, если скорость погружения зонда снизилась до 0,02 м/мин; применять в слабоустойчивых породах зонды с узкой продольной прорезью и зонды с клапанами.
Для обеспечения безопасности при обслуживании вибрационных установок соединение вибратора с крюком подъемного каната необходимо оборудовать надежно запирающим устройством. Во время осмотра и смазки, а также при перемещении виброустановки вибратор должен находиться в крайнем нижнем положении. Перед пуском вибратора и через каждые 30 мин работы необходимо проверять прочность соединения его частей. При работе вибратора запрещается стоять в плоскости вращения его эксцентриков.
§ 5.	Бурение скважин методом задавливания
Скоростное бурение неглубоких поисковых скважин в мягких породах с целью каротажа и отбора проб производят задавливанием бурового снаряда путем создания большой нагрузки.
Бурение задавливанием применяют при поисках месторождений полезных ископаемых, гидрогеологических исследованиях, инженерно-геологических изысканиях и других видах геологических работ.
Проходка скважин посредством задавливания инструмента в породу имеет сравнительно ограниченное применение. Этот метод позволяет бурить скважины диаметром 50—168 мм глубиной до 30 м.
Для получения основных характеристик физико-механических свойств грунтов на глубине до 30 м используют пенетраци-онное зондирование. При этом измерительный зонд с датчиками навинчивают на бурильную колонну. С помощью гидравлических устройств колонна бурильных труб с зондом вдавливается в рыхлый (мягкий) грунт под действием статической нагрузки величиной 80—120 кН. В процессе внедрения измерительного зонда в грунт датчики отмечают параметры соответствующих свойств грунта и через канал связи передают информацию на пульт наземной аппаратуры.
Для инженерно-геологических съемок и изысканий приме
няют самоходную пенетрационно-каротажную станцию СГГК-Т. Станцию используют для исследования грунтов в рыхлых отложениях, поддающихся проходке вдавливанием измерительного зонда с нагрузкой до 190 кН. Измерительный зонд снабжен датчиками, непрерывно передающими по каналу связи на пульт наземной регистрирующей аппаратуры информацию о физико-механических свойствах пород и литологии исследуемых отложений.
Физико-механические свойства грунтов на глубину до 15 м можно исследовать передвижной установкой статического зондирования конуса УСЗК-3. Колонна бурильных труб с конусной головкой на конце задавливается в породу с помощью грузового винта.
Для пенетрации методом ударного зондирования до глубины 20 м применяют установку УБП-15М, снабженную пенетрационным молотом, которым в породу забивают трубы с конусной головкой на нижнем конце. По числу ударов, необходимых для погружения конуса на глубину 10 см,, определяют плотность породы.
§ 6.	Комбинированное бурение
При бурении геологоразведочных, гидро- и инженерно-геологических неглубоких скважин нередко одной скважиной пересекаются породы с различными механическими свойствами. Такие скважины целесообразно бурить не одним, а несколькими способами, применяя их последовательно в соответствии со свойствами пород. Использование наиболее рационального* для каждой породы способа бурения повышает производительность и качество буровых работ. В практике при проходке-неглубоких скважин встречается комбинирование не более трех способов бурения. В конструкциях основных рабочих узлов, установок для комбинированного бурения предусмотрена возможность переоснащения талевой системы, монтажа и демонтажа механизмов. Установки комплектуют соответствующим породоразрушающим инструментом, бурильными и обсадными трубами, что позволяет вести бурение одной и той же скважины ударным, вращательным, вибрационным и другими механическими способами.
В табл. 2.2 приведены технические характеристики некоторых установок комбинированного бурения. Такие установки подразделяются на передвижные и самоходные.
Буровая установка УГБ-1ВС (рис. 2.12) предназначена для гидро- и инженерно-геологического, а также разведочного бурения скважин глубиной до 50 м вращательным способом шнеками и ударно-канатным способом. Установка смонтирована-на шасси автомобиля ГАЗ-66-02. Специальный автоприцеп
Таблица 2.2
Параметры		
	с* Д j 7 f; Ы; I 33- | бивпыч ста-капом, дэли-тсм, хчелоп-кой. медлен-иь-.м '’.раще- нием (УБГ-2.М)	Ударный, вибрационный и>УВ-1Б)
Глубина бурения, м	15- -30	30
Начальный диаметр сква-	219; 168;	168; 127;
жнны, мм	127	108
Частота вращения инструмента, мин-1	12; 24; 75	—
Число ударов в 1 мин	37	60
Грузоподъемность лебедки, кН	18	10
Высота мачты, м	8,0	6,0
Мощность привода, кВт	8,8	5,9
База установки	ЗИЛ-131	Одноосный прицеп
Масса установки, кг	9800	1800
Способы бурения (тип установки)
Шнековый, ударве-ка-натпып. вращательный с промывкой (УГБ-1ВС)	Шнековый, ударно-канатный, бурение шурфов (ЛБУ-50)	Ударно-ка* натный, шнековый (БУУ-2)	Медленно-i вращательный, ударнозахватный грейфером (УБСР-25)	Шнековый, вращательный с промывкой, бурение шурфов (УШБ-16)
50	50	50	25	80; 300; 50
250; 151	130; 240; 1050	219; 168	715	150; 219; 1200
39,6; 79,8; 124,8	14; 38; 63; 108	43; 83; 125	5,5; 10,7	105; 177; 292
45; 80	17; 48; 78; 126	40; 60	—	—
25	25	26,7	30	25
8,0	8,3	12,0	7,7	8,25
35,3	80,4	44,2	55,2	76,6
ГАЗ-66-02	ЗИЛ-131	Гусеничный вездеход	Трактор ТДТ-75	ЗИЛ-131
6000	8442	13 400	12 500	7 960
предназначен для перевозки комплекта бурового инструмента. На мачте установки имеется подвижной вращатель, ход которого составляет 1500 мм. Передвижение вращателя и создание усилия подачи осуществляются двумя гидроцилиндрами. Частота вращения инструмента 39,6; 79,8 и 124,8 мин-1.
Для бурения ударно-канатным способом установка оснащена лебедкой, с барабана которой сбрасывается буровой снаряд.
Привод всех механизмов станка осуществляется от установленного на автомашине дизеля Д-65Н мощностью 44 кВт.
Для проходки шурфов диаметром 1050 мм буровую установку ЛБУ-50 оснащают комплектами бурового инструмента. Шурфы проходят специальным ковшом-буром на глубину до 15 м. Гидрогеологические скважины глубиной до 50 м бурят шнековым или ударно-канатным способом.
В комплект установки УБСР-25 входят ковшовые буры для скважины диаметром 715 мм, одноканатный грейфер для ударно-захватного бурения, однолопастное долото и обсадные тру
бы. Грейфер предназначен для бурения рыхлых отложений с включением валунов размером до 500 мм без их предварительного разрушения. Производительность установки УБСР-25 до-6 м/ст.-смену.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Для каких видов работ применяют бурение неглубоких скважии без; промывки? Назовите основные способы механизированного бурения неглубоких скважин.
2.	Какой инструмент используют при ударно-канатном механическом бурении неглубоких скважин?
3.	В каких условиях применяют вращательное шнековое бурение? С какой целью применяют колонковый шнек?
4.	Приведите типы буровых установок для вращательного шнекового бурения.
5.	Для каких целей используют вибрационное бурение?
6.	Какие источники колебаний применяют при вибрационном бурении?
7.	Назовите типы породоразрушающих инструментов для вибрационного-бурения.
8.	С какой целью используют бурение задавливанием?
9.	Приведите типы буровых установок, позволяющих осуществлять комбинированное бурение неглубоких скважин.
Глава 3
УДАРНО-МЕХАНИЧЕСКОЕ БУРЕНИЕ
§ 1.	Общие сведения
Ударно-механическим бурением называется бурение, при котором разрушающее породу усилие создается воздействием ударов сбрасываемого на забой с некоторой высоты породоразрушающего инструмента — ударного долота.
Ударно-канатное механическое бурение применяют при проходке гидрогеологических, водозаборных, взрывных скважин и скважин больших диаметров специального назначения, а также при разведке россыпных месторождений и вкрапленных руд.
Разведочные скважины бурят диаметром не менее 200 мм и глубиной до 100 м; гидрогеологические и водозаборные скважины имеют диаметры от 150—250 до 1000 мм и глубину до 200 м; скважины специального назначения (для вентиляции, доставки материалов при горных работах) имеют диаметры до 1000 мм и более при глубине до 400 м.
Схема ударно-канатного бурения приведена на рис. 3.1. Буровой снаряд, состоящий из ударного долота 1, ударной штанги 2, раздвижной штанги 3 и канатного замка 4, спускают в скважину на канате 5. Один конец каната закреплен в канатном замке, другой — на барабане инструментальной лебедки 13 с тормозом 14. Канат огибает головной ролик 7 мачты 9, оттяжной ролик 10 балансирной рамы 11 и направляю-
тояпип. Проходка за один рейс ды составляет от 40 до 100 см,
щий ролик 12. Головной рот лик 7 устанавливают на пружинах или резиновых амортизаторах 8. При включении главного вала 15 кривошип 16 вращается и с помощью шатуна 17 приводит в колебательное движение балансирную раму И с оттяжным роликом 10. При этом на канате 5 будет подниматься и опускаться буровой снаряд, который наносит удары по породе и разрушает ее.
Для получения скважины круглого сечения ударное долото после каждого удара должно поворачиваться на некоторый угол. Вращение долота осуществляется при его подъеме над забоем.
Ударно-канатное бурение производят без промывки, но на забое скважины должна быть вода, в которой частицы породы могут находиться во взвешенном' сос-зависимости от свойств поро-
после чего буровой снаряд из-
в
влекают и в скважину для чистки опускают желонку 19. Желонка опускается на канате 6, намотанном на барабан желоночной лебедки 18.
При бурении скважин в неустойчивых породах стенки скважины сразу закрепляют обсадными трубами.
Достоинством ударно-канатного бурения является то, что рабочий инструмент спускают для разрушения породы и поднимают для его замены и освобождения от породы с большой скоростью (1,5—2 м/с). Поэтому время на спуско-подъемные операции даже при бурении глубоких скважин составляет не
сколько минут.
§ 2.	Инструмент для ударно-канатного механического бурения
Инструмент для ударно-канатного бурения в зависимости от назначения подразделяют на следующий:
1)	инструмент для углубления скважины;
Рис. 3.2. Долота для ударно-канатного бурения:
а — плоское / — рабочая головка, 2 —- корпус, <3 — желоб, 4 — шейка; 5 — кольцевые выточки, 6 — резьбовой конус, б — двутавровое, в — округляющее, г — крестовое, D — диаметр долота
2)	инструмент для очистки скважины от шлама;
3)	аварийный инструмент;
4)	обсадные трубы.
Кроме того, имеется вспомогательный инструмент для свинчивания и развинчивания бурового снаряда.
Долота служат для разрушения породы на забое и обработки стенок скважины (рис. 3.2).
Ударное долото состоит из рабочей головки 1 с лезвием, корпуса 2 с боковыми желобами 3, шейки с выемками для захвата инструментальным ключом и резьбового конуса 6. Угол между гранями лезвия долота называется углом приострения. Для мягких пород рекомендуется угол приострения 70—80°, для пород средней твердости 90—100°, для наиболее крепких
пород ПО—130°. Диаметр долот 148—850 мм, длина 650—-1500 мм, масса 85—1400 кг.
В зависимости от буримых пород применяют долота с головками различной формы. Для бурения плотных нетрещиноватых пород применяют плоские долота диаметром от 148 до 695 мм. Трещиноватые и слоистые породы бурят с помощью крестовых долот диаметром от 148 до 595 мм. Округляющие долота (диаметр от 148 до 695 мм) используют для бурения твердых, плотных и трещиноватых пород.
Долота изготовляют ковкой или литьем из качественной стали с содержанием 0,6—0,7% углерода. Лезвия долот закаливают на высоту, равную его полуторной толщине. Изношенные в процессе работы долота восстанавливают на долотозаправочных станках. Длины долот зависят от диаметра скважины и составляют 0,7—1,5 м.
Ударная, штанга предназначена для увеличения массы бурового снаряда и эффективности его удара по забою скважины. Ударная штанга представляет собой массивный стержень длиной от 2 до 6 м. На нижнем конце штанги выполнена внутренняя резьба для соединения с долотом, а на верхнем конце— наружная для соединения с раздвижной штангой. Диаметры ударных штанг 112—220 мм, масса 300—1300 кг.
Раздвижная штанга служит для выбивания снаряда при бурении в трещиноватых или вязких породах, когда долото заклинивается на забое скважины. Штанга представляет собой два замкнутых звена, скользящих относительно друг друга. На конце нижнего звена имеется внутренняя резьба для •соединения с ударной штангой, а на конце верхнего звена —• наружная для соединения с канатным замком. При натяжении инструментального каната поднимающееся верхнее звено снизу наносит удар по нижнему звену, что облегчает отрыв снаряда от забоя. Величина хода раздвижной штанги 150—250 мм.
Канатный замок предназначен для соединения бурового снаряда с канатом. Он состоит из корпуса и втулки. Корпус в нижней части снабжен внутренней резьбой для соединения с раздвижной штангой. Конец каната пропускают через канал корпуса и втулки и крепят внутри втулки, которая должна свободно вращаться в корпусе замка. Свободное вращение втулки обеспечивает поворот долота после каждого удара.
Для очистки скважины от разрушенной породы применяют желонки. С помощью желонок можно также отбирать образцы и бурить мягкие и рыхлые породы (пески, галечники). В зависимости от условий работы и характера буримых пород применяют желонки с плоским и полусферическим клапанами, а также поршневые желонки (рис. 3.3). Клапанные желонки со-стоят из трубчатого корпуса, дужки и башмака с клапаном. Желонки с плоским клапаном используют для очистки сква-
Рис. 3.3. Желонки:
в — с плоским клапаном; б — с полусферическим клапаном; в — поршневая; 1 — вилка с резьбовым конусом; 2 — корпус; 3 — башмак; 4 — клапан, 5 — дужка; 6 — язык разрыхляющий; 7 — шток; 8 — манжеты; 9— поршень
жилы от крупных кусков породы, а также для бурения скважин в песках и глинистых породах. Плоские клапаны изготовляют одно- или двустворчатыми. Желонки, имеющие дужки с резьбовой головкой, могут утяжеляться за счет присоединения короткой ударной штанги.
Желонки с полусферическим клапаном применяют для извлечения разжиженного шлама.
Поршневые желонки используют при бурении сильнообвод-иенных песков, илов, плывунов. В корпусе желонки расположен поршень со штоком. Башмак желонки имеет в нижней части боковые прорези для прохода разжиженного шлама и енабжен клапаном. В спускаемой желонке поршень находится в верхнем положении. При достижении забоя поршень опускается до башмака. При подъеме поршня канатом создается разрежение, вследствие чего разжиженный шлам засасывается через клапан. Поршень поднимают и опускают несколько
раз для заполнения желонки. Освобождают желонки от содержимого путем опрокидывания.
Обсадные трубы при ударно-канатном бурении служат для закрепления неустойчивых стенок скважин и изоляции отдельных участков по глубине скважин. Обсадные трубы изготовляют длиной от 3 до 6 м из качественной стали. Диаметр труб в зависимости от диаметра скважины — от 114 до 1420 мм.. Трубы соединяются между собой резьбовыми муфтами.
При бурении скважин в условиях агрессивных вод для крепления применяют асбоцементные и полимерные трубы, не-подвергающиеся коррозии.
В качестве вспомогательного инструмента для свинчивания и развинчивания бурового снаряда применяют инструментальные ключи и специальное устройство для поворота ключа в виде затяжной трещотки. Одновременно используют два ключа: удерживающий один инструмент и поворачивающий другой. Все инструменты, входящие в комплект бурового снаряда, должны прочно соединяться для предупреждения их разъединения в скважине.
§ 3.	Буровые установки для ударно-канатного механического бурения
Установки ударно-канатного бурения имеют ударный механизм и два или три барабана (инструментальный, желоночный и талевый). Привод ударного механизма и барабанов осуществляется от электромотора или двигателя внутреннего сгорания через трансмиссионный вал и зубчатые или цепные передачи. Мачта оборудована роликами (инструментальным, желоночным, талевым) и предназначена для спуска и подъема инструмента и обсадных труб.
Технические характеристики некоторых установок ударноканатного бурения приведены в табл. 3.1.
§ 4.	Технология ударно-канатного бурения
Перед началом буровых работ разрабатывают конструкцию скважины.
Конструкция скважины определяется глубиной бурения, характером геологического разреза, конечным диаметром скважины и числом колонн обсадных труб.
Конечный диаметр зависит от целевого назначения скважины.
Число обсадных колонн обусловлено необходимостью перекрытия тех или иных горизонтов пород (например, плывунов, водоносных песков, несвязных галечников) и выходом колонны. Выходом колонны называется протяженность участ-
Таблица 3.1
Параметры	Тип станка				
	УГБ-ЗУК	УГБ-4УК	УКС-54	БУ-20-2М	БС-1М
Максимальная глубина бурения, м	300	500	100	200	300
Максимальный	диаметр скважины, мм Грузоподъемность барабана, кН:	600	900	1400	400	300
инструментального	20	30	75	12	40
желоночного	13	20	25	3	—
талевого	20	32	—	—	—
Число ударов бурового снаряда в 1 мин	40; 45; 50	40; 45; 50	44	50—52	48—52
Высота подъема снаряда над забоем, мм	500—800	500—800	600—1000	520—700	710—1100
Высота мачты, м	13	16	8	11,7	15,0
Мощность двигателя, кВт	22	40	100	20	55
Масса станка с мачтой и двигателе?^, т	8,0	12.8	20	10,7	24,0
Способ передвижения станка	Прицепные на колесном ходу		—	Гусеничный ход	
ка скважины между башмаками двух смежных обсадных колонн.
На месте, выбранном для заложения скважины, расчищают и выравнивают площадку для размещения станка и стеллажей под обсадные трубы. На площадке устанавливают станок, проверяя по уровню горизонтальность его рамы и валов. Затем поднимают мачту и устанавливают ее по отвесу так, чтобы желоб головного ролика мачты совпадал с осью скважины.
Приемы забуривания скважины выбирают в зависимости от паз-.а'щпия скважины и свойств буримых пород.
При забуривании разведочной скважины в мягких породах па месте будущей скважины роют шурф размерами 0,6X0,6X Х1 м. На дно шурфа укладывают крестовину из деревянных брусьев с отверстием для прохода направляющей трубы. Направляющую трубу забивают с таким расчетом, чтобы верхний ее конец выступал над устьем не более чем на 0,5 м. После забивания направляющей трубы породу из нее удаляют желонкой с плоским клапаном.
В скальных породах скважину забуривают снарядом, состоящим из долота и ударной штанги.
Производительность бурения ударно-канатным способом существенно зависит от правильно подобранных параметров режима бурения, массы бурового снаряда, высоты его подъема
над забоем, частоты ударов и количества подливаемой воды в скважину.
Масса рабочей части снаряда, приходящаяся на 1 см длины лезвия долота, называется относительной массой. На основании данных практики относительные массы qf) принимаются соответственно буримым породам (в кг/см).
Для пород: мягких.............................15—20
средней	твердости..............30—40
твердых........................40—60
весьма твердых.................60—70
По относительной массе определяется необходимая масса рабочей части снаряда (кг):
Qp = ^D,	(3.1)
где D — длина лезвия долота, см.
Высота подъема снаряда над забоем определяет эффект разрушения породы и колеблется в зависимости от крепости породы и глубины скважины от 0,4 до 1,2 м. Верхнее значение относится к очень твердым породам, нижнее — к менее твердым. Частота ударов в минуту должна подбираться таким образом, чтобы обеспечивалось свободное падение бурового снаряда на забой. Это может быть в случае, если время движения оттяжного ролика будет равно времени свободного падения снаряда. Частота ударов долота изменяется в пределах 40—60 ударов в 1 мин.
Высота сбрасывания снаряда S (м) и частота его ударов п в 1 мин находятся в обратной зависимости:
П = 21У//3,	(3.2)
где j — ускорение свободного падения снаряда в скважине,, зависящее от плотности шлама свойств пород, j = 5ч-7 м/с2.
При бурении твердых пород целесообразно увеличить высоту сбрасывания, уменьшая при этом частоту ударов.
Трещиноватые и слоистые породы рекомендуется бурить при уменьшенной высоте сбрасывания и одновременном увеличении частоты ударов. Частота ударов бурового снаряда зависит от глубины бурения: на малой глубине скважины бурение целесообразно вести с максимальной частотой ударов, а с увеличением глубины частоту ударов необходимо уменьшить в связи с возрастающим растягиванием каната.
Ударно-канатное бурение в основном ведется с подливом воды в скважину. Буровая мелочь переходит во взвешенное состояние, вследствие чего повышается вязкость и плотность жидкости. При этом увеличивается сопротивление движению
снаряда и уменьшается вязкость и плотность жидкости. Вместе с тем увеличение вязкости и плотности жидкости в скважине повышает ее способность удерживать крупные и тяжелые частицы разрушенной породы во взвешенном состоянии. Если в скважине отсутствует вода или ее удерживающая способность недостаточна, то частицы породы оседают и на забое образуется шламовая подушка, поглощающая энергию удара долота. В результате снижается производительность бурения. Плотность шлама в скважине должна быть тем больше, чем больше плотность породы и крупнее частицы, отделяемые от забоя. Оптимальная плотность шлама составляет 1500— 1800 кг/м3. Плотность шлама и высота его столба в скважине регулируются количеством воды, подливаемой в скважину. При бурении мягких пород рекомендуется на каждый рейс подливать в скважину 35—40 л, а при бурении твердых пород— от 10 до 14 л воды. Высота шламового столба должна быть до 2 м.
Ударно-канатное бурение в различных геологических условиях имеет свои особенности.
Бурение в мягких рыхлых породах (песках, супесях, плывунах, лёссе) ведется желонкой с одновременным закреплением стенок скважины обсадными трубами. В зависимости от плотности и устойчивости пород колонна труб продвигается с опережением забоя или следом за ним. Наружный диаметр желонки должен быть на 20—30 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб. Иногда для повышения эффективности бурения желонку утяжеляют короткой ударной штангой. Основное условие правильного углубления скважин в водоносных песках заключается в том, что работа желонкой не допускается ниже башмака обсадных труб во избежание прихвата желонки обвалившейся породой.
В глинах можно бурить без крепления скважины трубами на интервале в несколько десятков метров. Песчанистые глины проходят буровым стаканом, собранным в снаряд с ударной и раздвижной штангами. Пластичные вязкие глины бурят плоским долотом с наваренными на него дополнительными лопастями. В скважину при бурении подливают воду, вязкий шлам налипает на лопасти долота и вместе с ним извлекается из скважины.
Плотные и сухие глины разрушают долотом, а скважину очищают желонкой с плоским клапаном.
В плотных твердых породах бурят с использованием плоского или округляющего долота. Долото при бурении твердых пород изнашивается. Долото, уменьшившееся в диаметре более чем на 5 мм, следует заменить, так как бурение изношенным долотом приводит к сужению скважины. В сухую скважину подливают воду из расчета 20—30 л на рейс. Для обес
печения удерживающей способности жидкости, находящейся в скважине, шлам удаляют желонкой не полностью, а лишь наполовину.
В трещиноватых породах бурят крестовым или округляющим долотом. На каждый рейс в скважину заливают 25—30 л воды. Для предупреждения ухода воды по трещинам в начале рейса в скважину забрасывают глину и через каждые 1—2 мин бурения небольшими порциями доливают воду.
При сильной трещиноватости пород бурят с обсадкой скважины трубами. Скважину очищают от шлама желонкой с плоским или сферическим клапаном.
При разведке россыпных месторождений бурение скважин ведется с одновременным продвижением колонны обсадных труб. Обсадные трубы забивают ниже забоя скважины. Затем легким буровым снарядом разрушают породу в трубах и поршневой желонкой извлекают ее на поверхность. Для избежания обогащения или разубоживания отбираемой из скважины породы в трубах оставляют предохранительный столбик породы высотой 2—3 см. В сухие скважины перед чисткой желонкой заливают воду. Если твердость породы не позволяет продвигать обсадные трубы с опережением, то бурят долотом ниже башмака па интервале, равном длине пробы. После этого трубы осаживают и очищают скважину.
В гравийных и галечниковых породах бурят плоским или крестовым долотом и желонкой. Стенки скважины крепят одновременно с углублением скважины. Встречаемые в скважине мелкие валуны разрушают зарядом взрывчатого вещества (ВВ).
После окончания бурения разведочных скважин обсадные трубы извлекают.
§ 5.	Геолого-техническая документация. Отбор проб горных пород
Особенности опробования при ударно-канатном бурении следующие: необходимость отбора проб разрушенной породы (преимущественно отбор проб грунтов мягких и средней твердости) и периодического отбора монолитов.
При бурении разведочных скважин из каждого пересекаемого слоя отбирают пробу. При большой мощности слоя пробу отбирают через каждые 1,5—2 м, при работе в малоизученных районах — через 0,5—1 м. При пересечении продуктивного слоя величина рейса сокращается до 0,2—0,5 м.
Образцы проб берут из-под клапана желонки при последнем ее спуске в скважину за цикл. Породу следует тщательно-перемешать и взять среднюю пробу для данной глубины забоя.
На россыпных месторождениях в талых породах для качественного опробования бурят с креплением скважины обсадными трубами с опережением забоя. Трубы должны опережать .забой на величину не менее длины рейса. Эти меры позволяют избежать попадания материала извне и точно привязать к глубине скважины извлеченную пробу.
Отобранные образцы просушивают и укладывают в ячейки специального ящика. На стенке каждой ячейки записывают порядковый номер образца и интервал глубины, с которой он взят. Вместе с образцом в ячейку укладывают этикетку с указанием номеров скважины и образца, глубины интервала отбора проб, названия породы, даты и фамилии лица, взявшего образец. Ящики, заполненные образцами, закрывают крышкой и нумеруют.
В буровом журнале фиксируют все виды работ, выполненные за смену, время, затраченное на каждую из этих работ, и проходку за смену.
§ 6.	Меры безопасности при ударно-канатном бурении
Рабочая площадка около устья скважины должна быть сухой, чистой и свободной от посторонних предметов. Инструмент, не используемый в данный момент, должен находиться в отведенном месте.
При перерывах в работе устье скважины должно быть закрытым, а при диаметре скважины более 600 мм — ограждено. Направлять буровой снаряд и желонку в скважину, оттас-. кивать в сторону и удерживать от раскачивания следует специальными крюками. Нельзя оставлять снаряд и желонку, извлеченные из скважины, в подвешенном состоянии.
В целях предупреждения поломок инструмента, обрывов каната, заклинивания долот и желонок в процессе бурения необходимо систематически проверять:
1)	надежность закрепления резьбовых замков и состояние резьбы;
2)	размеры длины лезвий долота и его боковых перьев, качество закалки, наличие трещин;
3)	состояние и качество смазки каната;
4)	состояние желонки, вилки и клапана;
5)	состояние раздвижной штанги, свободные перемещения ее звеньев;
6)	вращение втулки в канатном замке.
Все спускаемые в скважину инструменты должны быть записаны в журнале с указанием их размеров.
Аварии при ударно-канатном бурении ликвидируют с использованием аварийных инструментов (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Инструмент для ликвидации аварий при ударно-канатном буренииг а — однорогий ерш; б — канаторезка: / — обойма; 2 — резак; в —шлипс: / — плашки; 2 — направляющая воронка; 3 — пружина; 4 — корпус; г — ловильная вилка: /—защелка;. 2--пружина; д — снаряд для ликвидации аварий в сборе: 1 — канат; 2 — канатный за» мок; 3, 4 — ударная и раздвижная штанги; 5 —двурогий ерш
С помощью ловильных ершей захватывают оборванный канат, Если снаряд прихвачен, то канат обрезают канаторезкой.. Для выбивания прихваченного инструмента собирают снаряд,, состоящий из ловильного инструмента, ловильной раздвижной? штанги, имеющей ход до 500 мм, и укороченной ударной штанги. Чтобы поймать оставленную в скважине желонку за ушко,, применяют ловильную вилку.
Для ловли инструмента за канатный замок, а также для? захвата отдельных частей оставленного снаряда за шейку ила резьбовую головку применяют шлипсы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	С какой целью применяют ударно-канатное механическое бурение?
2.	Назовите основные узлы установки ударно-канатного бурения.
3.	Какие виды долот применяют для ударно-канатного бурения?
4.	Для чего применяют желонки? Какие виды желонок вы знаете?
5.	Какие параметры режима ударно-канатного бурения влияют на производительность?
6.	Приведите особенности технологии ударно-канатного бурения скважин) в мягких рыхлых породах.
7.	Для чего при ударно-канатном бурении применяют подлив воды?
8.	Как отбирают пробы горных пород при ударно-канатном бурении?
9.	Какие меры безопасности следует соблюдать при ударно-канатном бурении?
10.	Назовите инструмент для ликвидации аварий при ударно-канатном бурении.
Глава 4
КОЛОНКОВОЕ БУРЕНИЕ
§ 1.	Общие сведения
Колонковым называется такой способ вращательного бурения, при котором разрушение породы ведется по наружной кольцевой части поперечного сечения скважины с выбуриванием столбика (колонки) породы — керна.
Колонковое бурение — основное техническое средство разведки месторождений полезных ископаемых. Оно также широко применяется при инженерно- и гидрогеологических исследованиях.
Более 80% всех объемов геологоразведочного бурения в СССР бурится колонковым способом.
Основные операции при вращательном бурении следующие: собственно бурение, СПО, крепление скважины, специальные работы в скважине, монтажно-демонтажные работы.
К достоинствам колонкового бурения относятся:
1)	возможность извлечения из скважины столбиков поро-
,ды — кернов, по которым можно наиболее точно составить геологический разрез и опробовать полезное ископаемое;
2)	бурение скважины под различными углами к горизонту, ’различными породоразрушающими инструментами в породах любой твердости и устойчивости;
3)	возможность бурения скважины малых диаметров на большую глубину, с использованием относительно легкого оборудования.
Общая схема установки для колонкового бурения приведена на рис. 4.1. Колонковое бурение производят установкой, состоящей из буровой вышки 14, бурового здания 12, бурового станка 16, бурового насоса (или компрессора) И и двигателей для привода станка и насоса.
Перед началом бурения на месте заложения скважины разравнивают площадку, выкапывают ямы под емкости для промывочной жидкости и под фундаменты и собирают буровую вышку с буровым зданием. После проверки и наладки бурового станка забуривают скважину в нужном направлении и закрепляют устье скважины направляющей трубой 6.
Для бурения используют буровой снаряд, который состоит из коронки 1, колонковой трубы 2, переходника 3 и колонны бурильных труб 4. С помощью лебедки 17 буровой снаряд спускают в скважину, после чего верхний конец колонны бурильных труб закрепляют в зажимных патронах шпинделя станка 16. На верхнюю часть ведущей бурильной трубы навинчивают вертлюг-сальник 15, соединенный шлангом 13 с буровым насосом И.
Вращая бурильные трубы и подавая промывочную жидкость в скважину, доводят коронку до забоя и начинают бурение. В зависимости от характера буримых пород шпинделем станка сообщается рациональная частота вращения снаряду при необходимой для разрушения породы нагрузке на коронку. Коронка, вращаясь и внедряясь в породу, выбуривает кольцевой забой и формирует керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу. После наполнения колонковой трубы керном или при необходимости замены изношенной коронки бурение скважины останавливают, закрепляют керн в корпусе коронки, отрывают его от забоя и с помощью лебедки станка 17, каната 18, кронблока 20 и элеватора 19 поднимают снаряд на поверхность. Для ускорения подъема и спуска колонны бурильных труб путем сокращения операций по развинчиванию резьбовых соединений снаряд поднимают и спускают не по одной трубе, а свечами, состоящими из нескольких бурильных труб. Свечи соединяют между собой замками 7, а бурильные трубы — муфтами 5. Свечу отвинчивают от колонны при помощи труборазворота 22 и устанавливают в подсвечник 21.
Рис. 4.1. Общая схема установки для колонкового бурения
После подъема на поверхность колонкового набора, состоящего из коронки, колонковой трубы и переходника, извлекают керн и заменяют при необходимости изношенную буровую коронку. Затем спускают снаряд в скважину и продолжают бурение.
Для охлаждения коронки, очистки забоя от разрушенной породы и удаления ее на поверхность скважину промывают или продувают. Промывочная жидкость через всасывающий лпланг 10 засасывается насосом из отстойника 9 и нагнетается к забою скважины через нагнетательный шланг 13, сальник 15 и колонну бурильных труб 4. Промывочная жидкость, достигнув забоя, охлаждает коронку и транспортирует разрушенную породу с забоя на поверхность. Из скважины жидкость поступает в систему желобов 8 и отстойники 9, где частицы породы осаждаются. Затем очищенная жидкость вновь нагнетается в скважину.
Если скважина пересекает неустойчивые породы, которые обваливаются или выпучиваются даже при использовании специальных буровых растворов, то в нее опускают колонну обсадных труб для закрепления стенок скважины, после чего продолжают бурение скважины инструментом меньшего диаметра.
При пересечении скважиной уже изученных пород на участках, где полезное ископаемое отсутствует, целесообразно перейти на бескерновое бурение, которое позволяет существенно повысить производительность за счет сокращения времени на спуско-подъемные операции и повышения механической скорости бурения.
Целью бурения геологоразведочных скважин являются геологические исследования. Поэтому кроме извлечения образцов пород — кернов в скважине проводят специальные работы: измерение ее искривления, геофизические исследования (каротаж), опробование стенок скважины, ориентирование керна, тампонирование для изоляции отдельных горизонтов, гидрогеологические исследования и т. д.
После выполнения скважиной геологической задачи производят ликвидационное тампонирование с целью охраны недр. Оборудование и вышку перевозят на новую точку в собранном или демонтированном виде.
§ 2.	Технологический инструмент для колонкового бурения
Буровой инструмент, служащий для бурения скважины, называется технологическим. К нему относятся породоразрушающий инструмент, колонковые трубы, переходники, бурильные трубы и их соединения, утяжеленные бурильные трубы (УБТ), шламовые трубы, расширители, кернорватели, буровые сальники.
Технологический буровой инструмент, соединенный в определенной последовательности, называется буровым снарядом. Состав бурового снаряда зависит от вида бурения и особенностей скважины. Часть бурового снаряда колонкового бурения,
предназначенная для разрушения горной породы, приема и сохранения керна, называется колонковым набором.
В зависимости от вида истирающего материала, используемого для разрушения породы на забое скважины, различают разновидности колонкового бурения — алмазное, твердосплавное и дробовое. Соответственно видам колонкового бурения применяют различные колонковые наборы (рис. 4.2).
Буровая коронка для колонкового бурения (рис. 4.3) представляет собой стальное кольцо, имеющее резьбу для присоединения к колонковой трубе. На наружной поверхности коронок выполнены пазы для прохода промывочной жидкости; внутренняя поверхность — конусная. При колонковом бурении используют твердосплавные и алмазные коронки (дробь применяют редко). У твердосплавных коронок к корпусу прикреплены резцы из твердого сплава, у алмазных — матрица, содержащая алмазные зерна.
Для заклинивания керна используют кернорватели, состоящие из конического разрезного пружинного кольца и корпуса кернорвателя. Кернорватель располагается между коронкой и колонковой трубой. При заклинивании пружинное кольцо входит в конусную часть корпуса и зажимает керн. Если кернорватель отсутствует, то керн заклинивают, заполняя конусную часть коронки заклиночным материалом.
Расширители применяют для предохранения скважины от сужения, связанного с износом коронок по наружному диаметру. Они представляют собой цилиндр, на наружной поверхности которого имеются режущие элементы — твердосплавные вставки или алмазосодержащие штабики. Диаметр расширителя должен быть на 0,05—0,1 мм больше наружного диаметра коронки.
Колонковые трубы предназначены для приема выбуриваемого керна и обеспечения необходимого направления скважины. Колонковые трубы изготовляют из цельнотянутых стальных трубных заготовок, на обоих концах трубы нарезают внутреннюю трапецеидальную резьбу с шагом 4 мм для соединения с коронкой и переходником. Длина колонковых труб 1,5; 3; 4 и 6 м. При бурении глубоких скважин колонковый набор собирают длиной до 30 м. В этом случае колонковые трубы соединяют с помощью ниппелей, имеющих на концах наружную резьбу. Основные размеры колонковых труб приведены в табл. 4.1.
Переходники служат для соединения колонны бурильных труб с колонковой трубой. Трубные переходники выпускают двух видов: фрезерные и тройные. Фрезерные переходники служат для соединения бурильных труб с колонковыми. Тройным переходником нижний конец бурильной колонны соединяют с колонковой и шламовой трубами.
Рис. 4.2. Колонковые наборы:
а, б» в — твердосплавного, алмазного и дробового бурения соответственно: 1, 8, 10 — твердосплавная, алмазная и дробовая коронки; 2—корпус кернорвателя; 3 — рвательное кольцо; 4— колонковая труба; 5 — переходник; 6 — замковый ниппель; 7 — бурильная труба; 9 — алмазный расширитель; 11 — шламовая труба
Рис. 4.3. Буровые коронки для колонкового бурения:
а —- твердосплавная; б —алмазная; 1 — корпус коронки (короночное кольцо);
2 — резьба; 3 — конусная поверхность;
4 — твердосплавные резцы; 5 — промывочный паз; 6 — алмазосодержащая матрица; 7 — алмазы
Таблица 4.1
Диаметр, мм
алмазной коронки		твердосплавной коронки		колонковой и обсадной труб		
наружный	внутренний	наружный	внутренний	наружный	внутренний	внутренний ниппелей обсадных труб
	.			151	132—133	146	137	135,5
		—	132	113—114	127	118	116,5
112	92	112	93—94	108	99,5	97,5
93	73	93	74—75	89	81	78,5
76	59	76	58—59	73	65,5	62,5
59	42	59	44	57	49,5	46,5
46	31	46	31	44	37	33,5
36	22	36	21	34	27	—
26	14	—	—	—	—	—
Бурильные трубы предназначены для передачи вращения от вращателя станка породоразрушающему инструменту. По бурильной колонне к забою передается промывочная жидкость или сжатый воздух. Через бурильные трубы передается осевая нагрузка, необходимая для эффективной работы инструмента.
Кроме того, бурильную колонну используют для работы с аварийным инструментом. Бурильные трубы изготовляют бесшовными из качественных сталей марок Д, 36Г2С, 40Х, ЗОХГС. Трубы при изготовлении подвергают термической обработке— нормализации или закалке с высоким отпуском. Чтобы трубы не были ослаблены в резьбовом соединении, концы их утолщают высадкой при температуре нагрева 1170— 1230 °C. Бурильные трубы для разведочного бурения выпускают ниппельного и муфтово-замкового соединений (рис. 4.4). Бурильные трубы для муфтово-замкового соединения снабжены наружными конусными резьбами. В свече трубы соединяются муфтами, а свечи между собой — бурильными замками.
Бурильные трубы для ниппельного соединения имеют внутренние цилиндрические резьбы трапецеидальной формы. Трубы соединяют между собой в свечи с помощью одно- и двупрорезного ниппелей. Два ниппеля образуют ниппельный замок.
Основные размеры (мм) бурильных труб для колонкового бурения приведены в табл. 4.2.
Бурильные трубы в процессе бурения трутся о стенки скважины и подвергаются поверхностному износу. С целью поверхностного упрочнения труб целесообразно производить поверхностную закалку труб токами высокой частоты. Тяжелые условия работы бурильной колонны нередко приводят к обрыву
Рис. 44. Бурильные трубы для разведочного бурения:
а, б — с ниппельным и муфтово-замковым соединениями; в — с приваренными замками; /—труба; 2 — ниппель или муфта; 3, 4 — конус (ниппель) н муфта замка
бурильных труб. Обычно трубы рвутся по резьбовому соединению и в местах высадки.
Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ). Бурильные трубы, изготовленные из легких сплавов, в 2,2—2,5 раза легче стальных труб такого же размера. При погружении Таблица 4.2
Диаметр труб		Длина труб	Диаметр ниппеля		Наружный диаметр замка	Наименьший диаметр отверстия в высаженном месте
наружный	внутренний		наружный	внутренний		
33,5	24	1500 3000	34	14	—	—
42	32	1500 3000	44	16	—	—
50	39	4500	52	22	—	—
42	32	1500 3000 4500	—	—	57	22
50	39	1500 3000 4500	—	—	65	28
63,5	51,5	3000 4500 6000	—	—	83	40
в промывочную жидкость вес стальных труб уменьшается приблизительно на 13%, а трубы из алюминиевых сплавов становятся легче на 36%. Соответственно снижается мощность при извлечении бурильной колонны из скважин.
Применение ЛБТ позволяет: 1) снизить расход мощности на СПО и вращение бурильной колонны; 2) сократить затраты времени на СПО; 3) облегчить труд и повысить производительность буровой бригады.
Для высокочастотного бурения скважин алмазными и твердосплавными коронками диаметрами 46, 59 и 76 мм применяют ЛБТ диаметром 42, 54 и 68 мм. Трубы изготовляют из алюминиевого сплава Д16Т.
Краткая техническая характеристика ЛБТ
Тип трубы ....	ЛБТН-68	ЛБТН-54	ЛБТМ-54	ЛБТН-42
Наружный диаметр, мм: трубы ....	68	54	54	42
ниппеля ....	68,5	54,5	—	——
замка и муфты .		.—	64	42,5
Толщина стенки трубы, мм		9	9	9	7,0
Масса 1 м труб с учетом соединений, кг .	5,5	4,75	4,75	3,1
Для увеличения массы и жесткости нижней части				бурильной
колонны применяют утяжеленные бурильные трубы (УБТ). Включение в снаряд УБТ, особенно при бурении глубоких скважин, улучшает условия работы колонны и уменьшает искривление скважины. Утяжеленные бурильные трубы изготовляют из толстостенных трубных заготовок стали марки 40Х с высаженными концами. Длина труб 4,5 м, наружные диаметры 73, 89 и 108 мм. Масса УБТ соответственно 25,6; 36 и 52 кг/м. Утяжеленные трубы располагают между колонковым снарядом или долотом и колонной бурильных труб. Вес УБТ должен превосходить требуемую нагрузку на породоразрушающий инструмент на 25—50%.
Современным и перспективным условиям бурения геологоразведочных скважин отвечает разработанная ВИТРом отраслевая нормаль (ОН 41-1—68) на бурильные трубы. Этой нормалью предусмотрено изготовление труб из стали групп прочности Д, К, Л, М. Бурильные трубы ниппельного соединения диаметрами 24, 32, 42, 54 и 68 мм предназначены для алмазного бурения скважин средних глубин (до 1000 м) при высоких частотах вращения бурового снаряда, а диаметрами 38 и 50 мм —для алмазного бурения глубоких скважин при сравнительно' небольших частотах вращения снаряда. Трубы муфтово-замкового соединения диаметрами 50, 60,3 и 73 мм предназначены для бурения скважин большой глубины алмазными
коронками диаметрами 76, 93 и 112 мм, а также для бурения •скважин неалмазными породоразрушающими инструментами диаметром 76 мм и более.
Шламовые трубы применяют для улавливания крупных и тяжелых частиц шлама. Шламовые трубы изготовляют из тех же заготовок, что и колонковые трубы. На нижнем конце шламовой трубы выполнена левая резьба для соединения с тройным переходником; верхний конец трубы срезан под углом и загнут внутрь для того, чтобы при подъеме шламовая труба не упиралась в башмак обсадных труб. Улавливание шлама происходит в результате того, что у верхней кромки трубы вследствие изменения сечения резко падает скорость движения восходящего потока промывочной жидкости. Частицы шлама, попадая в шламовую трубу, оседают в ней. Длина шламовой трубы определяется с учетом размещения в ней объема шлама, получаемого за рейс. Шламовую трубу включают в снаряд при большой разности диаметров скважины и бурильных труб, а также при дробовом бурении, когда на забое образуется много тяжелых металлических частиц.
Обсадные трубы. При колонковом бурении применяют бесшовные цельнотянутые обсадные трубы с гладкой наружной поверхностью, соединяемые ниппелями. Обсадные трубы изготовляются из той же трубной заготовки, что и колонковые, и отличаются от них только длиной резьбы, составляющей 60 мм. Размеры обсадных труб приведены в табл. 4.1.
При неглубоком бурении обсадные трубы малого диаметра соединяют без ниппелей посредством резьбы, нарезаемой снаружи на одном конце трубы и внутри на другом.
§ 3. Вспомогательный инструмент для спуско-подъемных операций
Для обслуживания технологического инструмента при бурении и спуско-подъемных операциях используют вспомогательный инструмент: ключи, элеваторы, подкладные вилки и трубодержатели (рис. 4.5). Размеры инструмента должны соответствовать диаметру бурильных труб, для работы с которыми они предназначены.
Шарнирные ключи для бурильных, колонковых и обсадных труб применяют для захвата за гладкую поверхность трубы. Ключи служат для разборки и сборки буровых снарядов и обсадных труб. Подкладная вилка вставляется в прорези замка или ниппеля и удерживает колонну труб над устьем скважины при наращивании снаряда или отсоединении свечи. Используют несколько типов подкладных вилок: для работы с труборазворотом и без него.
Короночные ключи предназначены для свинчивания твердосплавных и алмазных коронок и изготовляются в виде клещей с зубом или круговых ключей со штифтами.
Для захвата за гладкую поверхность трубы в любом месте ври подвешивании колонны над устьем скважины или для поворота бурильной колонны применяют трубодержатели двух типов: секторный и клиновой с педальным управлением.
Элеватор служит для захвата колонны бурильных труб за прорезь ниппеля или замка при выполнении спуско-подъемных операций. Элеватор снабжен подвижным кольцом (или защелкой), которое препятствует случайному выпадению труб из гнезда. Серийно выпускают элеваторы с кольцевым фиксатором грузоподъемностью от 20 до 200 кН.
В настоящее время широко используют полуавтоматические элеваторы, конструкция которых предусматривает работу с ними без участия верхового рабочего. Такие элеваторы подхватывают свечу за наголовник, надеваемый на ее верхнюю часть. Существуют также конструкции полуавтоматических элеваторов, работающих без наголовников (например, Э18/50). Элеватор типа МЗ-50-80-2, работающий с наголовником, предназначен для спуска и подъема колонны бурильных труб муфтово-замкового и ниппельного соединений диаметрами 42, 50 и 54 мм.
При выполнении спуско-подъемных операций с буровым снарядом наиболее трудоемки свинчивание и развинчивание бурильных свечей. Для механизации этих работ и повышения производительности бурения применяют механизмы, называемые труборазворотами. Труборазворот представляет собой вращатель с двухступенчатым редуктором, смонтированным в специальном корпусе (рис. 4.6).
Для облегчения труда рабочих и сокращения времени на спуско-подъемные операции при перемещении свечей между устьем скважины и свечеприемником следует применять свече-укладчики.
§ 4. Буровые установки для колонкового бурения
Буровой установкой называется комплекс бурового и энергетического оборудования, а также сооружений (вышка или мачта и буровое здание), служащий для бурения скважин.
В буровую установку входят буровой агрегат, размещаемый в буровом здании, и буровая вышка. Буровой агрегат включает буровой станок, промывочный насос и силовые приводы к ним, а также аппаратуру контроля и регулирования процесса бурения.
Установки для колонкового бурения по транспортабельно-

Рис. 4.6. Труборазворот PT-1200 М:
/ — вращатель; 2 — центратор; 3 — водило; 4, 5 — подкладная и ведущая вилки; 6 — электродвигатель; 7 — рама
сти разделяются на стационарные, передвижные, самоходные и переносные.
Стационарными называются такие установки, у которых буровой агрегат и вышка монтируются в виде одного или нескольких блоков. Эти установки не имеют собственной транспортной базы. После окончания бурения скважины элементы установки перевозят на новое место бурения с помощью универсальных транспортных средств. Стационарные буровые установки используют при больших затратах времени на бурение скважин.
Передвижные буровые установки монтируют на одной или нескольких рамах, установленных на санях, колесных или гусеничных тележках, плавучих средствах. Такие установки применяют при небольших расстояниях между скважинами и перемещают буксировкой автомашинами или тракторами.
Рис. 4.5. Вспомогательный инструмент для спуско-подъемных операций:
а — шарнирный ключ; б, в — ведущая и подкладная вилки; г — кольцевой элеватор; 1 — серьга; 2 — фиксатор; 3— кольцо; 4—-корпус, <5 — полуавтоматический элеватор, / — подвеска; 2 — корпус; 3 — затвор; 4 —фиксатор; 5 — отражатель; е — наголовник: / — корпус;
2 — стержень; 3 — фиксирующий винт; 4 — головка
Самоходные буровые установки монтируют на базе автомашин, тракторов или самоходных плавающих средств.
Переносные установки предназначены для бурения неглубоких скважин в труднодоступных районах. Они легко разбираются на узлы малой массы и транспортируются вручную или вьюками.
Буровым агрегатом называется комплекс оборудования, состоящий из бурового станка, насоса для промывки скважины и силового привода к ним. В состав бурового агрегата включается также аппаратура контроля и регулирования процессов *бурения.
Буровые станки служат для вращения колонны бурильных труб с колонковым набором, регулировки осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент с подачей бурового снаряда по мере углубления скважины, а также для осуществления спуско-подъемных операций при бурении скважины, креплении ее обсадными трубами и специальных работах. Основные узлы бурового станка следующие: вращатель, лебедка, регулятор нагрузки на породоразрушающий инструмент, коробка передач, главный фрикцион для включения и отключения станка и пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой (рис. 4.7).
Вращатель бурового станка является основным рабочим механизмом, выполняющим технологические операции при бурении. По типу вращателя буровые станки разделяют на шпиндельные, роторные и подвижные.
Лебедка служит для спуска в скважину и подъема из нее бурового инструмента и обсадных труб.
Осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент и скорость подачи бурового снаряда регулируют механизмом подачи бурового станка. Коробка передач служит для передачи крутящего момента вращателю через муфту. Коробка передач обеспечивает несколько частот вращения при бурении и скоростей подъема бурового инструмента. Буровые установки оснащают аппаратурой комплексного контроля для наблюдения за основными параметрами процесса бурения. Аппаратура комплексного контроля позволяет получать сведения об изменениях нагрузочных характеристик работающего оборудования по явлениям, происходящим в скважине, и на основании полученных данных оперативно управлять процессом бурения. С помощью приборов измеряют и регистрируют нагрузку на породоразрушающий инструмент, крутящий момент, частоту вращения, интервал бурения, скорость навивки и усилие каната, расход промывочной жидкости. Приборы иногда оснащают предупредительной звуковой и световой сигнализацией.
По конструкции механизмы подачи бурового снаряда классифицируют на пять основных типов: реечно-шестеренча-
Рис. 4.7. Буровой станок СКБ-4:
/ — рама; 2 — станина; 3 — электродвигатель; 4дисковое сцепление; 5, 6 — тормоза спуска и’подъема, 7 — коробка передач; 8— лебедка, 9 — раздаточная коробка; /0 — указатель давления; //— вращатель; 12— блок гидросистемы, 13— цилиндр перемещения
тый, поршневой, винтовой, цепной или канатный и рычажно-шарнирный.
В СССР наиболее распространены станки с поршневым механизмом подачи бурового снаряда, имеющим гидравлический привод.
Преимущественно применяют шпиндельные станки с гидравлической системой подачи. Вращение и подача бурильной колонны у шпиндельных станков осуществляется с помощью шпинделя. Верхний конец бурильных труб закрепляется в зажимных патронах пустотелого вала-шпинделя и перемещается вместе с ним. Шпиндельные станки обеспечивают возможность бурения скважин в различных направлениях.
В станках роторного типа вращение бурового снаряда производится ротором с помощью ведущей трубы многогранного сечения. Подача бурового снаряда осуществляется при помощи лебедки под действием веса снаряда.
Станки с гидравлической подачей обеспечивают бурение скважин глубиной от 25 до 2000—3000 м. Гидравлическая подача обладает следующими достоинствами:
1)	обеспечивает возможность с необходимой точностью регулировать осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент;
2)	позволяет производить плавную подачу бурового снаряда с требуемой скоростью;
3)	позволяет определять вес снаряда в скважине;
4)	может быть использована как гидравлический домкрат при извлечении труб или ликвидации аварий;
5)	значительно облегчает труд обслуживающего персонала.
Гидравлическая система шпиндельного бурового станка обеспечивает перемещение шпинделя вращателя и регулирование осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, управление зажимным патроном вращателя и гидротормозами лебедки, а также перемещение станка на раме.
Гидравлическая система станка (рис. 4.8) состоит из следующих основных частей: масляного насоса 3, масляного бака 1 с фильтром 2, распределительного крана 6, цилиндров тормозов спуска 7 и подъема 10, дроссельного устройства 12, прибора гидроуправления 15, цилиндров гидроподачи 20 и перемещения станка 21, крана 16 управления зажимным патроном и маслопроводов, пружинно-гидравлического патрона 17.
Рис. 4.8. Схема гидравлической системы шпиндельного бурового станка
В гидравлическую систему станка включены два манометра 5, указатель осевой нагрузки 14 и два предохранительных клапана 4, исключающих перегрузки гидросистемы.
Масляный насос 3 из масляного бака 1 подает масло к золотнику 8 распределительного крана 6, который имеет два рабочих положения. При одном положении масло из рабочих узлов масляного насоса двумя потоками через распределительный кран (VII) подается к тормозным цилиндрам лебедки 9. Управление тормозами лебедки осуществляется рукоятками 23 (тормоза подъема) и 11 (тормоза спуска) дроссельного устройства 12, изменением давления в цилиндрах путем сбрасывания части масла в бак.
При втором положении распределительного крана два потока масла, идущие от рабочих узлов насоса, объединяются в один. Масло по магистрали направляется к прибору гидроуправления 15, в корпусе которого находятся золотник 13 и дроссель 22. Направление дальнейшего движения масла зависит от положения золотника, представляющего собой цилиндр, находящийся в корпусе прибора управления. На схеме золотник условно показан в виде диска, а различные варианты (la, 1— VII) совмещения его каналов с магистральными маслопроводами (Л, Н, ВП, НП, С, П) изображены в нижней части рис. 4.8. Дросселем 22 прибора гидроуправления регулируется давление масла в гидросистеме.
Гидравлическая подача бурового снаряда, регулирование нагрузки на породоразрушающий инструмент, перемещение бурового станка осуществляется изменением давления масла в полостях гидравлических цилиндров 20 и перемещением штоков 18 с поршнем 19 с помощью прибора гидроуправления.
В СССР созданы установки для колонкового бурения типа УКБ, отвечающие современному мировому уровню. Предусмотрено восемь классов базовых моделей установок: УКБ-1 (12/25); УКБ-2 (50/100), УКБ-3 (200/300); УКБ-4 (300/500), УКБ-5 (500/800), УКБ-6 (800/1200), УКБ-7( 1200/2000), УКБ-8 (2000/3000) и их различные модификации (стационарные, передвижные, самоходные, разборные на узлы малой массы, для бурения из подземных горных выработок).
К особенностям установок типа УКБ относятся максимальная механизация и частичная автоматизация СПО (свинчивание и развинчивание бурильных свечей, подъем и опускание мачты, перехват снаряда и др.). В конструкции этих установок широко применяют автотракторные узлы. Улучшена раз-борность и монтажеспособность установок, благодаря чему резко сокращаются затраты времени на их перебазирование, созданы комфортные условия для буровых бригад.
В табл. 4.3 приведены некоторые технические характеристики буровых станков с гидравлической подачей.
Таблица 4.3
Параметры	ЗИФ-650М	ЗИФ-1200МР	УКБ-50/100П	УКБ-200/300П	УКБ-200/300С
(Глубина бурения (м) при конечном диаметре скважины, мм: 93	650	1500	50	200	200
59	800	2000	100	300	300
Начальный диаметр скважины,	200	250	132	132	132
мм Угол	наклона	60—90	80—90	70—90	70—90	70—90
скважины, градус Диаметр бурильных труб, мм	50; 54; 63,5; 68	50; 54; 63,5; 68	42; 33,5	42; 50	42; 50
Внутренний диаметр шпинделя	68	78	46	53	53
(стола ротора), мм Ход шпинделя, мм	500	600	400	500	500
Частота вращения шпинделя (ротора), с-1: 1-й диапазон	1,45; 1,97; 3,13; 4,2;	1,25; 2,27; 3,85; 4,8;	2,58; 5,42;	1,83; 3,3;	1,67; 3,04; 5,46; 8,5;
	5,67; 6,67;	5,6; 6,9;	9,83;	5,92;	12,5
	9,6; 13,3	8,6; 10	16,7	9,25;	
				13,6	
			5 1;	2 67-	3,33; 6,08;
2-й диапазон			1:6,8;	4(83;	16,9; 17; 25
			19,5;	8,58;	
			33,3	13,4;	
Лебедка:				19,7	
грузоподъем-	35	55	6,3	20	20
ность, кН скорость навивки каната, м/с	0,7; 0,95; 1,5; 2,04; 2,72; 3,7	0,7; 1,24; 2,1; 2,61; 3,04; 2,76;	0,7; 1,5; 2,8; 4,7	0,69; 1,25; 2,28; 3,5;	0,76; 1,4; 2,5; 3,85; 5,7
		4,7; 5,24		5,15	
диаметр барабана, мм	350	430	210	210	210
Наибольшее усилие гидроподачи,					
кН: вверх вниз	80	350	20	40	40
	65	120	15	30	30
Тип насосной уста-	НБ-32	НБ-32 или	НБ2-	НБ-	НБЗ-120/40
новки		АНБ-22	63/40	120/40	
Привод установки:	Д-54А				Д37Е-03-1
тип двигателя внутреннего сгорания					
					
	УКБ-ЗСТ-Э	УКБ-4П	УКБ-500С	УКБ-5П	УКБ-7П	УКБ-8
	200	300	300	500	1200	2000
	300	500	500	800	2000	3000
	132	151	151	151	214	295
	70—90	60—90	60—90	70—90	75—90	90
	50; 54; 55;	52; 50; 54;	42; 50; 54;	50; 54;	50; 54; 55;	50; 54; 60,3;
	70	55	55	55; 63,5; 68	63,5; 68; 73	63,5; 68; 73; 55; 70
	53	57	57	75	72	Сменный ротор (135 и 350)
	500	500	400	500	600	—
	2,83; 5,48; 9,83; 15,3; 22,5	0,42; 0,73; 0,87; 1,13; 1,67; 1,87; 2,9; 4,27	0,42; 0,73; 0,87; 1,13; 1,67; 1,87; 2,9; 4,27	2; 4,33; 5,67; 6,83; 9; 12; 18,8; 25	0—25*	1—20*
		2,58; 4,65; 6,57; 7,22; 10,6; 11,8; 18,3; 26,6	2,58; 4,65; 6,57; 7,22; 10,6; 11,8; 18,3; 26,7			
	20	25	25	35	51	60
	0,69; 1,25; 2,25; 3,5; 5,15	0,9; 1,75; 2,75; 4	0,9; 1,75; 2,75; 4	0,8; 1,75; 2,7; 3,6	0,8—8,0*	0—11,7*
	210	250	250	—	350	—
	40 30	60 40	60 40	85 65	150 200	Подача с лебедки
	НБЗ-120/40	НБЗ-120/40	НБЗ-120/40	НБ4-320/63	НБ4-320/63	НБ5-320/10
	Дизель-электриче-ский	—	—	—	—	—
		См	с	с	и	
	§	g	о	С?	о	
Параметры			ю			
	е		Й	ih	to	
	5		X			
	го	ГО	>>	>>	>>	
мощность, кВт	39,7	—		—.	29,4	
Электродвигатель станка:						
тип	А2-72-4	АК.-2-	АО2-	АО2-61-4	—	
		91-6	52-4/2			
мощность, кВт	30	55	9,8/11,7	13	—	
Высота	мачты	18(24)	24(27)	7,6	14	9,5	
(вышки), м Длина свечи, м Габариты, мм:	14	18,6	4,7	9,5	6,2	
станка:						
длина	2725	3475	—	2290	2290	
ширина	1180	1430	—	890	890	
высота	2205	1850	—-	1485	1485	
установки:			5580			
длина	—-	—		9860	8340	
ширина	—	—	3000	6525	2500	
высота	—	—	8330	15 050	11 000	
Масса, кг:						
станка	2800	5200	760	1600	1600	
установки		—	5670	6700	9790	
* Бесступенчатая.
** Для ротора.
к** Для лебедки.
В состав передвижной буровой установки типа УКБ-50/100 (рис. 4.9) входят буровой станок, буровой насос НБ2-63/40, мачта и буровое здание. Оборудование установки смонтировано на санях. Мачта поднимается из транспортного положения в рабочее гидроподъемником. При бурении наклонных скважин мачту наклоняют с помощью винтовой пары на нужный угол в плоскости, перпендикулярной к установке.
Установка предназначена для бурения скважин при поисках твердых полезных ископаемых на глубину до 100 м. Диаметр скважин при бурении твердосплавными коронками составляет от 132 до 93 мм, алмазными — от 132 до 59 мм. Буровой станок имеет широкий диапазон частоты вращения. Усилие, развиваемое гидравлической подачей, составляет: вниз — 15 кН, вверх — 20 кН. Максимальная грузоподъемность лебедки — 6,3 кН. Привод станка осуществляется от электродвигателя мощностью 11,7 кВт. Масса установки — 5670 кг.
Самоходные буровые установки, смонтированные на транспортных средствах, в отличие от стационарных и передвижных
Продолжение табл. 4.3
	УКБ-ЗСТ-Э	УКБ-4П	УКБ-500С	УКВ-5П	УКБ-7П	УКБ-8
	—	—	—	—	—	—
	4А-160-443	АО2-71-4	Д-144	АО2-72-4	Д-812	Д-812**; ДП-82***
	15	22	29,3	30	70	70**; 95***
	9,9	13,7	12,7	17,8	25	24(27,6)
	6,2	9,5	9,0	14	18,6	18,6(24)
	2290	1820	1820	1905	2780		
	890	1150	1150	1000	1550	—
	1485	1630	1630	1925	2150	—
	7600	13 200	7600	10 700	13 500	1 8000'
	3000	4200	2900	4500	10 000	9000
	И 320	14 700	13 200	19 100	26 000	2 8000
	1600	1600	1600	2200	5000		
	19 000	14 000	12 000	17 500	25 000	30 000
позволяют существенно сократить затраты времени на монтажные и демонтажные работы при производстве поискового разведочного бурения. Самоходная буровая установка УКБ-200/ /300С смонтирована на автомашине ЗИЛ-131. На платформе автомашины смонтированы: дизель Д37Е-СЭ-1 мощностью 29,4 кВт, приводящий установку в действие, буровой станок СКБ-3, буровой насос НБЗ-120/40С, труборазворот с приводом от гидродвигателя, укрытие и мачта высотой 9,5 м.
Установка мачты в рабочее положение и укладка в транспортное производится с помощью гидросистемы установки. При бурении наклонных скважин мачту наклоняют на нужный угол с помощью винтового подкоса.
§ 5. Буровые насосы
Колонковое бурение в основном производится с промывкой скважин технической водой или глинистым раствором. Буровой насос предназначен для подачи под давлением промывоч-
Рис. 4.9. Буровая установка УКБ-50/100:
1 — буревой станок; 2 — тру-боразворот; 3 — санное основание; 4 «— подсвечник; 5 — сборное укрытие; 6 — освещение; 7— элеватор; 8 — каретка элеватора-. 9 — трубо-приемннк; 10 — кронблок; 11 — мачта; 12 — гидроци-лнндры подъема и опускания мачты; 13 — основание мачты; 14 — буровой насос
ной жидкости в буровую скважину. Насосы для геологоразведочного бурения должны быть просты по конструкции, надежны в эксплуатации и рассчитаны на перекачку вязкой жидкости, содержащей значительное количество абразивных частиц песка. Кроме того, эти насосы должны легко транспортироваться.
Конструкция насосов должна обеспечивать регулирование расхода промывочной жидкости, подаваемой в скважину, в соответствии с технологическими особенностями бурения.
Геологоразведочные скважины промывают поршневыми насосами двойного действия, а также одно- и трехплунжерными насосами одинарного действия.
Принцип действия поршневого и плунжерного насосов основан на вытеснении жидкости из цилиндров поршнем (плунжером), совершающим возвратно-поступательное движение.
Рис. 4.10. Кинематическая схема плунжерного насоса:
1 — шатун; 2 — цилиндр; 3 — плунжер; 4, 5 — соответственно нагнетательный и всасывающий клапаны
Рис. 4.11. Насосная установка НБЗ-120/40
В плунжерном насосе (рис. 4.10) рабочим элементом является плунжер, изготовленный из высококачественной стали. Он представляет собой полый открытый сверху цилиндр, сопрягающийся с сальниковыми уплотнениями цилиндра в гидравлической части корпуса насоса.
В плунжерном насосе одинарного действия жидкость нагнетается только во время прямого хода плунжера, при обратном ходе жидкость всасывается.
Для обеспечения современных условий бурения геологоразведочных скважин в соответствии с СТ СЭВ 771—77 выпускают пять классов плунжерных буровых насосов, которыми комплектуют буровые установки типа УКВ (табл. 4.4).
Насосная установка НБЗ-120/40 (рис. 4.11) предназначена для использования с буровыми установками УКБ-200/300П, УКБ-200/300С, УКБ-ЗСТ, УК.Б-500С. Насосная установка состоит из электродвигателя 1, фрикциона 2, пятискоростной коробки передач 3, трехплунжерного насоса 5, смонтированных
Таблица 4.4
Параметры	НБ1-25/16 1		НБ2-63/40	НБЗ-120/40	НБ4-320/63	НБ5-320/100
Подача, (м3/с) 10-4	4; 17	5; 10	2,5; 3,17; 6,67; 11,2; 20	(15,8; 23,3; 43,3)*; 20,8; 30; 53,3	5,3; 9,17; 17,5; 20,8; 21,7; 53,3
Давление, МПа	1,6	4,2	4,0; 4,0; 4,0; 4,0; 2,0	6,3; 6,3; 5,5; 3,0	10,0; 10,0; 10,0; 10,0; 10,0; 6,0
Число плунжеров	1	3	3	3	3
Диаметр плунжера, мм	45	45	63	45	80; 90; 100
Число двойных ходов в 1 мин	390	175; 350	31; 38; 80; 146; 249	95; 140; 260	95; 140; 260
Длина хода плунжера, мм	20	40	60	90	150
Мощность привода, кВт	3,3	3	7,5	22	37
Масса, кг	44	250	680	1250	1500
* Группе величин ления.
подачи в скобках соответствует одно значение наибольшего дав-
на общей раме. Вращение с выходного вала коробки передач через эластичную муфту 4 передается на входной вал, который через пару зубчатых колес приводит во вращение эксцентриковый вал приводного блока насоса.
Насос — трехплунжерный, реверсивный, горизонтальный с прямоточной гидравлической частью, которая позволяет достигнуть высоких гидравлических показателей. Насос состоит из гидравлической и приводной частей.
Гидравлическая часть насоса служит для обеспечения необходимых параметров его работы — давления и подачи промывочной жидкости; механическая—для передачи вращательного движения приводного двигателя насоса и преобразования его в поступательное движение плунжера. В камерах гидравлической части находятся клапаны и седла. Клапаны — тарельчатые, нагружены цилиндрическими пружинами. К корпусу гидроблока прикреплены три быстросъемных узла сальник с плунжером. Плунжеры уплотнены резиновыми манжетами и соединены со штоками кривошипно-шатунных механизмов с помощью быстросъемных хомутов. Насос комплектуется линиями всасывания и нагнетания. Линия нагнетания включает в себя предохранительный клапан.
Буровой насос должен быть укомплектован храпком, всасывающим и нагнетательным шлангами, а также буровым сальником.
§ 6. Силовой привод буровых установок
Привод буровых установок может быть групповым, индивидуальным (однодвигательным) и многодвигательным. В групповом приводе один двигатель через трансмиссию приводит в работу все механизмы установки. При индивидуальном приводе каждая машина установки (станок, насос и др.) имеет отдельный двигатель. Многодвигательным является такой привод, когда каждый рабочий орган машины (вращатель, лебедка и т. д.) снабжен двигателями.
Силовой привод буровых установок должен быть экономически эффективен, надежен и долговечен, прост и удобен в управлении, иметь гибкую характеристику.
Для колонкового бурения в качестве силового привода применяют электрические двигатели, двигатели внутреннего сгорания и гидродвигатели. При бурении неглубоких скважин в подземных условиях могут использоваться легкие станки с пневматическим приводом.
При наличии на участке работ линии передачи электроэнергии применяют электродвигатели. К достоинствам электропривода относятся простота обслуживания, высокая экономичность, возможность реверсирования и применения индивидуальных приводов отдельных механизмов бурового агрегата. От линии высокого напряжения электроэнергия подается к двигателям через стационарные или передвижные подстанции с понизительными трансформаторами.
Для привода буровых станков рекомендуется применять асинхронные двигатели переменного тока напряжением 220/380 В. Двигатели малой мощности берут с короткозамкнутым ротором. При мощности более 12—15 кВт лучше использовать электродвигатели с контактными кольцами и пусковыми устройствами, обеспечивающими снижение пусковых токов. На буровых вышках разрешается применять магнитные пускатели или пакетные выключатели закрытого типа. Запрещается использование открытых рубильников. У пусковых устройств электрооборудования должны быть установлены изолирующие подставки. Металлические части электроустановок и механизмов, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции, должны быть тщательно заземлены.
В случае ведения буровых работ продолжительное время большим числом установок при отсутствии линии передачи электроэнергии применяют передвижные электростанции.
В практике геологоразведочных работ наибольшее распространение получили передвижные электростанции ПЭС-30 и ПЭС-60 мощностью соответственно 30 и 60 кВт, вырабатывающие переменный ток напряжением 230 В промышленной частоты 50 Гц. Силовая электростанция ПЭС-60 состоит из унифицированного дизель-электрического агрегата, автомобильного двухосного прицепа, щита управления с контрольно-измерительной аппаратурой, кабельной сети, комплекта запасных частей, инструмента и принадлежностей.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивают автономный привод. Их используют для привода буровых установок на поисковых работах, при предварительной разведке или при бурении одиночных скважин. Самоходные буровые установки приводятся от двигателей внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на две группы:
1) карбюраторные, работающие на бензине;
2) дизельные, работающие на соляровом масле или дизельном топливе.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания применяют в передвижных электростанциях для привода переносных и передвижных буровых установок. К конструктивным особенностям карбюраторных двигателей относятся их компактность и небольшая масса.
Дизельные двигатели применяют для привода буровых агрегатов, генераторов переменного и постоянного тока и различного вспомогательного оборудования.
Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают автономность работы буровой установки, их работа не зависит от наличия линий электропередач в районе работ. Они не нуждаются в передвижных электростанциях, но их работа зависит от своевременного снабжения горюче-смазочными материалами.
Достоинства двигателей внутреннего сгорания — их независимость от внешних источников энергии и относительно экономичное потребление топлива. К недостаткам относятся их недолговечность, необходимость применения коробки скоростей для регулирования величины крутящего момента и реверсирования.
Технические характеристики некоторых типов двигателей внутреннего сгорания приведены в табл. 4.5.
Один из наиболее распространенных в геологоразведочных экспедициях двигателей — дизель Д-37М.
Пневматические двигатели лопастного, поршневого и шестеренного типов применяют в приводах оборудования для бурения скважин из подземных горных выработок. Преимущество пневматических двигателей — возможность плавного регу-
Таблица 4.5
	Тип двигателя внутреннего сгорания							
	Карбюраторный				Дизельный			
Параметры			А СТ чэ				ч	
	04	s’	£ >>	ю С4	g	<	ч	i
		Ч	EI	ч	ч	'Л	S	ч
			у	>>		ч	о	X
Мощность двигателя	2,2	4,4	2,9	5,9	29,4	40	55,2	68,4
номинальная, кВт Частота	вращения	2200	2200	4400	3000	1600	1300	1700	1000
коленчатого	вала,								
МИИ-1 Число цилиндров	1	2	1	2	4	4	4	4
Удельный расход топлива, г/кВт-ч	456	456	748	830	259	279	272	279
Масса, кг	72	92	5,5	95	380	1150	600	2000
лирования частоты вращения и взрывобезопасность, основной недостаток — низкий кпд.
В установках геологоразведочного бурения получает распространение гидравлический привод. Основные элементы объемного гидравлического привода — это насос и двигатель. Насос передает гидравлическую энергию по трубопроводам через регулирующие и распределительные устройства к гидродвигателям, которые приводят в действие рабочие механизмы бурового оборудования. Насос приводится в движение от асинхронного электродвигателя или ДВС. Индивидуальными гидродвигателями приводятся механизмы буровой установки (вращатель, лебедка, труборазворот и др.). В качестве рабочей жидкости применяют индустриальные и веретенные масла.
Гидропривод прост в управлении, имеет небольшие размеры и массу оборудования, обеспечивает реверсирование и бесступенчатое плавное регулирование частоты вращения вала гидродвигателя и соответственно частоты вращения рабочих механизмов. Такое регулирование частоты вращения практически от нуля обеспечивает большие технологические преимущества при бурении и вспомогательных операциях.
Плавнорегулируемый привод для буровых установок позволяет экономично использовать установленную мощность, работать при оптимальной частоте вращения для конкретных систем буримая порода — породоразрушающий инструмент, в значительной степени гасить вибрацию бурового снаряда.
При использовании электропривода от электродвигателей постоянного тока с тиристорной электрической аппаратурой обеспечивается преобразование переменного тока в постоянный
Рис. 4.12. Металлическая буровая вышка:
1,7 — нижнее и верхнее основания; 2—опора вышки; 3, 5— тоннельная и маршевая лестницы; 4 — переходная площадка; 6 — кронблок; 8 — рабочий полок
и плавное регулирование частоты вращения вала двигателя от нуля до максимально допустимой для данного двигателя.
Плавнорегулируемый привод перспективен для установок колонкового бурения.
§ 7. Буровые вышки и мачты
Для бурения скважин стационарными буровыми установками необходимо сооружение буровой вышки, состоящей из собственно вышки и бурового здания. Вышка служит для спуска в скважину и извлечения из нее с помощью грузоподъемных механизмов бурового снаряда, обсадных труб и размещения поднятых бурильных свечей. В буровом здании размещается буровой агрегат. Здание предназначено также для защиты рабочих и механизмов от атмосферных явлений.
Буровые вышки могут быть деревянными — из бревен и досок, и м ет а л л и ч е с ки м и —из труб и профильного проката. Буровая вышка пирамидальной формы, имеющая в основной конструкции три или четыре опоры, называется башенной вышкой. Собственно вышка состоит из нижнего и верхнего оснований, опор, поясов и раскосов. Тип и конструкцию вышки следует выбирать с учетом конкретных условий и экономической целесообразности. Металлическая буровая вышка дана на рис. 4.12. Основные параметры, характеризующие буровую вышку, — ее высота, размеры нижнего и верхнего оснований, высота расположения рабочего полка и грузоподъемность вышки. Грузоподъемность вы-
шек должна не менее чем в 1,5 раза превышать максимально возможную в процессе эксплуатации нагрузку от веса бурового снаряда или колонны обсадных труб. Высота вышки определяется длиной свечи. При колонковом бурении обычно применяют
вышку, пользуясь следующими данными.
Глубина скважины, м 100—150 150—300 300—500 500—800 800 и более Длина свечи, м .	.	4,5—6	9—12	12—15	15—18,5	18—24
Высота вышки, м	,	7—9	12—15	15—18	22—24	26—30
Различают трех- и четырехопорные вышки. Трехопорные вышки (треноги) используют для бурения наклонных и вертикальных скважин глубиной до 100—200 м. Четырехопорные вышки имеют большую устойчивость и грузоподъемность, чем трехопорные, и применяются при бурении глубоких скважин.
Металлические вышки быстрее собираются и разбираются, имеют длительный срок службы. Металлические вышки могут монтироваться последовательным соединением деталей конструкции вышки, наращиваемых снизу вверх, или сборкой в горизонтальном положении с последующим подъемом. Вышку поднимают трактором или лебедкой. При этом используют специальные приспособления: стрелы, козлы, канаты, лебедки.
По ровной местности буровые вышки можно передвигать в неразобранном виде. Для этого нижние рамные брусья изготовляют в форме полозьев, обшитых снизу полосовым железом. Трасса передвижения вышки должна быть намечена заранее и не должна иметь резких переходов от спуска к подье-му и наоборот.
Применяют также передвижные буровые установки с металлическими мачтами. Буровой мачтой называется вышка, имеющая в основной конструкции одну или две опоры. Мачты более транспортабельны и менее металлоемки, чем башенные металлические вышки. Мачты монтируют на общем основании со зданием и устанавливают на металлические полозья санного типа. При перевозке ферму мачты укладывают в горизонтальное положение и транспортируют трактором или автомобилем вместе со всем оборудованием, размещенным внутри здания.
Собственно мачта представляет собой пространственную решетчатую металлоконструкцию (МРУГУ) или трубчатую колонну (БМТ), которые представлены на рис. 4.13.
Технические характеристики передвижных буровых мачт приведены ниже.
Мачта .... БМТ-1	БМТ-4	МБТ-5	БМТ-7	МРУГУ-2	МРУГУ-18/20
Высота, м . . . 13,5 1Г рузоподъемность,	13,7	17,8	25	12	18
кН	65/100 Угол наклона сква-	32/80	50/80	125/200	140	200
жины, градус . . 90—60	90—60	90—60	90—75	90—65	90—75
Длина свечи, м .	9,5	9,5	14	18,6	9	13,5
Масса, т .	2,4 Глубина бурения,	5,8	6	11	2,75	6,5
м	800	500	800	2000	300	800
Рис. 4.13. Буровые мачты:
а — МРУ ГУ-18/20: / — санное основание; 2 — основание стрелы; 3 — укосина; 4— сошка; 5 —стрела; б — свечеприемиик; 7 — оттяжки; 8 — кронблок; 9 — рабочая площадка; б — БМТ-7: / — санное основание; 2 — портал; 3 —тяга; 4 — подкос; 5 — рабочая площадка;
6 — ствол; 7 — растяжки; 8 — лестницы; 9 — буровое здание
Освещение рабочих мест при бурении скважин имеет большое значение для безаварийной работы и высокой производительности труда. При работе в ночное время источниками электроэнергии для искусственного освещения служат линия передачи электроэнергии, от которой приводится буровой агрегат, передвижные электростанции и генераторы постоянного тока.
При использовании для освещения переносных ламп следует применять лампы напряжением 12 и 36 В. Использование
переносных ламп напряжением 127 и 220 В категорически запрещается.
Отапливают буровые вышки разведочного бурения при работе в зимнее время железными печами или компактными пароводяными установками.
§ 8. Технология колонкового бурения
Технология бурения скважин включает в себя способ, последовательность и режим выполнения процессов и операций, связанных непосредственно с углублением скважины.
Технология бурения должна обеспечивать высокую производительность и качество работ при наибольшем экономическом эффекте и минимальной вероятности аварий. Выполнение этих требований зависит от режима процесса бурения.
Режимом бурения скважины называется сочетание параметров, от которых зависят условия работы бурового инструмента и производительность бурения. Основные параметры режима вращательного бурения — осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент С, частота вращения снаряда п, качество промывочного агента и его расход Q.
Параметры режима бурения подбирают в соответствии с характером и физико-механическими свойствами пород, глубиной скважины и ее состоянием, типом породоразрушающего инструмента и его качеством, возможностями применяемых технических средств.
Режим бурения скважин может быть оптимальным, рациональным и специальным.
На каждую скважину или группу скважин составляется проектная конструкция скважины. Она служит основанием для всех инженерных расчетов, связанных с бурением.
Конструкцией скважины называется схема ее устройства, в которой показаны намечаемые диаметры скважины по интервалам ее глубины, диаметры колонн обсадных труб, глубина их спуска и места тампонирования, т. е. изоляция глиной или цементным раствором. Пример конструкции скважины дан на рис. 4.14.
Исходными данными для составления конструкции скважины являются физико-механические свойства пород геологического разреза, цель и способ бурения скважины, ее глубина и конечный диаметр. Составляют конструкцию скважины снизу вверх. Конечный диаметр скважины зависит от требуемого диаметра керна.
По окончании подготовительных работ, к которым относятся подготовка площадки, сборка вышки, установка оборудования, подвод электроэнергии, организация водоснабжения и глинохозяйства, подготовка бурового инструмента, производит-
Литологи ческиа разрез и конструкция сква&сины
Г?рчые породы
Почденно-растительный слой
Характеристика горных пород
У' \ Суглинки Д ' Д
Мергель
М2
108
Рис. 4.14. Конструкция геологоразведочной скважины (в интервале зоны осложнения предусмотрено цементирование)
ся забуривание скважины. Способ забуривания скважины зависит от ее глубины и характера пород геологического разреза.
Перед забуриванием скважины на месте ее заложения выкапывают приямок, чтобы под шпинделем станка можно было разместить короткий буровой снаряд. Шпиндель станка устанавливают строго под заданным углом при помощи угломера с уровнем. Проверяют горизонтальность рамы станка, надежность крепления рамы станка к фундаменту и станины станка к раме, отсутствие люфта шпинделя во вращателе.
Снаряд для забуривания состоит из породоразрушающего инструмента, короткой колонковой трубы, переходника и ведущей трубы, закрепленной в шпинделе.
При забуривании в мягких породах в качестве породоразрушающего инструмента используют коронку-патрубок с вырезанными на нижнем конце зубьями. В породах средней твердости применяют коронку, армированную твердыми сплавами, в твердых монолитных породах — алмазную коронку или шарошечное долото.
Забуривание ведут при минимальной частоте вращения с пониженной осевой нагрузкой на породоразрушающий инструмент и при ограниченной промывке. После углубления скважины до коренных пород в ней устанавливают направляющую обсадную трубу, служащую для предохранения устья скважины от размыва и направления изливающейся из скважины промывочной жидкости в желоб. Верхний конец трубы расклинивают щебнем с глиной, а при глубоком бурении цементируют в устье скважины.
Для разрушения породы при вращательном колонковом бурении используют коронки, армированные твердыми сплавами и алмазами. В связи с этим различают технологию бурения твердосплавными коронками и технологию бурения алмазными коронками. В настоящее время колонковое бурение осуществляют также ударно-вращательным способом (гидро- и пневмоударниками). В соответствии с этим различают технологию ударно-вращательного колонкового бурения.
В зависимости от способов отбора и транспортирования керна при колонковом бурении различают технологию бурения снарядами со съемными керноприемниками (ССК) и с гидротранспортом керна.
Бурение твердосплавными коронками. Около 50% всего объема разведочного колонкового бурения осуществляется коронками, армированными твердосплавными резцами. Твердосплавные коронки применяют для бурения горных пород в широком диапазоне от I до VIII и частично IX категорий по буримости.
Резцы твердосплавных коронок изготовляют из вольфрамо-кобальтового металлокерамического сплава типа ВК, состоящего из карбида вольфрама и кобальта.
Для бурения используют сплавы ВК.-6, ВК-8, ВК.-П. Цифра в марке сплава означает содержание кобальта (%). Остальную часть составляет карбид вольфрама. Чем меньше кобальта в сплаве, тем выше его твердость и износостойкость, но больше хрупкость. С увеличением содержания кобальта повышается вязкость и устойчивость сплава к ударным нагрузкам, но снижается износостойкость.
Для коронок применяют резцы различных конфигураций и. размеров, с разными углами заострения в зависимости от конст-
Рис 4.15. Твердосплавные буровые коронки:
а, б, в — коронки ребристая М5, резцовая СМ5 и самозатачивающаяся СА4 соответственно; / — корпус; 2 — ребро; 3, 4 — основной и подрезной резцы; 5 — резец; 6 — вкладыш;
D Р — наружный и внутренний диаметры коронкн
рукции коронок. В пазы или отверстия короночного кольца резцы впаивают припоями так, чтобы они выступали над торцом коронки, перекрывали при работе площадь кольцевого забоя и выступали за наружную и внутреннюю боковые поверхности короночного кольца. Последнее необходимо для обработки стенок скважины и керна. Между резцами по торцу короночного кольца вырезаны промывочные окна, а по наружной поверхности — пазы для прохода промывочной жидкости.
Резцы, которые разрушают забой, называются основными. В некоторых конструкциях коронок в промывочные окна впаивают подрезные резцы, предназначенные только для калибровки стенок скважины и керна.
Закрепленные в короночном кольце резцы рекомендуется затачивать при бурении пород I—IV категорий по буримости под углом заострения 45—50°, для бурения пород V—VI категорий — под углом 55—65° и более крепких пород — 70—85°.
Для бурения мягких пород I—IV категорий по буримости применяют ребристые коронки типа М. К боковой поверхности этих коронок приварены три-четыре ребра, армированные твердосплавными резцами. Ребра создают увеличенный зазор между колонковой трубой и стенками скважины, обеспечивая свободный проход промывочной жидкости.
Таблица 4.6
Номер группы	Конструкция коронки	Тип короики	Буримые породы
1	Коронки с большим зазором между колонковым снарядом и стенкой скважины	Ml, М2, М5	Мягкие малой абразивности (пески, глины, суглинки, мел, мергель, слабосцементирован-ный песчаник, слабые алевролиты н глинистые сланцы, известняки)
2	Коронки с резцами, выбуривающими ступенчатый забой	СМ6, СМ4, СМ5, СТ2	Малой, умеренной и средней абразивности (известняки, доломиты, перидотиты, змеевики, аргиллиты, пироксениты, порфириты)
3	Коронки с самозатачивающимися резцами	СА6, СА5, СА7, СА4, СМ6	Средней абразивности (песчаники, песчанистые сланцы, алевролиты, скарны, габбро, пироксениты, амфиболиты)
Для бурения малоабразивных пород средней твердости V— VI категорий по буримости используют резцовые твердосплавные коронки типа СМ и СТ.
Для абразивных пород VI—IX категорий по буримости применяют самозатачивающиеся микрорезцовые коронки типа СА (рис. 4.15).
В табл. 4.6 приведены области применения твердосплавных, коронок.
Величина осевой нагрузки обусловливает интенсивность разрушения породы. Нагрузку (Я) на коронку принимают из расчета удельной нагрузки на один основной резец коронки, величина которой зависит от свойств буримой породы, формы и размера резцов:
С—Сот,	(4.1)
где Со — удельная нагрузка на один резец, Со = 850—1200 Н; т — число основных резцов в коронке.
Частоту вращения (с-1) бурового снаряда определяют по средней окружной скорости вращения коронки, принятой соответственно характеру буримых пород:
п = и/лОн,	(4.2)
где DH — наружный диаметр коронки, м; v—средняя окружная скорость вращения коронки, м/с, и = 0,6-4-2 м/с (в зависимости от типа коронки).
При бурении трещиноватых и абразивных пород рекомендуется принимать нижние пределы окружной скорости вращения инструмента.
Расход промывочной жидкости (м3/с), который необходимо подавать в скважину, определяют по формуле
<2 = 0,785 (О2 —d2)va,	(4.3)
где D — диаметр скважины, м; d — наружный диаметр бурильных труб, м; ип — скорость восходящего потока в кольцевом зазоре, м/с (обычно ип = 0,24-0,8 м/с).
При бурении необходимо использовать выгодное оптимальное сочетание основных параметров технологического режима, которое обеспечивает лучшие технико-экономические показатели при высоком качестве проведения скважин. Параметры режима бурения должны устанавливаться с учетом физико-механических свойств буримых пород.
При бурении рыхлых и мягких пород I—IV категорий по буримости резцы твердосплавных коронок быстро разрушают забой скважины. При этом стенки скважины малоустойчивы, а керн легко размывается и разрушается. Для предупреждения обрушения стенок скважины в процессе бурения необходимо поддерживать непрерывную циркуляцию глинистого раствора. Углубление в мягких породах происходит достаточно эффективно при невысоких значениях осевой нагрузки и частоты вращения коронки.
При бурении пород средней твердости и твердых наибольшее влияние на скорость проходки оказывают осевая нагрузка и частота вращения коронки. Необходимо создавать повышенную осевую нагрузку на забой и регулировать ее в соответствии с частотой вращения снаряда. Так, при бурении абразивных пород следует принимать высокую осевую нагрузку и минимальные пределы частоты вращения коронки, а в породах средней твердости и твердых бурить с промывкой водой или с глинистым раствором.
В процессе бурения очень важно соблюдать правильное чередование твердосплавных коронок. Разность наружных диаметров предыдущей и последующей коронок не должна превышать 0,1 мм, а внутренних диаметров — 0,15 мм. Отступление от этого условия приводит к тому, что очередная коронка не доходит до забоя и скважину приходится разбуривать.
Бурение алмазными коронками. Колонковое бурение в породах VIII—XII категорий по буримости в основном осуществляется алмазными коронками, а при бурении на больших глубинах— и в породах V—VII категорий.
В настоящее время более 25% всего объема разведочного бурения выполняют алмазным инструментом, область применения которого продолжает расширяться.
Преимущества алмазного бурения следующие: увеличение скорости бурения, снижение стоимости буровых работ, повыше
ние качества буровых работ (увеличение выхода керна), уменьшение интенсивности искривления.
Породоразрушающий инструмент оснащают природными и синтетическими алмазами, а также различными сверхтвердыми материалами.
Алмаз — самый твердый минерал, состоящий из чистого углерода. Твердость алмаза превышает твердость такого минерала, как корунд в 140 раз, а абразивность — в 90 раз.
Массу алмазов измеряют в каратах (1 кар = 0,2 г.).
Коронки, изготовленные из мелких алмазов путем механического закрепления их в специальных матрицах, называются мелкоалмазными.
Улучшение буровых свойств низкосортных алмазов проводится путем иховализации, избирательного дробления, полирования.
Овализация низкосортных алмазов проводится для получения зерен овальной формы, а также для разрушения трещиноватых и дефектных камней.
Избирательное дробление низкосортных алмазов проводится с целью придания кристаллам изометрической формы и разрушения трещиноватых и дефектных зерен.
Полирование алмазов необходимо для придания зернам алмазов гладкой, полированной поверхности. При бурении коронками, армированными алмазами с полированными гранями, силы трения на контакте алмаз — порода существенно снижаются, что обеспечивает повышение стойкости породоразрушающего инструмента и более высокую механическую скорость бурения. Применяют газопламенный механический и химический способы полирования поверхности алмазов.
Механическую прочность алмазов можно также повысить путем их термообработки, снижающей внутренние напряжения в кристаллах алмазов.
Зернистость, или крупность алмазов измеряют числом зерен отсортированных по величине алмазов, содержащихся в 1 кар. В каждой фракции алмазов после сортировки содержатся алмазные зерна определенной величины. В геологоразведочном бурении применяют алмазы широкого диапазона зернистости от 2—5 до 800—1200 шт/кар.
В бурении используют также синтетические монокристаллические алмазы марки АСС и синтетические поликристалличес-кие алмазы марок АРК-4, АРВ-1 и АРС-3.
Кроме синтетических алмазов, в бурении применяют сверхтвердые материалы: славутич, эльбор-Р, белбор.
Мелкоалмазные коронки состоят из стального корпуса и алмазсодержащей матрицы, изготовляемой из порошка твердого сплава В К, меди и других материалов методами по-
Рис. 4.16. Конструкция алмазных коронок для колонкового бурения:
а — однослойной; б — многослойной; в — импрегнированиой; 1, 2 — торцовые и подрезные алмазы; 3, 5 — кольцевая и насыщенная мелкими алмазами матрицы; 4 — корпус коронки
рошковой металлургии. Буровые свойства алмазных коронок зависят от расположения алмазов в матрице, твердости матрицы, качества и размера применяемых алмазов, насыщенности коронки алмазами, конструктивных особенностей.
По расположению алмазов в матрице различают одно- и многослойные, а также импрегнированные коронки (рис. 4.16).
Алмазные коронки, у которых алмазы располагаются по определенной схеме на торце коронки в одном поверхностном слое матрицы, называются однослойными (рис. 4.16, а). Боковые поверхности коронки (внутренние и наружные) армируют подрезными алмазами. Однослойные коронки используют для бурения пород VI—IX категорий по буримости. Для армирования коронок применяют алмазы зернистостью 10—60 шт/кар. Однослойные коронки обозначают буквой А. Число промывочных каналов в коронках колеблется от 2 до 8 в зависимости от их размеров.
Многослойные алмазные коронки используют для бурения пород IX—XII категорий по буримости. Торцовые алмазы зернистостью от 60 до 120 шт/кар располагают по высоте матрицы двумя-тремя параллельными слоями. По мере истирания одного слоя в процессе бурения обнажается следующий (рис. 4.16,6). Многослойные алмазные коронки обозначают буквой М.
Импрегнированиой называется коронка, в которой материал матрицы равномерно перемешивается с очень мелкими зернами алмазов. Концентрация алмазов составляет 1,5— 2 кар на 1 мм высоты алмазосодержащей матрицы. При бурении импрегнированиой коронкой по мере износа матрицы непрерывно обнажаются и вступают в работу новые зерна алмазов (рис. 4.16,в). Условное обозначение коронок — буква И.
Импрегнированные коронки применяют для бурения пород IX—XII категорий по буримости.
Тип коронки при алмазном бурении выбирают в зависимости от условий бурения (твердость, абразивность и пластичность пород, их структура, степень трещиноватости, глубина бурения).
Каждая конструкция коронки имеет шифр.
Для бурения важное значение имеет износостойкость алмаз-содержащей матрицы. В малоабразивных породах матрица должна быть достаточно мягкой и иметь низкую износостойкость, чтобы алмазы своевременно обнажались на необходимую величину. Но если коронку с такой матрицей применить в абразивных породах, то матрица износится настолько быстро, что алмазы выпадут из нее, не успев выполнить полезную работу.
Для ориентировочной оценки износостойкости матрицы используют показатель ее твердости, измеренный в единицах Роквелла по шкале С. Предусмотрены следующие твердости матриц, обозначенные порядковой цифрой: 1 —очень мягкая, HRC 10—15; 2—мягкая, HRC 15—20; 3 — нормальная, HRC 20—25; 4 — твердая, HRC 30—35; 5 — очень твердая, HRC 50—55.
В малоабразивных, абразивных и высокоабразивных породах применяют коронки с матрицами 3, 4 и 5 соответственно.
Конструкция коронки и твердость матрицы определяют ее тип. Например, тип коронки 01АЗ расшифровывается следующим образом: 01 — номер конструкции коронки; А — однослойная коронка; 3 — матрица нормальной твердости.
Коронки каждого типа в зависимости от качества и зернистости алмазов делятся на марки.
Из общего числа алмазов по массе в коронках примерно 60% составляют объемные алмазы и 40% —подрезные. Марка каждой коронки обозначена на ее корпусе.
Импрегнированные коронки выпускают следующих марок: 02ИЗ, 02И4, 03И5. Марка 02ИЗ означает импрегнированную коронку второй конструкции с матрицей 3 для малоабразивных пород.
Кроме коронок для бурения обычными одинарными колонковыми снарядами, выпускают алмазные коронки специального назначения: для работы с двойными колонковыми трубами, эрлифтными и эжекторными снарядами, для работы при направленном и многозабойном бурении, для бескернового бурения.
Технология алмазного бурения имеет свои особенности. Скважину в мягких и средней твердости породах забуривают твердосплавной коронкой, а в породах твердых и крепких — многослойной и импрегнированной алмазной коронкой. Скважину следует забуривать при пониженных частотах вращения снаряда. Снаряд необходимо опускать с большой осторожностью, чтобы не повредить матрицу алмазной коронки. Параметры технологического режима алмазного бурения должны выбираться с учетом физико-механических свойств пород, типа коронки, глубины и направления скважины. Бурение новой коронкой должно производиться при пониженных параметрах режима. Время приработки коронки зависит от ее типа и свойств пород. После того как столбик керна войдет в рватель-
ное кольцо кернорвателя, устанавливается режим бурения, соответствующий свойствам пересекаемых скважиной пород.
В процессе бурения алмазная коронка изнашивается, уменьшается ее наружный диаметр. Бурение ведется не до полного износа коронки; при снижении механической скорости бурения до 1—2 см/мин коронку поднимают и заменяют новой. При наполнении колонковой трубы керном буровой инструмент поднимают на поверхность. Поднятую коронку осматривают, керн извлекают из колонковой трубы. Алмазная коронка должна заменяться в случае механического повреждения, появления на торце коронки борозд, оголения алмазов, износа по диаметру.
Осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент при алмазном бурении выбирается в соответствии с твердостью буримых пород и типом коронки.
Практически осевая нагрузка (Н) на алмазную коронку определяется по формуле
C = kSp,	(4.4>
где S — общая площадь торца коронки, см2; k —коэффициент,, учитывающий вырезы в матрице, & = 0,8-н0,9; р — допускаемая удельная нагрузка на 1 см2 рабочей площади торца коронки,, Н/см2.
Для обеспечения эффективного разрушения горных пород на забое скважины с увеличением их твердости необходимо повышать нагрузку на коронку. Однако чрезмерно большая нагрузка на коронку приводит к раздавливанию и выкрашиванию алмазов.
Преимущества алмазного бурения по сравнению с другими способами наиболее полно проявляются при высоких частотах вращения породоразрушающего инструмента. Частота вращения— основной параметр режима бурения мелкоалмазными коронками. Для увеличения производительности бурения следует стремиться к работе на максимально возможных при используемом оборудовании частотах вращения инструмента. При этом частота вращения достигает 9—25 с-1, а осевая нагрузка принимается из расчета от 400 до 1500 Н на 1 см2 рабочего торца коронки.
Промывка при алмазном бурении должна обеспечивать хорошее охлаждение алмазов и вынос шлама. Расход промывочной жидкости следует определять с учетом площади поперечного сечения кольцевого пространства между бурильными трубами и стенками скважины и необходимой скорости восходящего потока жидкости, которая должна быть не менее 0,6—0,8 м/с.
При высоких частотах вращения колонны возникают в и б-рации бурового снаряда, в результате чего снижается механическая скорость бурения и уменьшается износостойкость
коронки. Для предотвращения вибрации диаметр колонны бурильных труб должен быть максимально приближен к диаметру скважины. С этой целью применяют бурильные трубы ниппельного соединения. Трубы для уменьшения вибраций периодически смазывают снаружи антивибрационной смазкой, содержащей канифоль, нигрол, животный жир. Хороший результат достигается при использовании смазки КАВС. Для снижения вибраций применяют также эмульсионные промывочные растворы (эмульсол Б, ЭЛ-3, ЭЛ-4, ЭН-4, ЭТ-2).
Для гашения вибраций непосредственно колонковой трубы и алмазной коронки применяют забойные амортизаторы продольных и поперечных колебаний. Амортизатор располагают между колонковой трубой и низом бурильной колонны. Применяют амортизаторы типа ЗА-6, ЗА-7 и АК-2М.
Производительность бурения мелкоалмазными коронками в твердых породах значительно выше, чем при других способах. В породах VIII—IX категорий по буримости производительность передовых бригад составляет 500—800 м/ст.-мес.
Бурение снарядами со съемными керноприемниками. Современный алмазный породоразрушающий инструмент позволяет одной коронкой бурить десятки, а иногда и сотни метров. Но из-за необходимости получения качественного и в требуемом количестве керна приходится проводить спуско-подъемные операции через 1—6 м углубления скважины.
Число спуско-подъемных операций бурового снаряда значительно уменьшается при бурении ССК, обеспечивающими возможность извлечения керна через колонну бурильных труб без ее подъема на поверхность.
Использование ССК позволяет повысить производительность бурения в 1,5—2 раза по сравнению с обычным алмазным бурением за счет сокращения времени на спуско-подъемные операции, снизить расход алмазов и увеличить выход керна.
Бурить ССК можно при глубине скважин не менее 200 м. В практике геологоразведочного бурения находят применение снаряды типа ССК-46, ССК-59, ССК-76 и комплекс технических средств КССК-76.
В комплект каждого комплекса входят породоразрушающий инструмент (алмазные коронки и расширители), колонковый снаряд со съемными керноприемниками и овершотом, бурильные трубы, лебедки ЛГ-2000 и ЛК-2000, спуско-подъемный инструмент, вспомогательный (ключи, опоры) и аварийный инструмент.
Колонковый набор (рис. 4.17, а) состоит из двух основных частей: наружной — ведущей и внутренней — керноприемной.
Наружная часть колонкового набора состоит из последовательно соединенных резьбами переходника 1 на бурильные тру-
6
Рис. 4.17. Колонковый набор ССК (а) и овершот (б)
бы, специального переходника 8, наружной колонковой трубы 15, расширителя и алмазной коронки 21.
К внутренней керноприемной трубе 16 съемной части набора снизу присоединен кернорватель, в корпусе 20 которого размещены кольца — пружинное кернорватель-ное 19 и упорное 18, ограничивающее его движение вверх. Верхняя часть керноприемной трубы соединена с подшипниковым узлом, исключающим ее вращение и обеспечивающим сохранение керна от разрушения. Два упорных подшипника 13 этого узла расположены на шпинделе 11 и поджаты пружиной 14. Верхняя резьбовая часть шпинделя соединяется с удлинителем 10. В продольном пазу удлинителя на оси 6 размещены две защелки 5, разжимаемые пружиной 3 и фиксирующие положение съемного керноприемника в наружной части колонкового набора. На верхнюю часть удлинителя 10 надета втулка 7, соединяемая с удлинителем пальцем 4 и свободно перемещающаяся по нему в пределах овального паза под палец.
Втулка 7 резьбой соединяется с головкой 2, за которую захватывается и извлекается съемный керноприемник.
В рабочем положении керноприемник опирается на кольцо 9, установленное в цилиндрической проточке специального переходника 8. Крутящий момент верхней частью керноприемника воспринимается через разведенные защелки 5 от зуба переходника 1. На наружной поверхности этого переходника имеет
ся наплавка твердым сплавом, центрирующая верхнюю часть колонкового набора в скважине. Нижняя часть невращающей-ся при бурении керноприемной трубы 16 центрируется с помощью стабилизатора 17. Между нижним концом корпуса кернорвателя и алмазной коронкой необходим зазор 2—4 мм, устанавливаемый при сборке колонкового набора ввинчиванием или вывинчиванием шпинделя //из удлинителя 10. Контргайка 12 фиксирует положение внутренней керноприемной трубы.
Для извлечения наполненного керном съемного керноприемника, а также спуска последнего в сухие скважины применяют овершот (рис. 4.17,6). В пазах корпуса 8 овершота по оси // закреплены защелки 13. Концы защелок разжимаются пружиной 10, надетой на штифты. Круговое вращение защелок вокруг оси // ограничено штифтом 12, закрепленным кольцами в корпусе 8. В нижней части корпуса 9 овершота выполнена цилиндрическая проточка, в которую входит съемная головка керноприемника при захвате ее защелками. В верхнюю часть корпуса ввинчивают тягу 6, по которой перемещается грузовая труба 4, имеющая нижнюю пробу 7. Последняя ограничивает перемещение грузовой трубы вверх по тяге за счет гайки 5, навинченной на верхнюю часть тяги. Овершот спускают в скважину на канате лебедки керноприемника. Конец каната закреплен в замке, корпус / которого ввинчен в верхнюю часть грузовой трубы 4. Бронзовая пята 2 позволяет избежать скручивания каната за счет проворачивания втулки замка 3 в корпусе /.
Особенность технологии бурения комплектами С С К. Бурить комплектами ССК рекомендуется при оптимальных параметрах технологического режима. Оптимальная осевая нагрузка подбирается опытным путем для каждого типа породы. Осевую нагрузку не следует создавать более допустимой для каждого типа снаряда, так как возможность изменения осевой нагрузки ограничена прочностью тонкостенных бурильных труб и соединений.
Для комплектов ССК эффективно бурение при высоких частотах вращения снаряда с учетом мощности привода, прочности колонны, вибраций и выхода керна. Технической характеристикой комплектов предусмотрена возможность бурения при частоте вращения снаряда до 25 с-1.
Существенное влияние на результаты бурения оказывает промывка скважины. В качестве промывочной жидкости рекомендуется применять воду, эмульсии и полимерные растворы с низким содержанием твердой фазы. Расход жидкости определяется степенью зашламования и требованиями выхода керна.
При заполнении керноприемной трубы керном или при его самозаклинивании съемный керноприемник поднимают на поверхность, а в скважину спускают другой, заранее подготовленный к работе.
При работе снарядами со съемными керноприемниками следует стремиться к наиболее простой конструкции скважины, т. е. к прохождению ее породоразрушающим инструментом одного диаметра.
Ударно-вращательное бурение. Ударно-вращательным называется такой вид бурения, при котором на породоразрушающий инструмент одновременно воздействуют ударные импульсы, осевая нагрузка и крутящий момент.
При ударно-вращательном бурении между нижней частью колонны бурильных труб и колонковым снарядом (или долотом) размещают ударный механизм.
Забойные ударные механизмы бывают гидравлические (гидроударники) и пневматические (пневмоударники). Гидроударники применяют для бурения пород IV—XII категорий по буримости.
Для привода гидроударника используется энергия потока промывочной жидкости, подаваемой к породоразрушающему инструменту. При этом кинетическая энергия жидкости преобразуется забойной машиной в возвратно-поступательное движение поршня-бойка 4 (рис. 4.18), который наносит удары по наковальне породоразрушающего инструмента.
Применяют гидроударные забойные машины Г7, Г9, ГВ5, ГВ6 и других марок с частотой ударов поршня-ударника 1200 и 2500—3600 в 1 мин. Энергия единичного удара — от 10 до 70 Дж.
Для ударно-вращательного бурения используют специальные твердосплавные коронки с крупными резцами из сплава ВК-15, устойчивого к ударным нагрузкам. Диаметр коронок — 59, 76, 93, 96, 112 и 115 мм.
Параметры режима бурения гидроударниками подбирают с учетом физико-механических свойств пород. Осевая нагрузка от 3—4 до 8—10 кН; частота вращения снаряда в наиболее твердых породах — 0,5—0,7 с-1, а в породах наименьшей твердости— 1,7—2,5 с4; расход промывочной жидкости составляет (2,5^3)10-3 м3/с.
При использовании высокочастотных гидроударников механическая скорость бурения повышается в 1,3—2,3 раза по сравнению с вращательным бурением теми же коронками.
Практика бурения высокочастотными гидроударниками с однослойными и импрегнированными алмазными коронками показывает, что механическая скорость бурения возрастает на 50— 70% по сравнению с обычным алмазным вращательным бурением.
В районах распространения мощных толщ многолетнемерзлых пород, в безводных пустынях и высокогорных районах большой технико-экономический эффект дает продувка скважин сжатым воздухом вместо промывки. При продувке сжатым воздухом увеличивается механическая скорость колонкового буре-
Рис. 4.18. Схема работы гидроударника:
/ — пружина; 2 — ограничительная втулка; 3 —клапан; 4 — поршень-боек; 5 — возвратная пружина; б — шлицевой разъем; 7 — наковальня; 8 — разъем; 9—колонковая труба; Ю — коронка
Рис. 4.19. Схема работы установки КГК-100:
/ — всасывающий шланг; 2 —буровой насос; 3, 5 — нагнетательный рукав; 4 — вентиль; 6, 11 — керноотводящий рукав; 7 — буровой сальник; 8 — подвижной вращатель; 9, 10 — внутренняя и наружная бурильные трубы; 12— керноприемное устройство; 13 — прицеп-емкость; 14 — торец коронки
ния и проходка на породоразрушающий инструмент. При встрече твердых пород целесообразно переходить с вращательного бурения на ударно-вращательное, для чего над колонковым снарядом размещают забойный ударный механизм — пневмоударник. Применяют пневмоударные машины РП-130М, РП-111, РП-94. Бурение ведется специальными твердосплавными коронками КП, КПД и долотами КПС диаметрами 151, 132, ИЗ и 96 мм.
Пневмоударник приводится в действие энергией сжатого воздуха. Эта энергия преобразуется в возвратно-поступательное движение бойка, наносящего удары, которые передают через колонковую трубу породоразрушающему инструменту. Отработанный воздух обдувает забой и подхватывает шлам. Крупный шлам осаждается в шламовой трубе, мелкие частицы вместе с воздухом поступают в выкидную линию и шламоуловитель.
Пневмоударные машины передают на породразрушающий инструмент 900—1800 ударов в 1 мин при энергии единичного удара 90—300 Дж.
Режим бурения принимается следующий: осевая нагрузка на коронку до 3000 Н, частота вращения инструмента 1,3—2 с-1.
Возможная глубина бурения разведочными пневмоударниками в сухих породах 250—300 м, в обводненных — 100—150 м.
В породах IX—X категорий по буримости достигается механическая скорость бурения 2,5 м/ч.
Бурение с гидротранспортом керна. При бурении поисковосъемочных, картировочных и разведочных скважин глубиной до 100 м в породах II—IV категорий буримости с пропластками пород до VI—VII категорий применяют комплекс технических средств КГК-100, позволяющий непрерывно транспортировать керн на поверхность потоком промывочной жидкости.
При бурении скважин с использованием комплекса КГК-100 промывочная жидкость подается в межтрубное пространство специальной двойной бурильной колонной. У забоя скважины жидкость направляется в центральную внутреннюю колонну и, захватывая выбуренные керн и шлам, выносит их к промывочному сальнику, проходит через керноотводящий рукав и поступает в лотки керноприемника. В комплекс входят следующие технические средства: установка разведочного бурения УРБ-2А-2ГК; двойная бурильная колонна, обеспечивающая обратную промывку; система промывки, состоящая из бурового насоса НБ4-320/63, различных приспособлений и устройств и предназначенная для подачи в скважину промывочной жидкости и отвода ее потока с керном и шламом в керноприемное устройство; керноприемное устройство, которое служит для отбора керна и шлама, поступающего на поверхность из скважины; прицеп-емкость, обеспечивающий замкнутую циркуляцию промывочной жидкости в процессе углубления скважины
и служащая для транспортирования бурильных труб и вспомогательного инструмента. Схема установки приведена на рис. 4.19. Непрерывное транспортирование выбуренного материала позволяет бурить скважину без извлечения из нее снаряда до полного износа породоразрушающего инструмента, что сокращает время проведения СПО. В результате значительно повышается производительность бурения. Выход керна при этом составляет 100%.
КГК-ЮО успешно применяют для бурения скважин диаметрами 76, 84 и 93 мм. При этом используют специальные твердосплавные коронки. Коронка представляет собой толстостенный корпус с тремя секторами криволинейной формы, которые при вращении обеспечивают перемещение шлама от периферии к центру. Секторы армированы восьмигранными твердосплавными резцами.
Бурение с выносом керна ведут с периодическим расхаживанием снаряда, что является особенностью технологии бурения с гидротранспортом керна. Частоту вращения снаряда принимают в пределах 1,5—5 с-1. Осевая нагрузка на коронку зависит от твердости пород и изменяется от 4,5 до 20 кН. Расход промывочной жидкости, подаваемой в скважину, рекомендуется в пределах (2^-5) 10 '3 м3/с. Высота подъема инструмента над забоем при расхаживании и его частота вращения устанавливаются в зависимости от вида горных пород и состояния ствола скважины.
Комплекс технических средств КГК-300 предназначен для бурения с гидротранспортом керна скважин глубиной до 300 м.
§ 9. Бурение по полезному ископаемому
По полезному ископаемому бурят в следующем порядке: 1) определяют контакт пустых пород с полезным ископаемым; 2) скважину готовят для бурения по полезному ископаемому; 3) бурят непосредственно по полезному ископаемому; 4) отрывают и поднимают керн.
Вскрытие контактов пустых пород с полезным ископаемым и полезного ископаемого с пустыми породами можно определить по изменению цвета изливаемой из скважины промывочной жидкости. Изменение механической скорости бурения —• надежный показатель перехода от вмещающих пород к полезному ископаемому, если они существенно отличаются по физико-механическим свойствам. Изменение цвета изливающейся из скважины промывочной жидкости не совпадает с моментом фактического перехода бурового инструмента из одной породы в другую. Время, требуемое для выноса частиц породы забоя из скважины, зависит от ее глубины, скорости восходящего потока промывочной жидкости и поглощения ее породами.
Перед бурением по полезному ископаемому выполняют еле-
Дующие мероприятия по подготовке скважины: промывают скважину до полного удаления шлама; извлекают оставшийся керн пустых пород; производят контрольный замер глубины скважины; готовят специальные приспособления для удаления шлама, если опробование ведется по керну и шламу; при необходимости закрепляют стенки скважины обсадными трубами и тампонируют низ колонны; готовят буровой снаряд для бурения по полезному ископаемому в зависимости от группы пород по трудности получения керна.
Монолитные и слаботрещиноватые полезные ископаемые, не разрушаемые промывочной жидкостью и вибрациями снаряда, бурят одинарными колонковыми снарядами с твердосплавными или алмазными коронками при оптимальном технологическом режиме.
Легкорастворимые полезные ископаемые (минеральные соли) и многолетнемерзлые породы проходят одинарными колонковыми снарядами с твердосплавными коронками. При бурении по солям для промывки используют насыщенные соляные растворы. При бурении по многолетнемерзлым породам применяют промывочные растворы на нефтяной основе.
Бурение по полезным ископаемым, легко разрушающимся под действием промывочной жидкости, производят с применением специальных двойных колонковых снарядов (ДКС) и качественных глинистых растворов. Режим бурения определяется прежде всего конструкцией снаряда и физико-механическими свойствами буримых полезных ископаемых.
Снаряд с керном полезного ископаемого поднимают без резких рывков, толчков и ударов.
Мероприятия по увеличению выхода керна. Основная задача проведения геологоразведочных скважин—получение керна, полноценного как в качественном, так и в количественном отношении. Керн — наиболее достоверный материал для получения представления о мощности, глубине и условиях залегания, строения, составе и свойствах пересекаемых скважиной горных пород. Однако не всегда удается сохранить структуру, а также вещественный состав керна и полностью извлечь его из скважины. Причины плохого выхода керна следующие: механическое воздействие колонкового снаряда, приводящее вследствие вибрации к разрушению и истиранию керна; действие на керн бурового раствора, размывающего керн и вымывающего некоторые компоненты; возможность выпадения керна из колонковой трубы во время его извлечения из снаряда вследствие плохого заклинивания.
К основным задачам получения представительных керновых проб относятся защита керна от воздействия потока промывочной жидкости или создание потока, направление течения и слива которого благоприятствуют сохранности керна, а также его
Защита от механических воздействий вращающейся колонковой трубы и надежный отрыв керна от забоя и удержание его в кер-нрприемной трубе.
Одним из видов технических средств, позволяющих повысить сохранность керна и увеличить углубку за рейс, являются двойные колонковые трубы. В отличие от обычных одинарных двойные колонковые трубы, кроме наружной трубы, через которую на породоразрушающий инструмент передаются осевая нагрузка и крутящий момент, имеют внутреннюю трубу, предохраняющую поступающий в нее керн от разрушения. Внутренняя труба может вращаться вместе со снарядом (ТДВ) и может быть не-.вращающейся (ТДН) в процессе бурения.
Для работы в различных геолого-технических условиях разработаны двойные колонковые трубы нескольких типов.
Трубы первого типа (ТДВ-76-1, ТДВ-59-1, ТДН-76-1, ТДН-59-1) выпускают с вращающейся и невращающейся внутренними трубами. Они предназначены для бурения с промывкой водой монолитных и слаботрещиноватых пород V—VII категорий по буримости. В качестве породоразрушающих инструментов используют серийные твердосплавные и алмазные коронки диаметрами 76 и 59 мм.
Трубы второго типа (ТДВ-76-2, ТДН-76-2 и др.) предназначены для бурения с использованием воды или глинистого раствора трещиноватых и сильнотрещиноватых малоустойчивых пород VII—XII категорий по буримости. Они выпускаются трех диаметров (73, 57 и 44 мм) с вращающейся и невращающейся внутренними трубами. С ними применяют специальные алмазные коронки типа 10АЗ и ПИЗ.
В двойной колонковой трубе с вращающейся внутренней трубой (рис. 4.20, а) наружной 3 и внутренней 7 трубам вращение передается от бурильной колонны через износостойкий переходник 1 и переходник 2. Промывочная жидкость при бурении поступает через межтрубное пространство и отверстия во внутренней трубе в зазор между керном и трубой 7. Далее жидкость направляется в затрубное пространство двумя путями: одна часть — омывая коронку 12 и забой скважины, а другая через шариковый клапан 6 и клапаны переходника 2.
Двойная колонковая труба с невращающейся внутренней трубой (рис. 4.20, б) имеет подшипниковый узел 13, обеспечивающий свободное проворачивание внутренней трубы 7 относительно переходника 2 и наружной трубы 3, на нижнем конце которой закреплены расширитель 8 и коронка 12. Промывочная жидкость проходит по межтрубному пространству и, омывая коронку, поступает в скважину. Внутренняя труба с кернорвателем на нижнем конце в процессе бурения надевается на керн и, как чехол, предохраняет его от истирания.
Труба четвертого типа (ЦДН-76—4) с невра-
Рис. 4.20. Двойные колонковое трубы для алмазного бурения: aJ б — трубы ТДВ-2 и ТДН-2 соответственно: /— износостойкий переходник; 2 — переходник; 3,	7 — наружна^ и
внутренняя трубы; 4 — гайка; 5—пружинная шайба; 6 — клапан-шарик; 8 — расширитель; 9, 10 — упорное и керно-рвательное кольца; // — корпус кернорвателя; 12 — коронка; 13 — подшипниковый узел
щающейся внутренней тру-бой выпускается одного размера и предназначена для бурения с промывкой водой или глинистым раствором разрушенных, легкоразмы-ваемых и трещиноватых пород V—X категорий по буримости. С этими трубами используют специальные алмазные коронки КДТ-4А и КДТ-4И и расширитель РДТ-4-76. Керн удерживается в трубе проволочный кернорвателем типа «паук».
Труба Т Д Н-У предназначена для бурения монолитных и слаботрещиноватых пород VIII—XII категорий по буримости. С этой трубой применяют алмазную коронку с уменьшенной шириной матрицы.
Трубы типа О (ТДН-93-0, ТДН-76-0 и др.) предназначены для бурения в сложных геологических условиях: сильнотрещиноватых, раздробленных, брек-чированных, перемежающихся по твердости, хрупких, подверженных истиранию пород V—X категорий по буримости. Трубы ис-
пользуют со специальными алмазными коронками. Особенность
труб данного типа — обеспечение обратной циркуляции промы-
вочной жидкости в призабойной зоне скважины.
Трубы типа УТ (ТДН-76-УТ, ТДН-59-УТ, ТДН-46-УТ) Предназначены для бурения с промывкой водой монолитных, с^аботрещиноватых и трещиноватых пород VII—XI категорий пр буримости. Трубы данного типа обеспечивают как прямую, так и обратную призабойную циркуляцию промывочной жидкости, причем интенсивность обратного потока жидкости можно регулировать винтами в переходнике.
При работе с двойными колонковыми трубами, описанными выше, при спуске снаряда в скважину его останавливают на расстоянии 1,5—2 м над забоем и включают насос для очистки каналов коронки и трубы от шлама. Снаряд на забой ставят с вращением и медленной подачей, прирабатывают коронку при малой частоте вращения с осевой нагрузкой 3—4 кН в течение 10—15 мин для того, чтобы керн вошел в керноприемную трубу, не сломав рвательное кольцо. В процессе бурения не рекомендуется отрывать снаряд от забоя. Перед окончанием рейса осевую нагрузку уменьшают и в течение 1—2 мин вращают снаряд с усиленной промывкой.
Для бурения пород II—IV категорий по буримости, в основном на угольных месторождениях, применяют двойные колонковые трубы, работающие с твердосплавными коронками при прямой циркуляции промывочной жидкости (ДТА-2, «Донбасс НИЛ»).
При бурении в наиболее сложных по отбору керна условиях— в породах VI—XII категорий по буримости (сильнотрещиноватые, раздробленные, хрупкие, перемежающиеся по твердости, легко размываемые промывочной жидкостью) широкое распространение получили колонковые наборы с призабойной обратной циркуляцией промывочной жидкости через керноприемную трубу. Циркуляция промывочной жидкости обеспечивается эжекторными водоструйными насосами. Эжекторные колонковые снаряды (ЭКС) бывают одинарными (ОЭС) и двойными (ДЭС).
Снаряд типа ОЭС (рис. 4.21) включает в себя эжекторный насос 2, расположенный в приемной камере 3, распределительный переходник 6 с каналами, закрытую шламопроводящую трубу 7, колонковую трубу 10 с коронкой 11. Промывочная жидкость, вытекая с большой скоростью из насоса 2, увлекает жидкость, находящуюся в приемной камере 3, в камеру смешения 4, где она смешивается с основным потоком и через канал распределителя поступает в ствол скважины. Здесь поток жидкости раздваивается. Один поток движется к устью скважины, транспортируя на поверхность наиболее тонкий шлам. Второй поток направляется к забою, охлаждает коронку, подхватывает частицы породы и движется вверх внутри колонковой трубы 10 по внутренней трубке 8 и шламопроводящей трубе 7. В закрытой шламовой трубе происходит осаждение шлама, а очищенная
7
z
Рис. 4.21. Эжекторный колонковый снаряд:
1 — переходник; 2~ эжекторный насос; 3 — приемная камера; 4 камера смешения; 5 —канал; 6 — нижний переходник; 7 — шлам проводящая труба; <9 — внутренняя трубка; 9— шламовый перех^ ник; 10 — колонковая труба; 11—коронка
жидкость по каналу 5 попадает в приемную7 ка меру 3, где она вновь смешивается с основным потоком. Снаряд комплектуют специальными импрегнированными алмазными коронками типг ОЭЙ с увеличенной толщиной стенки матрицы и развитой промывочной системой.
Для повышения качества керношламового опробования при бурении в сильнотрещиноватых, раздробленных, перемежающихся по твердости породах V—XII категорий по буримости рекомендуется универсальный колонковый набор УКН-73. Он представляет собой комплекс эжекторного снаряда с высокочастотным гидроударником. Снаряд работает по принципу одинарного эжекторного снаряда.
Для повышения выхода керна при бурении сильнотрещиноватых и раздробленных пород VIII—X категорий по буримости применяют гид-роударный реверсивно-эжекторный снаряд, состоящий из высокочастотного гидроударника, эжектора, закрытой шламовой трубы, колонковой трубы с кернорвателем и серийной алмазной коронки. Особенность снаряда состоит в том, что он может работать при прямой либо при обратной призабойной циркуляции промывочной жидкости.
Одним из средств повышения выхода керна в размываемых и истирающихся породах IV—XII категорий буримости является комплекс технических средств с эрлифтным насосом (КОЭН). Условие применения КОЭН — наличие в скважине столба промывочной жидкости высотой не менее 40—50 м и отсутствие в геологическом разрезе скважины вязких пластичных пород.
Методика отбора керна. Существуют следую-Д__-77 щие случаи получения образцов пород и полез-
ных ископаемых: 1) получение образцов твердого полезного ископаемого для его количественной и качественной характеристики (определение мощности залежи, содержание полезного компонента и вредных примесей и других технологических показателей); 2) получение монолитов для определения физико-механических свойств пород; 3) полу-
Чение образцов жидких и газообразных полезных ископаемых.
В соответствии с характером геологических исследований определяются основные требования, которые предъявляют к образцам пород или полезных ископаемых, получаемых при бурении скважин.
Для практических целей размеры и массу пробы устанавливают в зависимости от вида опробования и характера распределения полезных ископаемых.
При геологическом картировании и поисковых работах количество получаемого материала должно соответствовать пройденному интервалу, т. е. выход керна должен быть близким к 100%.
При проведении геологоразведочных работ количество кернового материала должно обеспечивать представительность пробы: образец должен иметь ненарушенную структуру, не быть загрязненным, содержать полезные компоненты.
Поднятый на поверхность керн извлекают из колонковой трубы, обмывают налипшую породу, после чего укладывают в ячейки кернового ящика. При этом соблюдается последовательность расположения отдельных кусков керна в колонковой трубе. Керн из колонковой трубы должен извлекаться с соблюдением максимальной осторожности. Не допускается выбивание керна из высоко подвешенной трубы.
Во избежание травмирования при извлечении керна из подвешенной колонковой трубы нельзя поддерживать ее руками снизу. Расстояние от нижнего конца колонковой трубы до пола должно быть при этом не более 0,2 м. Керн из ДКС, имеющих разъемные керноприемные гильзы, извлекают в горизонтальном положении. Наличие гильз облегчает извлечение керна и способствует сохранности его естественной структуры.
Керновые ящики изготовляют длиной 1 м и шириной 0,5— 0,6 м, высота ящика определяется диаметром керна. Керн укладывают в ящик параллельными рядами слева направо так, чтобы конец предыдущего интервала стыковался с началом последующего. В конце каждого интервала укладывают фанерную этикетку, на которой указывают номер скважины, дату, интервал бурения, величину углубления и размеры поднятого керна. Если на каком-либо интервале керн не был получен, то нужно вложить в ящик этикетку с указанием отсутствия керна данного интервала.
Ящики закрывают крышками и надписывают с указанием порядкового номера ящика, скважины и интервала бурения.
При недостаточном выходе керна дополнительным материалом для опробования служит буровой шлам, который улавливается специальными шламоулавливающими желобами и шламо-сборниками.
Если из полезного ископаемого керн получить не удалось, то повторно перебуривают пласт путем искривления скважины. В этом случае на 10—15 м выше кровли полезного ископаемого устанавливают отклоняющее устройство, искривляют скважину и, дойдя до кровли полезного ископаемого, повторно перебуривают его, учтя все недостатки первоначального углубления.
При бескерновом бурении или при неполном выходе керна для отбора дополнительных проб из стенок скважины применяют боковые грунтоносы. Грунтоносы бывают стреляющие и сверлящие. Принцип действия стреляющего грунтоноса основан на том, что полый боек выстреливается из канала ствола под действием порохового снаряда в камере. Полый боек, являющийся пробоотборником, врезается в стенку скважины на ту или иную глубину. Принцип действия сверлящего грунтоноса заключается в том, что из боковой стенки скважины высверливают образец пород с помощью специального бура с коронкой, расположенного в корпусе грунтоноса. Для этого грунтонос закрепляют в скважине на определенной глубине посредством гидравлических распоров.
С помощью гидравлических пробоотборников скребкового типа осуществляется бороздовый отбор проб мягких полезных ископаемых из стенок скважины.
Основные условия получения высококачественного керна при бурении геологоразведочных скважин следующие: составление проекта конструкции скважины и наличие его на буровой вышке; использование контрольно-измерительной аппаратуры; подбор и своевременное применение рациональных средств, обеспечивающих получение высококачественных образцов; повышение квалификации бурового персонала; постоянный контроль за выполнением основных требований и рекомендаций по отбору керна.
Большие перспективы для получения высококачественной геологической документации имеет успешно развивающаяся скважинная геофизика. Геофизические методы обеспечивают точное определение глубины смены одной породы другой и мощности полезных ископаемых.
§ 10. Аварии и осложнения при бурении
Осложнение представляет собой нарушение нормального состояния скважины, в результате которого дальнейшее углубление затруднено или должно быть прекращено во избежание возникновения аварии.
К осложнениям относятся обвалы стенок скважины, большое скопление шлама, поглощение промывочной жидкости, образо
вание сальников из глины, а также желобов на стенках скважины.
Причины обвалов — сужения ствола скважины, сильные прихваты, повышение давления на насосах и возрастание вязкости глинистого раствора. Обвалы наблюдаются при проходке несвязных и раздробленных пластов, а также пород, разбухающих от действия воды. Борьбу с обвалами производят путем снижения водоотдачи бурового раствора до наименьших возможных величин, утяжеления его и сокращения времени разбуривания обваливающихся пород. Водоотдачу понижают с целью уменьшения проникновения воды в обваливающиеся породы и снижения их набухания. При утяжелении буровых растворов возрастает гидростатическое давление на стенки.
Поглощение промывочной жидкости бывает частичное и полное. При частичном поглощении часть закачиваемой в скважину жидкости возвращается на поверхность, а часть уходит в проницаемые пласты. Частичное поглощение ликвидируют путем снижения плотности раствора, повышения его вязкости и статического напряжения сдвига. Глинистый раствор с наименьшей плотностью получают добавлением к нормальному раствору порошка бентонитовой глины или обрабатыванием его реагентами, увеличивающими вязкость (кальцинированная сода, каустик, жидкое стекло, негашеная известь).
Для снижения плотности раствора применяют аэрацию промывочных жидкостей с помощью специальных смесителей. В смесителе происходит перемешивание промывочной жидкости с воздухом — аэрация, вследствие чего снижается плотность раствора. Борьба с частичным поглощением промывочного раствора производится посредством применения растворов, способных в спокойном состоянии превращаться в студнеобразную массу (тиксотропных). При проникновении такого раствора в поры породы раствор загустевает и происходит закупорка трещин в породе. Для обработки растворов используют также специальные реагенты: электролиты, защитные коллоиды и поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Если зоны поглощения известны заранее, то необходимо заблаговременно заменять промывочную жидкость на специальную за 20—25 м до вскрытия поглощающего пласта.
Полное поглощение промывочной жидкости происходит при пересечении пластов галечника, гравия, больших трещин, горных выработок и каверн. Борьба с полным поглощением производится путем заливки зоны поглощения различными тампонирующими растворами. Для закупорки крупных трещин применяют глиноцементные смеси (гельцементы), представляющие собой смесь тампонажного цемента с глинистым раствором. Гельцемент легко прокачивается по бурильным трубам, а находясь в состоянии покоя 2—3 мин, образует прочный гель.
Однако время до начала схватывания гельцемента относительно высоко, поэтому он не может быть использован для заливки трещин, в которых происходит интенсивное поглощение и наблюдаются притоки подземных вод. В таких случаях, а также при катастрофическом поглощении промывочной жидкости применяют быстросхватывающиеся смеси, в состав которых входят тампонажный цемент, глинистый раствор, жидкое стекло, едкий натр и другие компоненты.
Для борьбы с поглощениями также используют тампонажные смеси, приготовленные на основе синтетических; смол. Такие смеси обладают высокой плотностью, достаточно хорошим сцеплением с породой, высокой прочностью и широким диапазоном изменения времени твердения.
Для своевременного принятия мер при бурении в осложненных условиях необходим систематический контроль за качеством раствора.
Аварией при бурении называется такое состояние скважины, при котором проходка ее прекращается из-за нарушения нормального производственного процесса.
Наиболее характерными при колонковом бурении являются следующие аварии: 1) с бурильными трубами — обрыв и развинчивание их при бурении, падение при спуско-подъемных операциях; 2) с колонковым снарядом — развинчивание и оставление в скважине, прихваты и затяжки; 3) с породоразрушающим инструментом — оставление в скважине, разрушение матрицы алмазной коронки, прижог коронки; 4) с обсадными трубами — развинчивание в процессе бурения, падение труб при их спуске, обрыв при извлечении; 5) связанные с падением в скважину мелких инструментов или посторонних предметов.
Причинами возникновения аварий могут быть:
1)	обвалы стенок скважины в неустойчивых породах, встреча плывунов с большим напором, тектонические нарушения, закарстованность и трещиноватость пород;
2)	использование неисправных или чрезмерно изношенных бурильных и обсадных труб, оборудования, инструментов и принадлежностей;
3)	нарушение правил технологии бурения, работа при режиме, не соответствующем характеру буримых пород;
4)	низкая квалификация буровых мастеров и рабочих, небрежное отношение к уходу за оборудованием.
Во избежание аварий с бурильными трубами необходимо:
1)	вести учет продолжительности работы труб, не включать в колонну трубы различного качества;
2)	следить за состоянием резьбовых соединений, смазывать резьбу графитовой смазкой;
3)	все принадлежности при спуско-подъемных операциях содержать в исправности;
4)	применять в нижней части бурильной колонны УБТ для улучшения передачи нагрузки на буровой инструмент.
Для предупреждения прихватов бурового снаряда в скважине требуется:
1)	применять промывочную жидкость, соответствующую характеру буримых пород;
2)	не оставлять буровой инструмент на забое без подачи промывочной жидкости;
3)	постоянно очищать забой скважины от шлама.
Для предупреждения разрушения алмазсодержащей матрицы коронок следует:
1)	очищать забой скважины от кусков породы и металлических частиц перед спуском снаряда;
2)	соблюдать оптимальные осевые нагрузки на породоразрушающий инструмент;
3)	осматривать коронку перед каждым спуском в скважину;
4)	включать в состав снаряда алмазный калибровочный расширитель;
5)	принимать меры по предупреждению вибрации снаряда;
6)	при бурении по сильнотрещиноватым и разрушенным породам снижать осевую нагрузку на коронку и частоту вращения снаряда.
Для предупреждения прижога коронки, т. е. спекания ее с горной породой на забое, необходимо следить за работой бурового насоса, контролировать подачу закачиваемой в скважину жидкости, а также исключить возможность ее поглощений.
Для предупреждения развинчивания обсадных труб рекомендуется проверять резьбовые соединения, смазывать их разогретой смолой перед свинчиванием и свинчивать до отказа.
Падение в скважину мелких инструментов и посторонних предметов можно исключить, закрыв устье скважины во время бурения и после извлечения из скважины снаряда.
Необходимо использовать исправный инструмент, не допускать резких остановок и ударов снаряда при спуске.
Глубокие скважины следует бурить при исправной контрольно-измерительной аппаратуре. Требуется постоянно повышать квалификацию буровых мастеров и рабочих, повышать ответственность бурового персонала.
На каждой буровой установке должен быть набор инструментов для захватывания и извлечения оставленных в скважине частей бурового снаряда, обсадных труб и других предметов. Такой инструмент называется ловильным. Ловильный инструмент для вращательного бурения представлен на рис. 4.22.
Для ловли бурильных, колонковых и обсадных труб предназначены ловильные метчики. Метчик соединяют при по-
мощи резьбы с бурильными трубами, на которых его спускают в скважину. На нижней конической поверхности метчика выполнена мелкая треугольная резьба, которой метчик соединяется с оставленной в скважине трубой. Для ловли бурильных труб в скважинах большого диаметра метчика оснащают направляющими воронками.
Ловильный колокол применяют для ловли бурильных труб. На внутренней конусной поверхности колокола выполнена треугольная резьба и' профрезерованы продольные канавки. Колокол спускают в скважину на бурильных трубах и вращением навинчивают на ловимую трубу.
Для извлечения оборванных бурильных труб используют также ловители ЛОМ-50 и ЛОГ-50. Они дают возможность захватывать трубу, вращать ее, промывать скважину через аварийный инструмент. В случае необходимости ловители освобождаются от захвата.
Овершот используют для захвата бурильной трубы за муфту или замок, если оборванный инструмент не прихвачен.
Магнитная ловушка предназначена для захвата магнитом и извлечения из скважины металлических предметов, оказавшихся на забое.
Ловушка секторов матриц типа ЛСМ служит для очистки забоя скважины от обломков матриц алмазных коронок, мелких кусков металла и твердого сплава.
Ловильный паук предназначен для ловли и извлечения из скважины мелких металлических предметов и кусков породы.
Для извлечения из скважины обсадных и колонковых труб применяют труболовки. В отличие от метчиков труболовка может быть освобождена от захваченной ею трубы, если ее нельзя извлечь из скважины. Труболовку можно подсоединять к любой (по длине) части извлекаемой колонны труб (рис. 4.23). Труболовки могут устанавливаться в зоне прихвата или в любой другой части извлекаемой бурильной трубы. Труболовки оснащены кольцевыми ловильными втулками или плашками, захватывающими трубы равномерно по всей поверхности.
В случае невозможности извлечения колонковых и обсадных труб из скважины используют труборезы (рис. 4.24), с помощью которых трубы нарезают на куски. Наружные труборе-
Рис. 4.22. Ловильный инструмент:
а — ловильный метчик с направляющей воронкой; б — ловильный колокол: 1 — поясок для маркировки; 2, 3 — присоединительная и ловильная резьба; в — овершот: 1 — пружина; 2 — корпус; г — магнитная ловушка типа ЛМ: / — твердосплавная коронка; 2 — магнит; 3 — кольцо; 4 — прокладка; 5 — шарик; 6 — корпус; д—ловушка секторов матрицы типа ЛСМ; 1 — переходник; 2 — корпус; 3 — канал; 4 — твердосплавная коронка; е — ловильный паук
зы применяют для отрезания бурильных труб, имеющих клиновидную, спиральную или винтообразную форму обрыва. При этом оборванный конец бурильной трубы заходит внутрь корпуса трубореза и обрезается.
Гидравлические труборезы типа ТРГ включают поршень, шток и резцы, разрезающие трубу при вращении снаряда. Труборез спускают на бурильной колонне внутрь аварийной трубы.
Труборезы-труболовки типа ТТ представляют собой сочетание режущего и захватывающего узлов, что позволяет за один спуск снаряда произвести отрезание части трубы аварийной колонны, ее захват и извлечение на поверхность.
Для разрушения оставленных в скважине колонковой трубы, коронки и других металлических предметов используют аварийные фрезеры (рис. 4.25). Фрезеры с направлением типа ФН разрушают колонковый набор с керном. Фрезерные коронки типа ФК разрушают оставленные на забое скважины буровые коронки или матрицы алмазной коронки. Конический фрезер предназначен для калибровки внутренней поверхности обсадных труб. Магнитный фрезер применяют для извлечения мелких кусков коронки, колонковой трубы и твердого сплава.
Для очистки забоя скважины от обломков матрицы алмазной коронки мелких кусков металла и твердого сплава используют ловушки секторов матриц ЛСМ. Мелкие стальные предметы удаляют из скважины магнитными ловушками ЛМ.
Для ликвидации аварий, связанных с прихватом бурового снаряда, применяют скважинные вибраторы: механические и гидравлические. Освобождение прихваченного инструмента происходит за счет передачи ему высокочастотных колебаний от вибратора.
Ликвидация аварий. Своевременное обнаружение аварии очень важно для предупреждения ее осложнения.
Обрыв бурильных труб может быть замечен по уменьшению крутящего момента, падению давления в нагнетательной линии бурового насоса, прекращению углубления скважины. При обнаружении обрыва бурение немедленно прекращают и поднимают верхнюю часть оборвавшейся колонны. По нижнему концу поднятой части колонны устанавливают характер обрыва и подбирают ловильный инструмент. Положение и форма верхнего конца оборванного снаряда могут быть определены по отпечатку на аварийной печати. Аварийная печать представляет собой короночное кольцо с деревянной пробкой, торцовая поверхность которой покрыта воском, парафином или мастикой. Ловильный инструмент спускают на бурильных трубах. На расстоянии 1—1,5 м до места обрыва промывают ловильный инстру-
Рис. 4.24. Труборезы:
а — наружный: 1—корпус; 2 — нож; 3 — плоская пружина; 4 — накладка; 5 — винт; б’— резец; б — внутренний: / — регулировочные прокладки; 2 — раздвижные резцы; 3 — шарнир; 4 — толкатель; 5 — корпус; 6 — пружина; 7 — шток; 8 — уплотнитель поршня; 9 — поршень; /0 —шарик; // — переходник
Рис. 4.23. Гидравлическая труболовка:
/ — наконечник; 2 — конус; 3 —плашки; 4 — заклепки; 5 — тяга; 6 — палец; 7 — пружи-иа; 3 —корпус; 9 — тяга поршня; 10 — поршень; // — резиновое уплотнение; /2 —переходник
Рис. 4.25. Аварийные фрезеры:
а — с направлением; 1 — переходник; 2 — коронка для фрезерования трубы; 3 — буровая коронка; б — коронка ФК; в — конический
мент и осторожно соединяют его с верхним концом оборванного снаряда. Затем подают в скважину промывочную жидкость для удаления осевшего шлама и пытаются приподнять снаряд с помощью гидравлической системы станка. После страгивания снаряда с места ввинчивают в него до отказа ловильный инструмент и извлекают из скважины.
При прихвате бурового снаряда первоочередные мероприятия — его расхаживание с помощью лебедки или гидравлической системы станка и принятие мер к восстановлению циркуляции промывочного раствора. В случае прихвата снаряда осевшим на него сверху шламом или обвалившейся породой необходимо, восстановив циркуляцию, размыть шламовую пробку. Если циркуляция полностью нарушена и восстановить ее не удается, то размывают завал сверху. Для этого используют колонну обсадных труб. Промывочные трубы по мере размывания шламовой пробки постепенно опускают. После того как пробка будет размыта, колонковый снаряд извлекают из скважины.
При боковом прихвате или прижоге прихват ликвидируют выбиванием поверхностным или скважинным вибратором (рис. 4.26, а).
Если извлечь прихваченный снаряд описанным выше способом не удается, то развинчивают и поднимают на поверхность всю бурильную колонну. Для этого применяют ловильный инструмент с левой резьбой (метчики и колокола), спускаемый в скважину на колонне бурильных труб с левой резьбой. Дальнейшее продолжение ликвидации аварии зависит от размеров оставшегося в скважине снаряда и условий его нахождения.
Если прихват снаряда произошел на небольшом удалении от места смены диаметра скважины и предыдущий интервал не был закреплен обсадными трубами, то обуривают аварийный колонковый набор снарядом, диаметр которого равен диаметру предыдущего интервала, заклинивают его и извлекают на поверхность (рис. 4.26,6). Если обуривание невозможно, то следует вывинтить переходник колонковой трубы и при небольшой длине трубы изрезать ее в стружку торцовыми фрезами, а при значительной длине колонковой трубы — труборезом (рис. 4.26,в). Изрезанный снаряд по частям с помощью труболовок или метчика извлекают из скважины.
В некоторых случаях целесообразно после удаления переходника аварийной колонковой трубы продолжать бурение внутри нее снарядом меньшего диаметра. Разбурив керн и углубившись на 5—10 м ниже коронки прихваченного снаряда, спускают в скважину труболовку или метчик, соединяют его с аварийной колонковой трубой и извлекают ее на поверхность (рис. 4.26,г).
Рис 4 26. Схемы ликвидации прихватов снаряда:
а — освобождение прихваченного снаряда с помощью скважинного виб ратора б—обуривание колонковой трубы в—фрезерование прихва ценного снаряда г — бурение внутри прихваченного колонкового сна ряда / — прихваченный колонковый снаряд 2 — метчик 3— скважин ный вибратор 4 — б\рильная колонна 5— снаряд для обуривания 6 — колонковая труба 7 — торцовая фреза с направляющим шпинделем 5 — коюнковыи снаряд для б}рення внутри прихваченного снаряда, 9 — керн
Рис. 4 27. Отсоединительный переходник:
/ — ниппель 2 — выступ, 3 — муфта
Отвинчивание правого снаряда левым при ликвидации описанных выше аварий—весьма трудоемкая операция. Поэтому при бурении скважин в условиях возможных осложнений в состав снаряда между колонковой трубой и бурильной колонной следует включать отсоединительный переходник. Эти переходники предназначены для отсоединения бурильной колон
ны от колонкового набора в случае прихвата последнего в скважине. Отсоединительные переходники выпускают с правой не-затягивающейся резьбой, с левой резьбой и освобождающимися при определенной осевой нагрузке, направленной вверх. Принцип работы отсоединительного переходника (рис. 4.27) основан на том, что резьба, соединяющая ниппель с муфтой, благодаря, опорным выступам не затягивается в процессе бурения так, как все другие соединения бурильной колонны, и при левом вращении колонны с одновременным ее натяжением развинчивается в первую очередь.
Наиболее частый вид аварии с обсадными трубами — отвинчивание низа обсадной колонны. Если обсадные трубы, верхней части разъединенной колонны не прихвачены, то их. надо соединить с помощью направляющего конуса. Опустив, верхнюю часть колонны на нижнюю, ее осторожно навинчивают. Когда верхний конец нижней части колонны деформирован,, поднимают верхнюю часть колонны. Если нижняя часть сильно прихвачена, то ее поднимают с помощью освобождающейся труболовки и забойного вибратора. Если нижняя часть колонны сильно прихвачена или зацементирована, то отвинчивают испорченную трубу метчиком с левой резьбой и верхнюю часть навинчивают на нижнюю. Смятые обсадные трубы выправляют коническими фрезерами.
Для извлечения захваченных обсадных труб из скважины применяют труболовку и вибратор.
Работы по ликвидации аварий обычно связаны с большими нагрузками на буровую вышку, подъемные механизмы и другое оборудование. Поэтому при аварийных работах необходимо особенно тщательно выполнять требования правил безопасности. Ликвидация аварии должна вестись под руководством бурового мастера.
§11.	Контрольно-измерительная аппаратура
Эффективное бурение скважин возможно только при рациональном сочетании параметров режима бурения в соответствии с физико-механическими свойствами пород и типа бурового инструмента. Выбор и поддержание оптимальных параметров режима бурения возможны только при постоянном контроле процесса бурения. Поэтому буровые установки должны оснащаться контрольно-измерительными приборами (КИП). Дополнительно к КИП, установленным на пульте управления современных станков, буровые установки оснащают аппаратурой комплексного контроля для наблюдения за основными параметрами процесса бурения. Режим бурения контролируется и регистрируется простейшими гидравлическими индикаторами веса и специальными комплектами приборов. Аппаратура комплексного
контроля позволяет получать сведения об изменениях нагрузочных характеристик работающего оборудования по явлениям, происходящим в скважине, и по полученным данным оперативно управлять процессом бурения.
В электропривод буровых станков включены вольтметр и амперметр. По показаниям последнего можно судить о загрузке электродвигателя и приближенно — о величине крутящего момента, развиваемого вращателем станка. Контроль за крутящим моментом при бурении позволяет предупреждать аварии, вызванные обрывом бурильной колонны.
Для измерения и автоматического ограничения крутящего момента при бурении используют прибор ОМ-40. Действие прибора основано на измерении активной мощности, потребляемой электродвигателем станка. Прибор ОМ-40 обеспечивает визуальный контроль величины крутящего момента при бурении, предупредительную сигнализацию при перегрузке и автоматическое ограничение крутящего момента на вращателе бурового станка.
При колонковом бурении широко применяют самопишущий ваттметр Н-395, состоящий из собственно ваттметра и пишущего устройства. Затраты мощности при выполнении различных операций непрерывно записываются на диаграммной ленте.
Диаграмму используют для контроля работы бурильщика, а также для поиска и поддержания оптимальных параметров режима бурения.
Станки с гидравлической подачей снаряда оснащают указателями осевой нагрузки, позволяющими взвешивать находящийся в скважине снаряд и контролировать осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент.
Магнитоупругий компенсационный измеритель нагрузки МКН-2 предназначен для непрерывного визуального контроля осевой нагрузки на инструмент при бурении, а также нагрузки на крюк талевой системы во время спуско-подъемных операций и аварийных работ. Измерители рассчитаны на эксплуатацию при бурении с подачей инструмента с лебедки, а также могут использоваться при бурении с гидравлической подачей инструмента.
Для плавной подачи бурового снаряда с тормоза лебедки и автоматического управления осевой нагрузкой в соответствии с физико-механическими свойствами разбуриваемой породы и состоянием породоразрушающего инструмента предназначен автоматический регулятор подачи АРП. Регулятор обеспечивает визуальный контроль и регистрацию на суточной диаграмме нагрузки на породоразрушающий инструмент (до 30 кН), нагрузки на крюк при спуско-подъемных операциях (до 300 кН),, а также визуальный контроль скорости бурения.
Для контроля за давлением промывочной жидкости в процессе бурения применяют манометры, а также магнитоупругие измерители давления МИД-1 и МИД-1А, обеспечивающие устойчивые показания даже при значительной пульсации жидкости.
Количество подаваемой в скважину промывочной жидкости контролируется расходомером промывочной жидкости лопастным РПЛ-1.
Буровые установки УКБ-5, УКБ-7 и УКБ-8 оснащают контрольно-измерительной аппаратурой «Курс» различных модификаций.
Аппаратура «Курс-411» обеспечивает визуальный контроль и регистрацию на суточной диаграмме веса бурового снаряда, осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, а также нагрузки на крюке при СПО и ликвидации аварий. Кроме того, аппаратура позволяет визуально контролировать давление промывочной жидкости, ее подачу и механическую скорость бурения. Аппаратура «Курс-613» и «Курс-713» позволяет дополнительно визуально контролировать частоту вращения шпинделя (ротора) и крутящий момент.
Аппаратура «Курс» обеспечивает также световую и звуковую сигнализацию при уменьшении расхода промывочной жидкости ниже допустимого предела и при превышении предельно допустимых величин нагрузки на крюке и крутящего момента на вращателе.
Универсальный регистратор параметров процесса бурения «Румб-1» предназначен для контроля и синхронной записи на одной диаграмме нагрузки на породоразрушающий инструмент, нагрузки на крюке, механической скорости бурения, крутящего момента, частоты вращения, расхода и давления промывочной жидкости. Регистратором «Румб-1» оснащают установки УКБ-7, УКБ-8, оборудованные аппаратурой «Курс-613» и «Курс-713».
§ 12.	Геолого-техническая документация
Основным документом, которым руководствуется бурильщик в процессе сооружения скважины, является геологотехнический наряд (ГТН). Перед началом бурения скважины ГТН изучается буровой бригадой, после чего его вывешивают на стене бурового здания. На основании ГТН буровой бригаде выдается наряд-заказ.
На буровой установке ведется и хранится следующая первичная документация: буровой журнал, журнал проверки состояния техники безопасности и различные акты (на ликвидацию осложнений и аварий, на проведение специальных работ в скважине). В буровом здании вывешивают нормы выработки и расценки по категориям пород и интервалам глубины бурения, гра
фик планово-предупредительных осмотров и ремонтов оборудования, карту (схему) смазки бурового агрегата.
Перед забуриванием составляют акт готовности буровой установки к эксплуатации и акт на заложение скважины.
Буровой журнал является основным первичным документом. На титульном листе журнала указывают номер скважины, даты начала и окончания бурения, проектную и фактическую глубину, начальный и конечный диаметры, направление скважины, интервалы крепления трубами, сведения о контрольных замерах глубины и искривлении скважины. Буровой журнал заполняют повахтенно.
После окончания скважины буровой журнал вместе с другими геологическими документами по скважине хранят в деле скважины в фондах организации.
В Журнал проверки состояния техники безопасности записывают состояние охраны труда и результаты осмотров по технике безопасности, производимые буровым мастером и руководителями геологоразведочной организации в сроки, которые предусмотрены Правилами безопасности при геологоразведочных работах.
Кроме того, на буровой установке ведется документация на новый породоразрушающий инструмент (заполнение паспортов).
§ 13.	Мероприятия по охране труда и пожарной безопасности
Высокая интенсивность производственного процесса должна сочетаться с безопасными условиями труда. Безопасный труд — это не только залог работоспособности трудящихся и экономия средств, но и показатель высокой технической культуры коллектива. Производство буровых работ часто сопряжено с опасностями для здоровья человека.
Увеличение или уменьшение вероятности травмирования находится в прямой зависимости от внимания, которое уделяется эксплуатации механизмов, состоянию рабочего места и выполнению работниками своих обязанностей в соответствии с правилами по технике безопасности.
При производстве буровых работ необходимо руководствоваться Правилами безопасности при геологоразведочных работах.
Успешная работа по технике безопасности и охране труда обеспечивается постоянным обучением рабочих безопасным методам труда, контролем за соблюдением правил безопасного ведения работ, а также выполнением плана профилактических мероприятий по технике безопасности и охране труда.
Руководство буровыми геологоразведочными работами может быть возложено только на лиц, имеющих на это право (инженер, техник, буровой мастер). Управление буровыми станка
ми, подъемными механизмами, а также обслуживание двигателей, компрессоров, электроустановок должны проводиться лицами, имеющими на это право, что подтверждается соответствующим документом. Все рабочие, как вновь принимаемые, так и переводимые на другую работу, допускаются к выполнению работ только после прохождения инструктажа по технике безопасности и обучения безопасным методам труда. Повторный инструктаж всех рабочих по технике безопасности должен проводиться не реже 1 раза в полугодие. Проведение обучения и повторного инструктажа должно быть зарегистрировано в Журнале регистрации обучения и всех видов инструктажа по технике безопасности.
Буровой агрегат должен проверяться в начале смены бурильщиком и периодически (не реже 1 раза в декаду) буровым мастером.
Результаты проверки должны записываться бурильщиком в буровой журнал, а буровым мастером — в Журнал проверки состояния техники безопасности. Обнаруженные неисправности должны устраняться до начала работ.
Запрещается работать при неисправных узлах станка, насоса, двигателей, пусковой аппаратуры, неисправном слесарном, буровом технологическом и вспомогательном инструменте.
Буровая установка должна быть обеспечена комплектом приспособлений и устройств для безопасного ведения работ и средствами индивидуальной защиты. Особое внимание уделяют ограждению вращающихся частей механизмов и защите от поражения электротоком. Буровая установка должна быть снабжена средствами звукоизоляции и вибропоглощения с целью создания комфортных условий для персонала.
Средства индивидуальной защиты представляют собой защитные каски, защитные очки, средства защиты органов слуха (вкладыши и наушники) и рук (перчатки и рукавицы).
Буровое здание должно быть освещено в соответствии с санитарными нормами, обеспечено умывальником, полотенцами и мылом, бачком для кипяченой воды, аптечкой.
Все рабочие работают только в спецодежде и в защитных касках, для хранения одежды необходимо иметь специальное помещение или шкаф.
Технологические режимы бурения должны соответствовать указанным в ГТН. Контрольно-измерительная аппаратура должна быть исправна.
В процессе работы систематически проверяют состояние техники безопасности и промышленной санитарии лицами, ответственными за состояние техники безопасности.
При использовании в зимнее время печного отопления буровых вышек необходимо обращать внимание на выполнение -требований пожарной безопасности. Пол под печкой и вокруг
нее на расстоянии 0,5 м обязательно следует покрывать листовой сталью. Стену здания у печки необходимо обить стальным листом с асбестовой прокладкой или засыпать песком пространство между листом и стеной. Расстояние от стены до печки должно быть не менее 0,7 м. Печные трубы должны быть выведены выше крыши бурового здания не менее чем на 1,5 м, а в местах проведения их через деревянные конструкции — обернуты асбестом.
Запрещается применять факелы и другие источники открытого огня для аварийного освещения, а также для разогрева дизельной установки и масляных баков буровых станков.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Приведите основные операции при вращательном колонковом бурении. Каковы достоинства колонкового бурения?
2.	Назовите технологический инструмент для колонкового бурения.
3.	Приведите вспомогательный инструмент, применяемый при колонковом бурении. С какой целью используют элеватор?
4.	Какие типы буровых установок применяют для колонкового бурения? Что входит в состав буровой установки?
5.	Какое оборудование входит в состав бурового агрегата?
6.	Назовите основные узлы бурового станка. Какие виды вращателей применяют для буровых станков?
7.	Какие достоинства характерны для гидравлической подачи буровых станков?
8.	Каково назначение буровых насосов? Какие типы буровых насосов используют для установок колонкового бурения?
9.	Какие виды силового привода применяют для установок колонкового бурения? Какими достоинствами обладает объемный гидравлический привод?
10.	Что называют режимом бурения? Приведите основные параметры режима колонкового бурения.
11.	С какой целью составляют проектную конструкцию скважины?
12.	Какие типы твердосплавных коронок используют при колонковом бурении?
РОТОРНОЕ БУРЕНИЕ И БУРЕНИЕ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Разведочные и эксплуатационные скважины на нефть, газ и воду бурят вращательным способом тяжелыми установками. Глубокое вращательное бурение в зависимости от расположения привода вращения долота подразделяется на:
1) роторное бурение, при котором привод вращения долота располагается на поверхности и передает вращение долоту через колонну труб;
2) турбинное бурение и бурение электробуром, при котором привод движения устанавливается непосредственно в скважине над долотом. Турбинное бурение осуществляется гидравлическим забойным двигателем, называемым турбобуром. При бу
рении электробуром породоразрушающий инструмент вращается электрическим двигателем.
При роторном бурении колонну бурильных труб с долотом вращает специальный механизм, устанавливаемый над устьем скважины и называемый ротором.
При турбинном бурении и бурении электробуром долото приводится во вращение от вала забойного двигателя. Колонна бурильных труб при этом не вращается и не испытывает динамических нагрузок, как при роторном бурении.
Для бурения вертикальных скважин на воду, для структур-но-картировочного бурения применяют легкие самоходные установки роторного бурения.
§ 1. Роторное бурение
Роторными буровыми установками называют агрегатирован-ные комплексы бурового оборудования с вращателем роторного типа, с помощью которого передается вращение буровому снаряду без передачи ему осевой нагрузки.
Установки для роторного бурения бывают стационарными и передвижными. Стационарные буровые установки предназначены для бурения эксплуатационных и разведочных скважин глубиной до 10000 м и более и диаметрами до 700 мм.
Передвижные и самоходные буровые установки — это установки легкого типа, предназначенные для разведочного и разведочно-эксплуатационного бурения на глубину от 100 до-1500 м. Схема стационарной буровой установки роторного и турбинного бурения приведена на рис. 5.1.
Снаряд состоит из долота 1, турбобура 2, утяжеленных и нормальных бурильных труб 4, соединенных замками 3. Снаряд через ведущую трубу 10 квадратного или шестигранного сечения соединяется с вертлюгом 8. Ведущая труба проходит через отверстие круглого стола ротора 11 и при бурении скважины по мере углубления забоя опускается вниз.
Ротор помещается в центре буровой вышки. Бурильные и ведущая трубы — полые. Нижняя часть вертлюга, соединенная с ведущей трубой, может вращаться с колонной бурильных труб, а его верхняя часть всегда неподвижна. К отверстию неподвижной части вертлюга присоединяется гибкий буровой шланг 9, через который в процессе бурения закачивается в скважину промывочная жидкость.
Для спуско-подъемных операций служат вышка 12, лебедка 6 и талевая система, которая включает кронблок, установленный на верхней раме вышки, талевый блок, соединенный с кронблоком стальным канатом, и подъемный крюк, на котором с помощью вертлюга 8 подвешивается бурильный инструмент.
Рис. 5.1. Стационарная буровая установка роторного и турбинного бурения
Оборудованием для бурения является ротор И, лебедка 6 и двигатели 7.
Промывочная жидкость подается в скважину насосным агрегатом, который может состоять из одного, двух или трех буровых насосов 13 и двигателей к ним 14.
От насосов промывочная жидкость через нагнетательную линию, вертлюг 8 и колонну бурильных труб поступает на забой скважины, захватывает разрушенную породу и поднимает шлам по кольцевому зазору между бурильными трубами и стенками скважины или обсадных труб 5 на поверхность. Из устья скважины промывочная жидкость направляется в систему же-
Лобов и поступает в шламоочистительные устройства, из которых уже очищенная перекачивается в приемный резервуар для подачи снова в скважину.
При турбинном способе бурения промывочная жидкость вначале поступает в турбобур 2, приводя его вал во вращение, а затем в долото.
Основные параметры стационарных установок роторного бурения— их грузоподъемность, крутящий момент и мощность, которые определяют возможность использования установки, способной выдержать нагрузки, возникающие при спуско-подъеме бурильных труб и вращении бурового снаряда. Различают номинальную грузоподъемность, характеризующую способность установки воспринимать нагрузку от массы бурильной колонны, и максимально допускаемую грузоподъемность, определяющую возможность безопасной кратковременной нагрузки.
Стационарные буровые установки (БУ) по условной глубине бурения подразделяются на восемь классов. Буровые установки характеризуются также видом привода, взаимным расположением силового привода, насосов и лебедки, типом передач, типом вышки, ее высотой и схемой монтажа.
Технические характеристики некоторых стационарных буровых установок, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 5.1.
Самоходные роторные буровые установки предназначены для бурения структурно-поисковых, гидрогеологических, сейсмических и разведочных скважин на глубину до-500 м.
Механизмы буровых установок монтируют на платформах грузовых автомашин. Установки маневренны, быстро монтируются и демонтируются на месте работ. Грузоподъемность таких установок в пределах 25—320 кН, конечный диаметр скважин не превышает 214 мм.
Роторные буровые установки снабжены роторами, лебедками, насосами и другим вспомогательным оборудованием и инструментом для выполнения операций при бурении.
Ротор предназначен для передачи вращения буровому снаряду. Для стационарных и самоходных буровых установок используют стационарные роторы закрытого типа.
Снаряд для роторного бурения собирают из долота, утяжеленных бурильных труб, колонны бурильных труб с муфтовозамковыми соединениями, ведущей трубы квадратного сечения и вертлюга. Элементы бурового снаряда соединяются друг с другом при помощи переходников, муфт и замков. Породоразрушающий инструмент для роторного и турбинного бурения приведен на рис. 5.2.
В качестве породоразрушающих инструментов применяют
Таблица 5.1.
Параметры	Класс буровых станков							
	БУ-2000	БУ-2500	БУ-3000	БУ-4000	БУ-5000	БУ-6500	БУ-8000	БУ-10000
Допустимая грузоподъемность на крюке, кН	1200	1400	1700	2000	2500	3200	4000	5000
Условная глубина бурения, м	2000	2500	3000	4000	5000	6500	8000	10 000
Мощность, развиваемая на барабане подъемной лебедки, кВт	440	550	670	900	1100	1475	2200	2950
Мощность на валу ротора, кВт	180—370	—	370	—	—	440	500	540
Момент, передаваемый столом ротора, кН-м		50				80		120
Мощность бурового насоса, кВт	600		750		950		1180	
Наибольшее давление насоса, МПа	25			12	35		40	
Длина свечи, м Высота вышки, м	15; 25; 27 42,	I 18; 25; 1 27 2	41,5	1	2 45	5; 27; 36		53
Рис. 5.2. Долота для роторного н турбинного бурения:
а — трехшарошечное с фрезерованными зубьями: / — присоединительная резьба; 2 — лапа (секция); 3 — отверстие для прохода жидкости; 4 — шарошка; 5 — шарико-роликовая опора; 6 — зубья; б — трехшарошечное штыревое; в — трехлопастное: / — лопасть; 2 — промывочная иасадка; 3 — корпус; а —алмазное
шарошечные, лопастные и алмазные долота. Шарошечные долота бывают зубчатые и штыревые твердосплавные. Шарошечное долото состоит из нескольких секций (одна — четыре и более), на цапфах которых на широко-роликовых опорах вращаются шарошки с фрезерованными зубьями или армированные твердосплавными штырями. При вращении долота шарошки передвигаются по забою и разрушают породу.
В зависимости от физико-механических свойств пород используют шарошечные долота различных типов: М, С, Т и К, предназначенные для бурения мягких, средней твердости, твердых пород и весьма твердых пород соответственно.
Алмазные долота применяются для бурения на больших глубинах. Достоинство алмазных долот — большая проходка за рейс, что при значительных глубинах скважин обеспечивает существенный экономический эффект. Алмазные долота выпускают диаметрами от 91,4 до 292,2 мм со спиральной, радиальной или ступенчатой формами рабочей поверхности.
Лопастные долота диаметрами от 76 до 445 мм используют для бурения вязких, глинистых пород. Трехлопастное долото состоит из корпуса с центральной промывочной насадкой. К корпусу долота 3 привариваются три лопасти 1 (рис. 5.2,в). Порода разрушается резанием и размыванием высоконапорной струи, направляемой насадкой 2 по центру скважины.
Ведущие трубы служат для передачи вращения от ротора бурильным трубам и имеют квадратную или шестигранную наружную поверхность. Ведущие трубы выпускают диаметрами 65, 80, 112, 140 и 155 мм.
Бурильные трубы при глубоком бурении несут очень большую нагрузку и изготовляются из высококачественной стали. Используют бурильные трубы диаметрами 60,3; 73; 89; 101,6; 114,3; 127 и 139,7 мм длиной 6, 8 и 11,7 м. При бурении трубы соединяют в свечи муфтами, а свечи —замками.
Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) применяют диаметрами 73, 89, 95, 108, 146, 178, 197 и 203 мм длиной 6,8 и 12 м. Масса 1 м трубы в зависимости от диаметра составляет 192 кг.
Технологический режим роторного бурения устанавливают в зависимости от характера пород геологического разреза и технических возможностей применяемого оборудования.
Режим роторного бурения характеризуется осевой нагрузкой на долото, частотой вращения долота, количеством и качеством подаваемой на забой промывочной жидкости. Осевую нагрузку выбирают с учетом типа и диаметра долота, а также физико-механических свойств пород. Осевая нагрузка на долото определяется из расчета удельной нагрузки на 1 см его диаметра. Рекомендуется принимать следующую удельную нагрузку на 1 см диаметра долота (в кН).
Породы:
мягкие...............................1—2
средней	твердости....................2—4
твердые..............................3—6
очень твердые........................6—10
Частоту вращения долота принимают от 90 до 300 мин-1 в соответствии с буримостью породы и глубиной скважины. Если порода крепкая и абразивная, то частоту вращения долота уменьшают; снижают ее и с увеличением глубины скважины.
Промывка скважины при бурении в устойчивых породах производится водой, в неустойчивых — глинистым раствором. Расход промывочной жидкости, подаваемой на забой, рассчитывают исходя из скорости восходящего потока (0,6— 0,8 м/с) и диаметра скважины. В мягких породах интенсивность шламообразования больше, поэтому скорость восходящего потока жидкости должна быть выше, чем при бурении твердых пород.
§ 2. Бурение турбобуром
Турбинным называется такой вид глубокого вращательного бурения, при котором породоразрушающий инструмент приводится во вращение от вала гидротурбины, располагаемой непосредственно над долотом. При этом вся мощность двигателя передается породоразрушающему инструменту. Колонна буриль-
Рис. 5.3. Схема турбобура:
а — разрез турбобура 1—статор, 2 — ротор, б — секция турбобура 1, 2 — ло латки статора и ротора соответственно
ных труб не вращается, поэтому использование гидротурбины (турбобура) дает возможность значительно увеличить механическую скорость бурения.
Забойный двигатель — турбобур представляет собой многоступенчатую турбину осевого типа, работающую в принудительном потоке жидкости. Принцип действия турбобура заключается в преобразовании гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала.
Турбобур (рис. 5.3) состоит из вращающейся и неподвижной систем. Вращающаяся система связана с долотом и состоит из вала, рабочих колес турбины и деталей верхней, нижней и средних опор. Неподвижная система включает корпус турбобура направляющие колеса, верхнюю, нижнюю и среднюю опоры. Корпус турбобура через переходник присоединяется к колонне бурильных труб.
Двигателем турбобура является гидравлическая турбина, состоящая из 100—120 ступеней. Каждая ступень турбины состоит из неподвижного, связанного с корпусом, статора и вращающегося ротора, закрепленного на валу турбобура. Статор и ротор снабжены одинаковым числом лопаток аналогичной формы, но повернутых в противоположные стороны.
Промывочная жидкость, нагнетаемая насосами в бурильные трубы, проходит в корпус турбобура и попадает в направляющие каналы диска статора первой ступени. Этими каналами поток жидкости направляется на лопатки ротора той же ступени, приводя его во вращение. Таким образом, жидкость проходит последовательно все ступени турбины, приводя во вращение вал, и затем через отверстия вала направляется в долото и к забою скважины.
Современные турбобуры развивают мощность 220—260 кВт при частоте вращения 600—700 мин-1 и выпускаются диаметрами от 104 до 235 мм.
При бурении скважин в пластичных вязких породах и при глубоком бурении более эффективны секционные турбобуры, которые включают до 450 ступеней и представляют собой агре
гаты, состоящие из соединяемых вместе двух-трех турбобуров. Увеличение числа секций повышает мощность турбобуров и улучшает технико-экономические показатели бурения.
Для турбобуров характерны следующие закономерности:
1)	частота вращения вала турбобура изменяется пропорционально количеству подаваемой жидкости;
2)	перепад давления в турбобуре пропорционален квадрату количества прокачиваемой через него жидкости;
3)	мощность турбобура изменяется пропорционально кубическому объему прокачиваемой жидкости.
Следовательно, при уменьшении расхода прокачиваемой жидкости в 1,5 раза мощность турбобура уменьшится в 3—4 раза.
При турбинном бурении осевая нагрузка и частота вращения взаимосвязаны так, что при изменении осевой нагрузки автоматически изменяется и частота вращения. Постепенно изменяя осевую нагрузку на долото, можно найти такую частоту вращения, при которой мощность и кпд, развиваемые турбобуром, а также механическая скорость углубления скважины достигают максимального значения. При бурении в твердых породах нагрузка на долото увеличивается, а в мягких — уменьшается.
Параметры режима турбинного бурения находятся в следующих пределах.
Частота вращения	долота, мин-1......................... 400—700
Расход промывочной жидкости, м3/с.......................(3—5) -10~2
Перепад давления,	МПа...................................2,00—8,00
Рабочий момент,	Н-м................................... 1500—3500
Мощность, кВт........................................... 73—221
Механическая скорость при бурении турбобурами в несколько раз больше, чем при роторном бурении; общее время на бурение скважин снижается в 1,6—2,6 раза по сравнению с обычным вращательным бурением.
§ 3.	Бурение электробуром
При вращательном бурении электробуром породоразрушающий инструмент приводится во вращение электродвигателем, расположенным непосредственно над долотом. В настоящее время применяются электробуры, спускаемые в скважину на трубах.
Электробур состоит из двух основных частей — погружного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и шпинделя. К валу герметизированного электродвигателя и шпинделя присоединено долото. Электродвигатель установлен в цилиндрическом корпусе, наполненном маслом. Масло защищает обмотки электродвигателя от влаги. Питание двигателя элек
троэнергией осуществляется посредством отрезков трехжильного кабеля с резиновой изоляцией, проложенных внутри бурильных труб. При свинчивании бурильных труб в колонну концы кабеля автоматически соединяются. Электроэнергия подводится к кабелю с помощью токоприемника, устанавливаемого между вертлюгом и рабочей трубой.
Выпускают электробуры диаметрами 170, 215 и 250 мм, мощностью 80—230 кВт при частоте вращения вала 335—690 мин-1.
Электробур с долотом спускают в скважину на бурильных трубах. Колонна бурильных труб служит для поддержания электробура, восприятия реактивного момента, подачи к забою промывочной жидкости и размещения в ней токоподвода.
Бурение электробуром имеет следующие достоинства:
1)	в 2—3 раза сокращается износ бурильных труб;
2)	меньший расход промывочной жидкости и значительно ниже давление насосов (по сравнению с турбобуром);
3)	возможность бурить с продувкой скважины;
4)	меньший расход электроэнергии;
5)	возможность контроля параметров режима бурения непосредственно на забое.
Режим бурения электробурами имеет много общего с режимом роторного бурения. Частота вращения долота составляет 335—690 мин-1 в зависимости от типа электробура. Осевую нагрузку необходимо выбирать исходя из мощности электробура, обеспечения максимальной скорости, стойкости опор долота и других факторов. Для долот диаметрами 190—296 мм осевая нагрузка составляет 120—300 кН. Количество подаваемой промывочной жидкости зависит от скорости восходящего потока (0,6—0,8 м/с) и диаметра скважины.
§ 4.	Меры безопасного ведения буровых работ
Применение мощных буровых установок с крупногабаритными и тяжеловесными узлами, использование инструмента больших размеров и массы создают повышенную опасность при бурении эксплуатационных и глубоких разведочных скважин на нефть, газ и воду. Нарушение технологического режима бурения или правил безопасности при пересечении скважиной горизонтов с высокими пластовыми давлениями может привести к выбросам, открытым фонтанированиям, пожарам, ликвидация которых крайне затруднительна. Персонал, допускаемый к бурению нефтяных и газовых скважин, должен быть предварительно проинструктирован и практически обучен необходимым мерам на случай внезапного выброса или сильного газовыделения из скважины. До начала бурения шахтное направление должно быть зацементировано в устье скважины. После спуска в сква
жину кондуктора на нем устанавливают превентор, с помощью которого при возникновении опасности выброса устье скважины перекрывается.
В процессе бурения скважина постоянно должна быть заполнена буровым раствором, уравновешивающим пластовое давление. При подъеме инструмента из скважины нужно доливать промывочный раствор, не допуская понижения его уровня в скважине.
В случае открытого фонтанирования скважины необходимо прекратить подачу напряжения в силовую и осветительную сети. Во время действия открытого фонтана работа людей у скважины допускается в исключительных случаях. К этой работе могут быть допущены только специально проинструктированные, снабженные противогазами и соответствующей спецодеждой рабочие. Непрерывное пребывание рабочих в газовой среде должно длиться не более 15 мин и чередоваться с перерывами для отдыха.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Чем отличается роторное бурение от бурения забойными двигателями?
2.	Какие виды забойных двигателей используют при бурении?
3.	Как оборудована стационарная установка роторного бурения?
4.	Какого типа роторы применяют для самоходных буровых установок?
5.	Назовите породоразрушающий инструмент, используемый при роторном бурении.
6.	Какие элементы включает в себя снаряд для роторного бурения?
7	Что является двигателем турбобура?
8.	Какие функции выполняет колонна бурильных труб при бурении электробурами?
Глава 6
СВЕРХГЛУБОКОЕ И МОРСКОЕ БУРЕНИЕ
§ 1.	Бурение сверхглубоких скважин
В последние годы в практике поискового бурения во многих странах мира, в том числе и в СССР, происходит значительный рост числа скважин, проводимых на большой глубине.
Сверхглубокие скважины бурят с целью поисков промышленной нефтеносности и газовых месторождений. Кроме того, это позволяет получить данные с нижних горизонтов земной коры.
Бурение сверхглубоких скважин позволит также решить фундаментальные задачи, стоящие перед наукой (прогнозирование землетрясений, улучшение геологической интерпрета
ции) и получить информацию о поведении и метаморфизме вод, водных растворов и сопутствующих им газов, об энергетическом состоянии глубин Земли для выяснения возможностей использования внутриземной энергии.
По геофизическим данным земная кора условно разделяется на «гранитный» и «базальтовый» слои и подстилается верхней мантией. Земная кора континентов имеет мощность 35—40 км. В некоторых местах она снижается до 15—20 км и возрастает до 80—100 км (особенно в горных районах). В настоящее время хорошо известно, из чего состоит «гранитный» слой. Состав и происхождение «базальтового» слоя менее изучены. Нет достоверных сведений о горных породах, расположенных на больших глубинах; неизвестно, как по мере удалений от земной поверхности изменяются состав и физические свойства горных пород.
Скважины глубиной более 6000 м считаются сверхглубокими. Сверхглубокие скважины бурят в соответствии с разработанными проектами.
Проходка скважиной материковой или океанической земной коры для вскрытия верхней мантии Земли — одна из сложных задач современной техники и естествознания.
Особенность сверхглубокого бурения — большое число колонн в скважине, спускаемых на большую глубину, с различными их диаметрами. Ствол скважины должен быть максимально вертикальным, без уступов и иметь максимальную устойчивость для сохранения первоначальных геометрических размеров с целью предотвращения осложнения при спуске колонн.
Конструкция сверхглубокой скважины предварительно проектируется с учетом геологического строения района, в котором закладывается скважина. Конструкция скважины предусматривает следующие колонны:
1)	направляющую колонну, которую устанавливают, когда верхние слои сложены неустойчивыми и сыпучими породами. Эта колонна служит для закрепления устья скважины и отвода промывочной жидкости. Для направляющей колонны используют обсадные трубы диаметром 406 мм и более;
2)	кондуктор, применяемый в качестве основания для оборудования устья скважины, а также для перекрытия толщи неустойчивых водопоглощающих и водоносных пород, которые залегают в верхней части разреза. В связи со значительными нагрузками, действующими на кондуктор, его опускают на довольно большую глубину и надежно цементируют. Длина кондуктора колеблется в очень широких пределах — от 60 до 100 м, а иногда и более;
3)	промежуточную колонну, предназначенную для перекрытия сильно осложненных горизонтов, если ликвидировать осложнения обычными методами не удается. Для промежуточной ко
лонны используют обсадные трубы с меньшим диаметром, чем для кондуктора. Длина промежуточных обсадных колонн колеблется от 1800 до 5000 м и более;
4)	эксплуатационную колонну, которую опускают, когда предварительными исследованиями установлена продуктивность вскрытых горизонтов. Для эксплуатационной колонны используют обсадные трубы диаметрами 178 и 146 мм, а иногда и меньшего размера;
5)	хвостовик колонны, используемый в том случае, когда не требуется спуск сплошной эксплуатационной колонны.
В проекте сверхглубокой скважины обсадные колонны рассчитывают на растяжение от сил собственного веса, на смятие внешним давлением и разрыв от внутреннего давления. Для каждой колонны вычисляют допустимое снижение уровня жидкости с учетом прочности цементного кольца.
При бурении сверхглубоких скважин особое внимание уделяют герметичности обсадных труб, спускаемых в скважину, соединений и созданию соединения, равнопрочного с телом трубы. Обсадные трубы должны подвергаться внутреннему гидравлическому испытанию на давление. Каждая труба, выдержавшая гидравлическое испытание, должна подвергаться проверке по натягу резьбовых соединений. Скорость спуска труб в скважину строго ограничивают для предотвращения смятия обсадной колонны.
В СССР проблема комплексного освоения глубинных недр Земли решается в несколько этапов. Скважины глубиной до 7000 м бурят с помощью стандартного оборудования. В 1967 г. была пробурена Медведковская скважина (в Краснодарском крае) глубиной 6323 м. В последующие годы были пробурены в различных частях нашей страны скважины большой глубины (до 7024 м). В 1970 г. была заложена сверхглубокая скважина СГ-3 на Кольском полуострове. Первый этап бурения этой скважины был закончен в апреле 1975 г. на глубине 7263 м. С 1976 г. осуществляется второй этап бурения скважин. В декабре 1983 г. скв. СГ-3 пересекла отметку 12-км глубины. Кольскую сверхглубокую скважину продолжают бурить. В результате исследований, проведенных при бурении скв. СГ-3, получены материалы о строении земной коры и состоянии пород на больших глубинах, а также принципиально новые данные о процессе рудообразования в глубинных слоях земной коры.
Предусматривается, что Кольская сверхглубокая скважина после окончания ее бурения будет превращена в природную лабораторию для исследования глубинных процессов, протекающих в земной коре.
С 1977 г. ведется бурение сверхглубокой скважины на окраине г. Саатлы в Муганской степи Азербайджана. Бурение и ис
следование Саатлинской скважины будут продолжаться до глубины 11000 м.
В дальнейшем намечено заложение сверхглубоких скважин на площади Прикаспийской впадины, на Урале, в Закавказье, в центральных областях Восточно-Европейской платформы, в Восточной Сибири на Тянь-Шане, в Тюменской области, на Курильских островах, в Карелии.
В комплексе с геофизическими исследованиями результаты сверхглубокого бурения позволяют на более высоком уровне достоверности обосновать направление поисковых и разведочных работ.
§ 2.	Оборудование и инструмент для сверхглубокого бурения
Уралмашзавод выпускает комплексные буровые установки для бурения скважин глубиной 6500, 8000 и 15000 м. Это стационарные установки для роторного бурения. Для бурения скважин глубиной до 6500 м выпускают установки Уралмаш 200ДГ-1У с дизель-гидравлическим приводом и Уралмаш 200Э-1У с приводом от электродвигателей переменного тока. Для бурения скважин глубиной до 8000 м выпускают установки Уралмаш ЗООЭ с приводом от электродвигателей постоянного тока и Уралмаш 300ДЭ с дизель-электрическим приводом. Установка Уралмаш 15000 предназначена для бурения скважин глубиной до 15000 м.
Буровые установки имеют раздельный привод буровых агрегатов (ротора, лебедки, буровых насосов) от электродвигателей постоянного тока с применением тиристорных преобразователей постоянного тока. Это наиболее современный и прогрессивный привод для буровых установок такого класса.
Первый этап бурения скв. СГ-3 осуществлялся буровой установкой Уралмаш-4Э, предназначенной для бурения на глубину до 5000 м.
На втором этапе бурение осуществляется установкой Уралмаш 15000. Оборудование установки расположено в четырех блоках: вышечно-лебедочном, энергетическом, насосном и дополнительном насосном. Приводом установки служат электродвигатели общей мощностью 29 500 кВт.
Для бурения под направляющую скважину чаще всего применяют роторный способ. В качестве бурового инструмента используют трехшарошечные долота с последующим расширением скважины лопастными расширителями. Бурение скважины под кондуктор, промежуточную и эксплуатационную колонны производится как роторным способом, так и турбобуром.
В качестве бурового инструмента применяют шарошечные и алмазные долота.
Алмазные долота секторного типа для бескернового бурения состоят из фасонной алмазсодержащей матрицы, в поверхностном слое которой по определенным схемам размещают алмазные зерна (рис. 6.1). Алмазные долота ступенчатого типа для бескернового бурения представляют собой ступенчатый корпус, по горизонтальным площадкам которого расположены алмаз-содержащие матрицы. Эти долота имеют увеличенные промывочные каналы на боковой поверхности.
Используют также трех- и многолопастные алмазные долота. Рабочие элементы этих долот выполнены из матрицы, в которой расположено несколько слоев алмазных зерен.
При необходимости получения керна применяют колонковые алмазные долота и специальный колонковый снаряд. Конструкция колонкового снаряда обеспечивает возможность использования грунтоносов.
При бурении Кольской скважины применяли трех-, четырех- и шестишарошечные бурильные долота с вооружением шарошек твердосплавными зубками, а также долото с шестью секторами, оснащенными сверхтвердым материалом — Славутичем.
§ 3.	Бурение в море и океане
Мировой океан занимает 70,8% всей поверхности нашей планеты. Дно Мирового океана складывается из континентального шельфа, материкового склона, ложа океана глубоководных желобов и впадин. Континентальный шельф — своеобразное подводное продолжение материка; на глубинах до 200 м он занимает 7,6% всей площади дна Мирового океана. Наиболее доступен для изучения и освоения континентальный шельф, ширина которого колеблется от нескольких до сотен километров. Полезные ископаемые Мирового океана подразделяются на морские россыпи, коренные месторождения, покрытые водами морей, и месторождения ложа океанов.
В настоящее время в основном используют минеральное сырье, которое получают из месторождений, расположенных на суше. Под дном морей и океанов, помимо нефти и природного газа имеются залежи железной руды, марганца, серы, уг*ля, фосфатов и других полезных ископаемых. Считают, что под дном морей и океанов находится больше нефти, чем на континентах.
Советский Союз омывается морями трех океанов. Морские границы нашей страны протянулись на десятки тысяч километров. Поисково-разведочные работы, осуществляемые в настоящее время в прибрежной зоне морей, направлены на выявление и освоение месторождений нефти и газа, черных металлов, россыпных месторождений алмазов, благородных и цветных металлов.
§ 4.	Технические средства для морского бурения
Тип и конструкция средств для морского бурения определяется глубиной воды, расстоянием от берега, средней высотой волны и климатическими условиями.
При разведке прибрежных месторождений, залегающих под дном моря, используют легкие плавучие средства и легкие буровые основания, опирающиеся на морское дно.
При глубоком морском бурении применяют различные буровые основания:
1)	при глубине моря до 25 м — крупноблочные морские основания;
2)	при глубине от 15 до 70 м — плавучие буровые установки (ПБУ), которые во время бурения опираются на морское дно при помощи колонн;
3)	при глубине от 60 до 300 м бурят с заякоренной ПБУ;
4)	при глубине свыше 300—500 м используют динамическую стабилизацию плавучих буровых установок.
Легкие плавучие средства подразделяются на основные, вспомогательные и спасательные. Основные плавучие средства
предназначены для монтажа на них буровых установок, размещения труб и бурового инструмента. В качестве плавучих средств используют понтоны, баржи и самоходные суда. Понтон представляет собой сварную коробку из жесткого металлического каркаса, обтянутого листовой сталью.
Для буровых работ наиболее удобны баржи с люками, открывающимися в днище. В этом случае буровой станок устанавливают в центре баржи. Перед началом буровых работ баржу загружают балластом для придания ей большей устойчивости. Применяют также две спаренные баржи. Буровой станок при этом размещают в зазоре между баржами. Такие баржи дают возможность использовать более тяжелые буровые установки.
Грузоподъемность судна должна обеспечивать необходимую плавучесть при максимальных динамических нагрузках, возникающих при бурении. Установлено, что при отношении грузоподъемности к возникающим нагрузкам, составляющем 2:1, обеспечивается необходимая плавучесть.
При бурении на открытых прибрежных акваториях применяют самоходные суда водоизмещением 40—80 т. На палубе в кормовой части расположена надстройка бытовых и служебных помещений, в носовой — буровое оборудование, содержащее буровую мачту, лебедки и другое оборудование (рис. 6.2). На таких судах используют ударно-канатное, ударно-забивное, вибро-вращательное и колонковое бурение.
Бурение скважин ведется с большой механической скоростью и заканчивается обычно за один рейс. Для удержания судна при бурении оно снабжено тремя-четырьмя якорями.
Вспомогательные плавучие средства предназначены для поддержания сообщения с берегом, замера глубин, обеспечения водолазных работ и ловли затонувших предметов и инструментов и т. д. В состав вспомогательных плавучих средств входят гребные шлюпки и самоходные катера.
При глубине моря до 25 м для бурения скважин применяют крупноблочные морские основания типа МОС (рис. 6.3). Основные конструктивные элементы основания — крупные блоки, представляющие собой металлические пространственные фермы, состоящие из телескопических опорных стоек 1. Блоки транспортируют и устанавливают с помощью кранового судна. При монтаже опорные блоки устанавливают на расстоянии 8 м друг от друга, пролеты между ними перекрывают металлическими пространственными секциями жесткой конструкции. На крупноблочных основаниях монтируют мачту 2 и буровое оборудование, размещенное в здании 3. Крупноблочные основания используют для бурения нефтяных скважин на Каспийском море.
Рис. 6.2. Плавучая буровая установка:
/ — надстройка; 2 — буровая мачта; 3, 4 — буровая и талевая лебедки; 5 —вибратор; 6 — вращатель
Рис. 6.3. Крупноблочное буровое основание типа МОС
При глубине моря от 25 до 70 м применяют плавучие буровые основания, опирающиеся через понтоны на морское дно с помощью выдвижных колонн. Плавучую буровую установку транспортируют буксиром в районы бурения. По прибытии на место бурения понтоны затопляются водой, колонны опускаются и опираются на дно. Буровая площадка поднимается на колоннах над водой на высоту до 15 м. В таком положении буровая площадка фиксируется и недоступна воздействию волны. При больших глубинах установки во время бурения находятся в плавучем состоянии и стабилизируются системой якорей. Установка имеет жилые помещения и помещения для хранения топлива, бурового раствора, масла, запас труб и других материалов на длительное время. В машинном отделении установлена дизель-электрическая станция, которая полностью обеспечивает энергией силовой привод буровой установки и всех вспомогательных служб.
При глубине моря от 60 до 300 м используют заякоренные плавучие буровые установки. Буровое судно во время бурения находится на плаву и удерживается на точке бурения мощной якорной системой, состоящей из лебедок, направляющих блоков и канатов. Якорная система должна удерживать буровое судно над устьем скважины при сильном ветре любого направления.
Такие буровые установки оборудуют системой динамической стабилизации над скважиной. Советская ПБУ «Шельф-2», работающая в Каспийском море, оснащена системой динамической стабилизации.
§ 5.	Охрана труда при бурении
Бурение скважин с поверхности воды, плавучих и придонных (неподвижных) установок имеет свои особенности. Для обеспечения безопасности необходимо учитывать эти особенности и при проведении буровых работ предусматривать дополнительные мероприятия по предупреждению возможных аварий и травмирования людей.
Плавучие буровые установки должны быть ограждены перилами высотой не менее 1,2 м. Доступ к трюмам, люкам, выходам, противопожарным и спасательным средствам на установке должен всегда быть свободен. Буровая установка должна в ночное время освещаться сигнальными огнями, выставляемыми с таким расчетом, чтобы они были видны на расстоянии не менее 500 м.
На каждой установке необходимо иметь спасательные принадлежности: круги и нагрудники для каждого работающего члена бригады. Все работающие на плавучей установке должны уметь плавать, знать свои места и обязанности на случай тревоги, а также правила спасения утопающих.
Плавучие установки перед выходом для бурения на новой точке должны быть осмотрены и приняты комиссией. Запрещается передвижение установки во время тумана. Грузоподъемность установки должна отвечать условиям работы и применяемому оборудованию. Корпус установки требуется содержать в состоянии, обеспечивающем безопасность работы.
Установки следует расчалить, а также снабдить якорями на цепях, соответствующих грузоподъемности установки. Применяемые канаты должны иметь не менее шестикратного запаса прочности. При установке должна постоянно находиться дежурная аварийная лодка. Между берегом и буровой установкой должна быть надежная сигнализация. При бурении с понтонов и спаренных вельботов установка должна иметь рабочую площадку размером не менее 4X4 м. Высота вышки или мачты при этом определяется из расчета устойчивости.
При бурении с пароходов на корме или на носу парохода необходимо устанавливать рабочую площадку размером не менее 2,5X2,5 м. Грузоподъемность плавучих оснований должна соответствовать условиям работы и применяемому оборудованию.
При ведении буровых работ в море необходимо руководствоваться Временной типовой инструкцией по безопасному ведению морских геологоразведочных работ. Положения инструкции требуют выполнения следующих важных условий:
а)	организационной и технической подготовки перед началом морских поисковых работ;
б)	прохождения исполнителями работ специального медицинского обследования с получением санитарного паспорта моряка;
в)	проведения специального инструктажа по технике безопасности ведения морских геологоразведочных работ, проверки умения пользоваться средствами спасения, плавания;
г)	усвоения исполнителями действий в опасных ситуациях на судах и плавучих средствах, используемых при ведении конкретных работ.
Большое значение необходимо уделять качественной подготовке ПБУ к полевому сезону. Все узлы ПБУ, системы и инструмент работают в условиях морской агрессивной среды. Поэтому в конце каждого полевого сезона все ПБУ следует доставить на берег, очистить от ракушек, водорослей и ржавчины. Качественная и квалифицированная инженерная подготовка ПБУ к работе — основа успешной работы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие скважины считают сверхглубокими? С какой целью бурят сверхглубокие скважины?
2.	Какое оборудование применяют для сверхглубокого бурения?
3.	Какой буровой инструмент используют при сверхглубоком бурении?
4.	Какие технические средства применяют при морском бурении скважин?
5.	Какие требования предъявляют к плавучей буровой установке при глубине моря свыше 300 м?
6.	Расскажите о мерах безопасного ведения работ при бурении скважин с водной поверхности.
Глава 7
СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАБОТЫ В СКВАЖИНЕ
§ 1. Искривление буровых скважин
В зависимости от условий залегания полезного ископаемого разведочные скважины бурят вертикально или под наклоном. Из подземных горных выработок бурят скважины любого направления. В процессе бурения скважины часто искривляются.
Искривлением скважины называется изменение направления оси скважины в пространстве по отношению к начальному положению, заданному при заложении скважины на поверхности, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Если искривление происходит самопроизвольно, его называют естественным, а если преднамеренно — искусственным.
Искривлению подвержены в большей или меньшей степени почти все скважины при любом способе бурения. Полученные по искривленным скважинам данные дают иногда неверное представление о характере залегания и количестве полезного ископаемого. Искривление скважин осложняет процесс бурения: затрудняются спуско-подъемные операции в искривленных скважинах, повышается износ бурильных труб, снижается производительность бурения.
Поэтому сохранение заданного направления скважины — один из основных критериев, предусматривающих качество разведочного бурения и геологической документации. При бурении скважин необходимо принимать меры, предупреждающие или уменьшающие искривление скважины.
Интенсивность искривления скважины зависит от геологических условий, а также от причин технического и технологического характера. Причины геологического характера связаны с неоднородностью среды, в которой бурят. При переходе из мягких пород в более твердые происходит отклонение скважины в сторону твердого слоя. При переходе из твердых пород в мягкие скважины искривляются также в сторону твердых пород, но в меньшей степени. Искривление скважины происходит тем интенсивнее, чем чаще перемежаются и больше отличаются по твердости пересекаемые скважинами слои пород. Большое значение при переходе скважины из пород одной твердости в другую имеет угол встречи скважины с пластом у (рис. 7.1).
б
ftp
6
Рис. 7.1. Схемы искривления скважин на границе пород различной твердости:
1 — искривление скважины в вертикальной плоскости: а, б — прн переходе соответственно с мягких пород на твердые и с твердых на мягкие; в — при острых углах встречи с твердой породой: 1,2 — мягкие и твердые породы; 3 — скалывающаяся часть забоя; II — возможные азимутальные отклонения скважины; а, б — при переходе с мягких перед на твердые: 1, 2 — мягкие и твердые породы; 3 — линия контакта
Если буровой снаряд встречается с твердыми породами под. острым углом у (больше критического), скважина искривляется в сторону твердой породы. При встрече твердых пород с более мягкими ствол скважины отклоняется в сторону от нормали, т. е. в сторону твердой породы. При часто перемежающихся по твердости породах ствол скважины искривляется в сторону напластования пород. При углах встречи меньших критического ствол скважины скользит по плоскости контакта мягких пород с твердыми. Величина критического угла уКр зависит от вида породоразрушающего инструмента, твердости пород, осевой нагрузки и находится в пределах от 10 до 24°. При бурении
в слабоустойчивых или неустойчивых породах в скважинах образуются большие каверны, полости или завалы, которые могут привести к резкому искривлению скважины.
Приведенные причины вызывают как зенитное, так и азимутальное искривление скважины.
Причины технического характера оказывают влияние на искривление скважин как при их забуривании, так и в процессе бурения. Отклонение оси скважины при забуривании может быть вызвано неправильной установкой станка, непрочным закреплением его на фундаменте, отсутствием или неточной установкой направляющей трубы.
Искривление скважины в процессе бурения связано с особенностями конструкции буровых станков и неправильными приемами работы, приводящими к отклонению снаряда от оси скважины. Искривление скважины происходит в результате применения искривленных бурильных или колонковых труб, бурения короткими колонковыми снарядами в породах перемежающейся твердости, использования бурильных труб малого диаметра в скважине большого диаметра, несвоевременного закрепления стенок скважины обсадными трубами в рыхлых и разрушенных породах, а также перехода на меньший диаметр бурения без специального переходного снаряда.
Причины технологического характера связаны со способами и режимами бурения. Они могут вызвать неравномерное разбуривание забоя и стенок скважины, образование больших зазоров между стенками скважины и снарядом, а также увеличение сил, отклоняющих снаряд от скважины.
Существенное влияние на искривление скважины оказывает механическая скорость бурения. Чем больше скорость бурения, тем меньше интенсивность искривления. Чрезмерная осевая нагрузка способствует искривлению скважины. Если с повышением осевой нагрузки скорость бурения не увеличивается, интенсивность искривления возрастает. Однако до тех пор, пока при повышении осевой нагрузки скорость бурения увеличивается, это препятствует искривлению скважины.
Направление вращения бурового снаряда оказывает существенное влияние на характер искривления скважины. При вращении снаряда вправо вследствие явления девиации скважина имеет тенденцию к отклонению в левую сторону.
Применение чрезмерно интенсивной промывки в мягких Породах раствором, способным размывать стенки скважины, вызывает увеличение диаметра скважины, что приводит к отклонению снаряда от заданного направления.
На значительное искривление скважины указывают следующие признаки:
1)	повышенный износ бурового инструмента, работающего в скважине, особенно бурильных труб и замковых соединений;
2)	затруднение проворачивания подвешенного в скважине инструмента;
3)	резкое увеличение нагрузки при подъеме бурильной колонны;
4)	ненормальная работа бурового оборудования — перегрузка двигателя, перегрев узлов станка, повышенное давление на буровом насосе.
При появлении этих признаков необходимо измерить искривление и принять меры к его устранению.
Искривления скважин под влиянием геологических и технологических причин полностью предупредить почти невозможно, так как они действуют постоянно и по всей глубине скважины.
Однако можно значительно уменьшить их влияние, снижая тем самым интенсивность искривления. Причины технического характера могут быть устранены путем рационального ведения буровых работ.
При переходе с большего диаметра бурения на меньший необходимо применять специальный снаряд, состоящий из колонковых труб двух размеров. При бурении пород перемежающейся твердости и больших зазорах между стенками скважины и снарядом следует использовать длинные колонковые снаряды (9—12 м).
При пересечении перемежающихся слоев пород различной твердости следует задавать направление скважины перпендикулярно к плоскости контактов между слоями, а также к плоскости напластования или смещения пород.
Коронки необходимо применять с таким расчетом, чтобы зазор между стенками скважины и бурильной колонной был небольшой. Если по техническим причинам использовать такие коронки нельзя, то необходимо устанавливать центрирующие устройства на бурильной колонне.
§ 2.	Измерение искривления скважин
При бурении скважин с целью предупреждения их искривления следует периодически по мере углубления контролировать направление бурения. Различают оперативный и плановый контроль за искривлением скважины.
Оперативный контроль осуществляется буровой бригадой. При оперативном контроле искривления скважин глубиной до 100—150 м измеряется только зенитный угол. В более глубоких скважинах необходимо измерять зенитный угол и азимутальное направление через 50—100 м продвижения забоя, а в сложных геологических условиях — через 20—25 м.
Плановый контроль искривления скважины осуществляется специальным отрядом через 200—300 м углубления скважины. В скважинах глубиной до 200 м такой контроль проводят при достижении проектной глубины.
Приборы для оперативного контроля могут измерять только зенитные углы или как зенитные углы, так и азимуты. В этих приборах используется принцип горизонтальности уровня жидкости или принцип отвеса и магнитной стрелки.
Применяют приборы с плавиковой кислотой и электролитом.
Прибор, работающий по принципу горизонтального положения жидкости (рис. 7.2,а), представляет собой стальной стакан — анод 2, в котором соосно закреплен стержень — катод 3 с изолятором 4.
Поверхность медного катода
Рис. 7.2. Измерительный прибор с электролитом (а) и схема для вычисления зенитного угла (б) никелированная. В стаканчик
заливают электролит 1, приготовленный растворением 15 г медного купороса в 100 мл дистиллированной воды с добавлением 10 мл серной кислоты и 20 мл этилового спирта.
Через прибор, опущенный в скважину и помещенный в намеченной ее части, в течение 1—3 мин пропускают электрический ток силой 150—300 мА и напряжением 4—5 В. В результате на
катоде из электролита осаждается чистая медь. Зенитный угол определяют по формуле
tg 0 — (^max	^mln)/4,
или геометрическим построением (рис. 7.2,6), где Лтах и hmia — расстояние от нижнего конца катода соответственно до верхней и нижней точек линии отпечатка; d — диаметр катода.
Для полного измерения (зенитного угла и азимута) искривления скважины применяют приборы-инклинометры. Для измерения в немагнитных и слабомагнитных средах используют инклинометры с магнитной стрелкой и отвесом (И-6, ОК-40У, МИ-ЗОУ, МИ-42У).
В скважинах, пробуренных в магнитных (в основном железистых) породах, используют гироскопические инклинометры (ИГ-2, ИГ-50, ИГ-70).
§ 3.	Направленное и многоствольное бурение
Чтобы привести забой скважины в заданную точку по наиболее рациональному профилю, необходимо бороться с нежелательным искривлением либо усиливать его искусственно. Таким образом осуществляется управление положением скважины, при
котором ее ось все время совпадает с проектным направлением, а забой скважины приводится в намеченную точку. Такой процесс получил название направленного бурения скважин.
Направленное бурение геологоразведочных скважин позволяет:
1)	получить более представительные данные при бурении скважин по наиболее рациональной проектной траектории, обеспечивающей пересечение возможно большего числа пластов при соблюдении густоты разведочной сети и увеличение угла встречи оси скважины с залежами;
2)	улучшить технические и технологические условия бурения скважины путем бурения вертикальных и наклонных скважин, обхода интервалов возможных осложнений, уменьшения интенсивности искривления скважины;
3)	бурить с площадок, выбор местоположения которых ограничен;
4)	бурить на участках, которые недоступны для размещения буровых установок (болота, реки, озера, крупные сооружения);
5)	повысить качество и эффективность геологоразведочных работ.
Направленное бурение геологоразведочных скважин производится под участки, на которых по каким-либо причинам нельзя заложить скважину (бурение под дно водного бассейна, заболоченное место, инженерное сооружение). При разведке месторождений с крутым падением пластов полезного ископаемого возникает необходимость бурения наклонных скважин, которые бурить значительно труднее, чем вертикальные. В таких случаях целесообразно применение направленного бурения, когда закладывают вертикальные или слабонаклонные скважины, а на глубине их искривляют и пересекают полезные ископаемые вкрест его простирания в намеченном месте.
Искусственное искривление в заданном направлении используют для бурения многоствольных скважин, когда из основного ствола отводится несколько дополнительных стволов, пересекающих полезное ископаемое по установленной разведочной сети (рис. 7.3). Многоствольное бурение осуществляется в следующем порядке. После подсечения рудного тела основным стволом скважины на определенном расстоянии от забоя устанавливают отклонитель и забуривают новый ствол, которым пересекают полезное ископаемое в другой точке. Так же бурят остальные дополнительные стволы. Их можно забуривать как из основного, так и из любого вновь созданного ствола.
Стоимость бурения 1 м многоствольных скважин выше, чем обычных примерно на 15—20%. Однако при многоствольном бурении уменьшаются затраты времени и средств на монтаж, демонтаж и транспортирование оборудования, а также сокращаются объемы бурения скважин. Поэтому особенно эффектив-
Рис. 7.3. Основные типы многоствольных скважин:
а — односторонние перистые с вертикальным или наклонным положением основного ствола; б — двусторонние веерообразные; в — комбинированные: 1—5 — номера скважин
Рис. 7.4. Технические средства разового применения для искривления скважин:
а — стационарный отклоняющий клин КОС: 1,7 — распорный конус; 2, 6 — верхний и нижний патрубки; 3 — корпус; 4— шток; 5 — винт; 8 — удлинитель; 9 — клии; 10 — заклепки; 11 — патрубок;
б — пробка-забой ПЗ: 1, 10 — проволока; 2, 5 — корпус; 3 — винт: 4 — шток; 6 — обратный клапан; 7—поршень; 8 — распорный конус; плашки; 11 — направляющая
б
но бурение глубоких (более 250—300 м) многоствольных скважин.
Направленное бурение осуществляют с учетом геологического строения разреза и закономерностей искривления скважин. В соответствии с желаемым направлением искривления нужно применять такую технологию бурения, которая усиливает естественное искривление скважин или, наоборот, противодействует ему.
Для бурения направленных и многоствольных скважин используют различные технические средства и технологические методы. По характеру и принципу действия их можно разделить на технические средства разового, многократного использования и непрерывного действия.
К средствам разового применения относятся стационарные отклоняющие клинья (рис. 7.4,а), используемые для забуривания дополнительных стволов при бурении многозабойных скважин, обходе аварийных интервалов в скважине, повторном перебуривании полезного ископаемого.
Клин вместе с раскрепляющим устройством спускают в скважину на бурильных трубах и устанавливают на забой. Отбури-вание от стационарного клина производится коротким колонковым снарядом длиной 3 м. Далее бурят буровым снарядом обычной компоновки.
Для установки стационарного клина в стволе скважины необходимо создание искусственного забоя с помощью специальных пробок или цементных мостов. Пробка-забой (рис. 7.4,6} состоит из собственно пробки и гидропривода, которые на бурильных трубах спускают в скважину. При достижении намеченного интервала через бурильные трубы сбрасывают шариковый клапан и закачивают промывочную жидкость, которая перемещает вниз шток гидропривода, а вместе с ним распорный конус пробки. При этом срезается фиксирующий винт 3. Плашки, раздвигаемые конусом, расклинивают корпус пробки в скважине. После этого гидропривод отсоединяют от пробки и извлекают из скважины.
К средствам многократного применения (рис. 7.5) относятся извлекаемые отклоняющие снаряды, шарнирные компоновки и другие устройства, которые используют для искусственного искривления скважин с естественного забоя. Извлекаемые отклоняющие снаряды любой конструкции состоят из трех основных частей: отклоняющего клина, раскрепляющего устройства и отбуривающего снаряда с породоразрушающим инструментом. В скважине клин чаще всего раскрепляется за счет расклинивания при создании осевой нагрузки. Отбуривающий снаряд представляет собой колонковый набор небольшой длины, соединенный с колонной бурильных труб при помощи шарнира или ниппеля. Забуриваемые такими снарядами скважины могут иметь тот же или меньший диаметр. После забуривания в новом направлении на глубину 1,5—2,5 м клиновой отклонитель поднимают на поверхность. Периодическая установка извлекаемых клиновых снарядов типа СО, СНБ-КО, СНБ-АС по мере углубки скважины обеспечивает ее искусственное искривление с необходимым набором кривизны.
Существенное преимущество извлекаемых отклоняющих снарядов заключается в том, что дополнительные затраты вре-
Рис. 7.6. Схема отклонения ствола скважины бесклиновым способом:
а — отклонение ствола одношарнирным снарядом; б—бурение основного ствола после отклонения; в — схема многоствольной скважины; / — шарнирное соединение;
2 — короткий колонковый снаряд; 3 — длинный колонковый снаряд повышенной жесткости; Do, D& — диаметры основного и дополнительного стволов
Рис. 7.5. Отклоняющие снаряды многократного применения для искривления скважины:
а — типа СО: /, 7— бурильная и колонковая трубы; 2 — гайка; 3— втулка; 4— муфта; 5 — винт; 6 — корпус; 8 — алмазная коронка; 9 — заклепка; 10 — клин; б — типа СНБ-КО: 1— штифт; 2, 5 — переходники; 3 — бурильная труба; 4 — втулка-переходник; 6~ шарнир; 7 — колонковая труба; 8 — алмазная коронка;. 9— направляющая ложка; 10 —- косынка
мени, связанные с искривлением, значительно меньше по сравнению с неизвлекаемыми отклоняющими клиньями.
К средствам искривления скважин непрерывного действия относятся бесклиновые скользящие снаряды непрерывного действия (рис. 7.6). Бесклиновый способ забуривания дополнительных стволов при сооружении многоствольных скважин заключается в следующем. С помощью одношарнирного снаряда небольшой длины на проектной глубине основной ствол с естественного забоя резко отклоняют в интервале 5—7 м при равномерном наборе кривизны. При этом корпус снаряда перемещается вдоль ствола строго по его образующей с сохране
нием первоначальной ориентации. После соответствующей проработки висячей стенки скважины отклоняемый ствол бурят до заданной глубины. Основной ствол, минуя устье дополнительного ствола, в прежнем направлении бурят более длинным и жестким буровым снарядом.
Таким способом можно бурить дополнительные стволы практически в любом направлении. Преимущество этого метода — исключение работ, связанных с сооружением искусственных забоев (мостов). Производственные предприятия применяют снаряды типа ТЗ-З-57, БСНБ-57, СНБ-ИМР-73, СБС-46 и др.
Ориентирование отклоняющих устройств в скважине может осуществляться прямым и косвенным методами. При прямом методе положение отклоняющего устройства фиксируется путем ориентированного спуска колонны бурильных труб. Для ориентирования различных отклонителей применяют универсальный штыревой ориентатор УШО.
§ 4. Тампонирование скважин
Тампонированием скважины называется комплекс работ по изоляции отдельных ее интервалов. Тампонирование осуществляется с целью предотвращения обвалов скважины и размывания пород в пространстве за обсадными трубами, разделения водоносных или других горизонтов для их исследования, перекрытия трещин, пустот, каверн, для ликвидации водопроявле-ний, поглощения промывочной жидкости при бурении.
При бурении на жидкие и газообразные полезные ископаемые, а также на минеральные соли необходимо изолировать пласт полезного ископаемого от вышележащих пластов. Изоляция отдельных горизонтов в скважине необходима для предотвращения проникновения грунтовых и пластовых вод в пласт полезного ископаемого. Схема тампонирования скважины представлена на рис. 7.7. При подходе к продуктивному пласту проходка скважины прекращается в водонепроницаемом вышерасположенном пласте. Затем в скважину спускают колонну обсадных труб 1, а кольцевое пространство между низом колонны и стенами скважины заполняют водонепроницаемым материалом 2. Тампонированием затрубного пространства обсадная колонна предохраняется от сжатия давлением и корродирующего воздействия минерализованных подземных вод.
Применяют постоянное и временное тампонирование. Постоянное тампонирование проводят на длительное время. При постоянном тампонировании околоствольное пространство изолируется от ствола скважины. Временное тампонирование предназначается для изоляции отдельных горизонтов и проводится на срок испытания скважины.
Рис. 7.7. Схема тампонирования скважины:
1 — колонна обсадных труб; 2 — тампонажный материал;
3, 4, 5 — изолируемый, водонепроницаемый и водоносный пласты соответственно
Рис. 7.8. Схема цементирования скважины с двумя разделяющими пробками:
/ — цементный раствор; 2, 5—нижняя и верхняя пробки;
3 — глинистый раствор; 4 — башмак обсадной колонны;
6 — жидкость для продавливания пробки
В качестве тампонажных материалов используют глину, цемент, глиноцементные смеси с наполнителями, быстросхваты-вающиеся смеси (БСС), битумы и смолы.
Тампонирование глиной применяют при бурении неглубоких разведочных или гидрогеологических скважин. Если в месте намечаемого тампонирования залегает пласт глины мощностью 2—3 м, то тампонирование осуществляют задавливанием баш
мака обсадной колонны в глину, предварительно пробурив этот пласт на 0,5—0,6 м.
При отсутствии на забое глины или при недостаточной мощности ее пласта нижнюю часть скважины заполняют вязкой глиной, в башмак обсадной колонны вставляют конусную пробку, которой выдавливают глину в затрубное пространство. По окончании тампонирования пробки разбуривают.
Тампонирование с помощью цемента называется цементированием скважин. Цементирование используют при бурении скважины на воду, нефть, газ и в случаях, когда необходимо получить прочный и плотный тампон на весьма продолжительное время.
Для цементирования скважин используют тампонажный цемент на основе портландцемента.
После смешивания с водой тампонажный цемент должен давать подвижный раствор, перекачиваемый насосами, который с течением времени загустевает и затем превращается в водонепроницаемый цементный камень. Цементный раствор надо изготовлять как можно быстрее, чтобы предупредить его схватывание во время нагнетания в скважину. Готовят цементный раствор в цементомешалках или в специальных цементировочных агрегатах, смонтированных на автомобиле.
Наиболее широко применяемый способ цементирования при разведочном бурении — погружение башмака обсадной колонны в цементный раствор, залитый на забой скважины. Забойное цементирование проводят для изоляции нижней призабойной части колонны обсадных труб. Цементный раствор заливают в скважину через заливочные трубы на высоту 2—3 м.
После извлечения из скважины заливочных труб на забой спускают колонну обсадных труб. После затвердения цементного раствора разбуривают пробку в обсадных трубах и продолжают проходку скважины.
Если необходима большая высота подъема цемента в затрубном пространстве (на любое расстояние от забоя, вплоть до устья скважины), применяется цементирование под давлением с разделяющими пробками (рис. 7.8). При этом используют две разделяющие пробки и цементировочную головку. Разделяющие пробки снабжены уплотняющими резиновыми манжетами. Верхняя пробка сплошная, а в нижней выполнен осевой канал, перекрытый стеклянным диском или резиновой перепонкой.
Перед спуском обсадных труб скважины проверяется на ци-линдричность долотом или зубчатой коронкой. Одновременно промывают скважину глинистым раствором или водой в зависимости от устойчивости пород. Заранее проверенные обсадные трубы свинчивают и спускают в скважину. Последние 10—12 м колонну труб спускают в скважину с промывкой. Промывают скважину через цементировочную головку, установленную на
верхней части колонны. Подвесив колонну обсадных труб над забоем на расстоянии 1—2 м, снимают цементировочную головку, опускают нижнюю пробку 2, снова надевают головку и закачивают в трубы нужное количество цементного раствора 1.
Цементный раствор вместе с верхней пробкой 5, которую заранее устанавливают в цементировочной головке, продавливается вниз глинистым раствором, закачиваемым насосом выше верхней пробки. Нижняя пробка, дойдя до упорного кольца в трубах, останавливается. Верхняя пробка под напором глинистого раствора продолжает опускаться.
Вследствие высокого давления в колонне труб резиновая перепонка нижней пробки разрушается и цементный раствор вытесняется в затрубное пространство. Когда верхняя пробка остановится на нижней, выход глинистого раствора будет перекрыт и давление резко повысится. Это служит сигналом для окончания нагнетания глинистого раствора. Насос останавливают, колонну обсадных труб опускают на забой, вентиль цементировочной головки закрывают, чтобы не было обратного движения жидкости из скважины. В таком виде колонна остается герметически закрытой до затвердевания цемента.
По истечении времени, необходимого для твердения цементного раствора, проверяют герметичность колонны и затрубного пространства. Герметичность колонны и затрубного пространства можно проверять двумя способами: опрессовкой или понижением уровня жидкости в скважине. Первый способ применяют, когда тампонажная колонна наполнена жидкостью. В тампонажную колонну нагнетают дополнительно жидкость через цементировочную головку и поднимают давление до 4—5 МПа. Если в течение 30 мин давление снизится не более чем на 0,5 МПа, то герметичность считается удовлетворительной.
При втором способе испытания на герметичность промывочную жидкость вычерпывают из труб с помощью желонки до забоя скважины или значительно ниже уровня грунтовых вод. Затем закрывают скважину сверху и оставляют ее в покое на 1 сут. Если в течение 1 сут уровень жидкости повысится не более чем на 1 м, то герметичность колонны признается удовлетворительной.
После установления герметичности колонны разбуривают цементную" пробку у башмака, углубляют скважину на 1—2 м и проверяют герметичность у башмака колонны.
Временное тампонирование скважин производится на непродолжительный период проведения раздельного исследования водоносных (нефте- и газоносных) горизонтов.
Для разобщения отдельных участков скважины, подвергаемых исследованиям (откачки, нагнетания), используют специальные тампоны, называемые пакерами. По принципу действия
различают пакеры простого и двойного действия. Пакеры простого действия разделяют скважину на два изолированных друг от друга участка, а двойного действия — на три.
Принцип действия пакера основан на том, что при расширении резиновой манжеты или подушки надежно уплотняется зазор между стенками скважины и колонной труб, на которой опускается тампон. Резиновая манжета (подушка) в скважине может уплотняться механически, с помощью воды или сжатого воздуха.
Гидравлический пакер (рис. 7.9) с двумя резиновыми камерами 3 (двойного действия) спускают в скважину на колонне труб 1. Вода, подаваемая под давлением через трубки 2 в камеры 3, прижимает их к стенкам скважины. Таким образом скважина разделяется на три участка. Через фильтровую трубу 4 после установки пакера производят опытные откачки или наливы.
Тампонирование без обсадных труб. Для борьбы с поглощением промывочной жидкости без уменьшения диаметра скважины применяют БСС различного состава. Дозировка смеси,, содержащей портландцемент, глинистый раствор, жидкое стекло, каустическую соду и воду, зависит от качества цемента и глины. Изменением количества жидкого стекла и каустической соды регулируют свойства смеси и сроки ее схватывания. Через 20—35 мин после приготовления БСС теряет подвижность, а через 1—1,5 ч заканчивается ее схватывание. Используют также тампонажные смеси на основе синтетических смол путем, смешивания их с наполнителем и последующим введением в смесь отвердителя.
Тампонажные смеси должны быть доставлены к месту поглощения промывочной жидкости до потери подвижности. Смесь доставляют одним из следующих способов: 1) заливкой через устье неглубокой скважины; 2) закачиванием через бурильную колонну; 3) в колонковом наборе, закрытом снизу глиняной пробкой, с последующим выдавливанием промывочной жидкостью; 4) с использованием специальных тампонажных устройств.
Доставленную в зону поглощения тампонажную смесь после выдержки в течение времени, необходимого для ее затвердевания, разбуривают.
Эффективный способ борьбы с поглощением промывочной жидкости и обвалами породы со стенок скважины—сухое тампонирование. Этот способ успешно применяют при бурении скважин диаметрами от 46 до 151 мм на глубину до 1500— 1600 м. Сущность сухого тампонирования заключается в следующем.
После пересечения зоны осложнения (рис. 7.10) в нее доставляется сухая активированная БСС, упакованная в водоне-
Рис. 7.9. Гидравлический пакер:
/ — водоупор: //—пористый водоносный пласт; 1 — ко--лонна; 2 — трубка; 3 — камера; 4— фильтровая труба
Рис. 7.10, Схема производства сухого тампонирования:
а — доставка сухой БСС в интервал поглощения; б — формирование гидроизоляции; в—гидроизоляция каналов •поглощения; г — устройство для сухого тампонирования:
/ — шарошечное долото; 2 — обратный клапан; 3 — отражатель с ребордой; 4 — затирочный элемент
а-	$	в
ДтД
проницаемые пакеты. Заполнив скважину БСС на 2—3 м выше кровли зоны осложнения, спускают тампонирующее устройство^ представляющее собой специальный снаряд с шарошечным долотом.
Вращая снаряд, долотом разбуривают пакеты. Перемешанная масса БСС, твердеющая при контакте с водой, залавливается в поры и трещины пород, причем формируется цилиндрическая водонепроницаемая облицовка стенок скважины. Работа ведется с промывкой. При этом циркуляция промывочной жидкости в скважине восстанавливается с начала проработки БСС. По характеру циркуляции жидкости по мере продвижения снаряда судят о надежности закупорки трещин в породах.
В зависимости от конкретных условий подбирают комплексы БСС с использованием активных, структурообразующих и армирующих наполнителей, а также химических добавок, улучшающих и регулирующих свойства смеси и образовавшегося при схватывании камня.
Пробурив скважину, проводят контрольный замер ее глубины, измерение зенитных углов и азимутов через установочные интервалы (обычно 20 м) и геофизические исследования (каротаж) .
Геологоразведочная скважина, пробуренная до проектной глубины, после проведения в ней намеченного комплекса исследований должна быть ликвидирована. После извлечения обсадных труб проводят ликвидационное тампонирование скважины, которое служит для исключения возможности сообщения между собой отдельных горизонтов месторождения через старые стволы скважин. От качества ликвидационного тампонирования при последующей эксплуатации месторождения зависит приток в выработку воды или газа, безопасность работ, а при гидрогеологическом бурении — сохранность водоносных горизонтов.
Ликвидационное тампонирование заключается в заполнении всего ствола скважины или части его тампонажным материалом. В качестве тампонажного материала используют густой глинистый раствор, вязкую глину, смесь тампонажного цемента с суглинками, песком или золой.
Скважины, вскрывшие пласты полезного ископаемого, но не пересекающие водоносные и поглощающие горизонты, подвергаются упрощенному тампонированию. При упрощенном способе в интервалах залегания полезного ископаемого ствол заполняют тампонирующим раствором, а остальную его часть — густым глинистым раствором.
Скважины, пересекающие горные выработки или пробуренные в условиях интенсивного поглощения промывочной жидкости или сильного водопроявления, тампонируют специальным способом. Он заключается в установке пробок (цементных или деревянных) в почве и кровле горных выработок, поглощающих
(водоизливающих) горизонтов, а также в заполнении пространства между пробками тампонирующим раствором или бетоном.
§ 5.	Торпедирование скважин
Для разрушения металлических предметов, оставленных на забое скважины (долот, переходников, шарошек и др.), освобождения прихваченных бурильных труб применяют торпедирование скважин. При этом используют специальные снаряды — торпеды. Торпеда представляет собой цилиндрический корпус, в котором размещают кумулятивный заряд В В (рис. 7.11). Различают торпеды с массой ВВ до 0,2 кг и 5— 7 кг. Спускают торпеду на кабеле или на трубах. Взрывается торпеда взрывным патроном или от электродетонатора. Условие успешного использования фугасного торпедирования — установка торпеды непосредственно на разрушаемый объект. Если в скважине имеются обсадные трубы, то перед взрывом их поднимают на 1,5—3 м выше места взрыва.
Торпедированием также можно ликвидировать прихваты в скважинах. Участок заклинивания расширяют взрывом торпеды, разрушая при этом часто породы в стенке скважины. Кроме того, для ликвидации прихвата колонны применяют «встряхивание» прихваченной колонны взрывом, перерезание и обрыв труб над зоной прихвата.
Для «встряхивания» колонны используют торпеды из детонирующего шнура ТДШ и малогабаритные шашечные торпеды ТШТ.
Величину заряда выбирают такой, чтобы при взрыве сохранить трубы целыми. После взрыва торпеды, опущенной в зону прихвата, ударная волна проходит через металл буриль-
Рис. 7.11. Торпеда типа ТКО: / — корпус: 2 — заряд ВВ: 3 — взрывной патрон; 4 — груз
ной трубы в затрубную среду и вызывает перемещение материала от стенки трубы, в результате чего колон-
на освобождается.
Для обрыва бурильных труб применяют торпеды ТШТ с массой заряда ВВ от 0,25 до 4,9 кг. При выборе величины за-
ряда учитывают гидростатическое давление жидкости в скважине, энергию ВВ, условия в зоне взрыва и длину заряда.
Для перерезания труб используют также кольцевые кумулятивные труборезы ТРК, снабженные кумулятивным зарядом.
Кольцевая кумулятивная струя, образующаяся при взрыве, перерезает трубу с толщиной стенок от 5 до 18 мм.
В нефтяных скважинах торпедирование применяют для разрыва пласта и с целью увеличения притока из пласта в скважину жидкого полезного ископаемого. В этом случае суммарная масса зарядов достигает нескольких тонн.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Что влияет на отклонение скважины от заданного направления?
2.	Какие признаки в процессе бурения указывают на значительное искривление скважины?
3.	Как контролируют направление бурения скважины?
4.	С какой целью применяют инклинометры?
5.	С какой целью производят направленное бурение скважин?
6.	Какие технические средства используют при направленном н многоствольном бурении?
7.	С какой целью проводят временное тампонирование скважины?
8.	Как выполняют проверку герметичности колонны у затрубного пространства после цементирования?
9.	В чем заключается сущность сухого тампонирования?
10.	В каких случаях применяют торпедирование скважины?
Глава 8
ПУТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И МЕТОДИКИ БУРЕНИЯ
§ 1. Перспективы развития техники и технологии бурения геологоразведочных скважин
Эффективность геологоразведочных работ определяется научно-техническим прогрессом в области разведочного бурения. Создание современных буровых агрегатов, поиски новых высокоэффективных способов бурения, совершенствование технических средств для проведения спуско-подъемных операций и способов быстрого подъема керна остаются важнейшими задачами научно-технического прогресса.
Разведочное бурение будет и впредь оставаться основным способом поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.
Дальнейшее развитие техники и технологии бурения можно разделить на два направления: сокращение затрат времени на различные операции бурового цикла и повышение эффективности процесса разрушения породы существующими методами или внедрением новых методов разрушения.
Совершенствование существующей техники и технологии разведочного бурения является ближайшей перспективой развития разведочного бурения. Более отдаленная перспектива развития разведочного бурения — создание принципиально нового бурового оборудования и форм организации труда.
Главные направления научно-технического прогресса в разведочном бурении на ближайшую перспективу определены Ми
нистерством геологии СССР. К ним относятся переоснащение геологоразведочной отрасли современным буровым оборудованием и инструментом, дальнейшее увеличение объемов прогрессивными способами, комплексная механизация и автоматизация вспомогательных операций, совершенствование технологии бурения на основе внедрения современной контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры, развитие научно-исследовательских работ в области как разработки принципиально новых направлений, так и совершенствования применяемых способов бурения, коренное улучшение организации буровых работ.
В СССР разрабатывается буровое оборудование в виде унифицированных комплексов, включающих базовую модель п ее различные модификации. Ведутся конструкторские работы по созданию новых бурильных установок, которые будут иметь более высокие эксплуатационные качества, значительно большую степень механизации и автоматизации отдельных процессов и лучшее оснащение контрольно-измерительной аппаратурой.
Разрабатываемое в СССР оборудование предусматривается для высокоскоростных режимов алмазного бурения. Исходными параметрами для проектирования нового оборудования являются высокие частоты вращения (700—1500 мин-1), скорости подъема снаряда и мощности двигателя, обеспечивающие поддержание оптимальных режимов алмазного и других способов бурения.
Основное отличие разрабатываемых установок от существующих заключается в том, что все оборудование установок (буровой станок, насос, мачта, грузоподъемные приспособления) проектируются и в дальнейшем будет поставляться в геологоразведочные организации только комплектно.
Эти установки будут иметь следующие основные отличительные особенности; повышение верхнего предела частот вращения шпинделя до 1500 мин-1, применение новой системы подачи шпинделя станка (дроссель на сливе), унификация узлов п деталей, максимальное использование съемных керноприемников; механизация вспомогательных работ, выбор типа привода в зависимости от района работ. Этим требованиям соответствует ряд УКВ, предусматривающий восемь классов буровых установок.
Представляет интерес создание высокоскоростных буровых станков (до 4000 мин-1) с плавно-регулируемым приводом, рассчитанных на применение бурильных труб из легких сплавов, а также создание буровых станков с бесступенчатым регулируемым приводом. Это может привести к упрощению общей конструкции буровых станков.
В области совершенствования бурильных и обсадных труб главными направлениями являются облегчение массы труб за
счет применения легкосплавных материалов, разработка быстросъемных и прочных резьбовых соединений.
Совершенствование породоразрушающих инструментов будет связано в первую очередь с широким использованием синтетических алмазов и сверхтвердых материалов.
Для повышения технико-экономической эффективности алмазного бурения необходимо освоение технологии бурения при высоких частотах вращения снаряда с применением бурильных труб из легких сплавов (ЛБТ).
Получит развитие ударно-вращательное бурение разведочных скважин. Более широко будет внедряться гидроударное бурение. Намечено совершенствование пневмоударного бурения.
Техника и методика бескернового бурения будет совершенствоваться в направлении разработки рациональных методов бурения и создания методов и технических средств для получения геологической информации.
Получат развитие комплексы технических средств для бурения со съемными керноприемниками. Будет непрерывно совершенствоваться бурение скважин с гидротранспортом керна.
Дальнейшее совершенствование получит методика и техника направленного и многозабойного бурения скважин с целью повышения эффективности и качества геологоразведочных работ, а также уменьшения материальных затрат на поиски и разведку месторождений полезных ископаемых.
Большие работы предстоят в области создания технических средств и технологии бурения геологоразведочных скважин с поверхности морей и океанов для разведки месторождений полезных ископаемых, залегающих на дне.
Большое значение придается развитию перспективных принципиально новых способов разрушения горных пород при бурении (с использованием электроразрядов, высокочастотных колебаний, воздействия высоких температур или высоких динамических усилий).
Одно из важнейших направлений развития разведочного бурения — совершенствование методики рецептуры реагентов и технических средств для борьбы с поглошениями промывочной жидкости и другими осложнениями при бурении скважин.
Для совершенствования разведочного бурения в различных геолого-технических условиях будет развиваться бурение скважин с очисткой забоя воздухом (создание специальных компрессоров и т.п.), с одновременным замораживанием пород, в многолетнемерзлых породах с применением охлажденного воздуха.
Принципиально новое направление в совершенствовании технологии бурения — оптимизация процесса проведения разведочных скважин. При этом оптимальные режимы бурения целесообразно разрабатывать для конкретных геолого-технических условий; взаимозависимости между основными параметрами
режима бурения необходимо устанавливать экспериментально, требуется повысить научный уровень исследований технологии бурения.
Наибольшая экономическая эффективность при проведении работ может быть достигнута в том случае, когда более сложной и совершенной применяемой технике соответствует более высокий уровень организации работ. В совершенствовании организации буровых работ выделены следующие основные направления: улучшение системы управления буровыми работами (разработка автоматизированных систем управления, внедрение диспетчерской службы, совершенствование ремонтных работ и материально-технического обеспечения, связи); внедрение научной организации труда (разработка типовых буровых зданий, схем размещения оборудования и инструмента, исследование эффективных условий труда); внедрение рационального комплекса оборудования (буровая вышка—-здание — комплекс механизации); механизация монтажно-демонтажных операций (крупноблочный монтаж, применение сборных деталей, внедрение малой механизации); создание из современных материалов передвижных производственных и культурно-бытовых комплексов; обеспечение системы подготовки и повышения квалификации бурового персонала, широкое использование передового опыта работы.
Следует уделять большее внимание научной организации труда, начиная с работы буровой бригады и кончая деятельностью экспедиций и объединений. Особое внимание необходимо обратить на уровень автоматизированных систем управления производством (АСУП) экспедиции, партии.
Получение достоверных данных о процессе бурения, обработка их на ЭВМ по определенным программам дадут возможность создавать высококачественные экономико-технологические карты проходки скважин. Научное управление процессом бурения на современном этапе развития буровых работ представляет собой важнейшую проблему, непосредственно оказывающую влияние на повышение экономической эффективности геологоразведочных работ.
§ 2. Мероприятия по охране природы
Охрана природы — это комплекс государственных и общественных мероприятий, направленных на рациональное природопользование, восстановление естественных и приумножение биологических ресурсов, предотвращение загрязнения окружающей среды. Этот комплекс предусматривает предупредительные и активные меры.
К предупредительным относятся меры по созданию условий для сохранения природного равновесия в том или ином регио
не, например сбережение ландшафта, ценных и примечательных водоемов, геологических образований, видов растений и животных. К активным мерам относятся целенаправленные действия по предупреждению загрязнения атмосферы, воды и земли, созданию и применению ресурсосберегающих безотходных (малоотходных) технологий.
С геологоразведочными работами и добычей полезных ископаемых непосредственно связаны две проблемы: охрана недр — рациональное использование минеральных ресурсов и охрана окружающей природы — земной поверхности в районе разработок месторождений, включая рекультивацию земель, мероприятия по предотвращению загрязнений почв, водоемов и атмосферы.
Работники геологоразведочных организаций во многих случаях первыми соприкасаются с нетронутой природой. Геологоразведочные экспедиции должны разрабатывать проекты перспективных и годовых планов мероприятий по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов. В проектах планов геологоразведочных работ обязательно включение разделов по охране природы.
Проблема охраны окружающей среды при разведке месторождений твердых полезных ископаемых должна решаться в двух основных направлениях. К первому направлению относится сбор необходимой экономической информации на стадии детальной разведки месторождений с изложением ее в геологических отчетах. При этом приводятся географические и климатические особенности района месторождения, характеристики почвенно-растительных покровов и гидроресурсов разведочных полей и прилегающих к ним территорий, а также горных пород и подземных вод месторождения.
Второе направление — снижение экономического ущерба непосредственно от производства геологоразведочных работ.
При производстве буровых работ загрязнение окружающей среды может приводить к снижению продуктивности почв и ухудшению качества подземных и поверхностных вод. Причины вредного воздействия буровых на среду обычно следующие: неправильные прокладка дорог и размещение буровых площадок, планировка буровых площадок; нерациональное использование земельных участков под буровыми установками; несоблюдение существующих правил и требований, применяемых до. в процессе и после проведения буровых работ, закрепленных в законодательных актах и положениях.
С целью уменьшения повреждений земельных угодий и снижения вредных воздействий, геологоразведочные организации должны ежегодно разрабатывать планы-графики перемещения буровых агрегатов с учетом времени посевов и уборки сельскохозяйственных культур. Подъездные дороги и буровые площад
ки по возможности необходимо располагать на малопродуктивных землях, а размеры их должны быть минимальными.
Защита и восстановление земельных участков, временно используемых геологоразведочными организациями, производится в соответствии с утвержденными проектами и сметами. Такой проект содержит подготовительные мероприятия до процесса бурения, мероприятия по охране в процессе бурения скважины и по восстановлению земельных участков. Подготовительные мероприятия должны включать в себя установление мест складирования растительного и почвенного слоя или грунтов, подлежащих выемке; удаление плодородного слоя почвы в местах загрязнения нефтепродуктами, химическими реагентами, глиной, цементом и другими веществами, ухудшающими состояние почвы, и его складирование.
Охранные мероприятия в процессе бурения скважины включают следующее: конструкции скважин должны обеспечивать изоляцию подземных вод от поверхностных и грунтовых; промывочные жидкости и химические реагенты, применяемые для промывки скважин, должны исключать загрязнение подземных вод и подбираться в соответствии с санитарными нормами; слив использованного промывочного раствора и химических реагентов в открытые водные бассейны и непосредственно на почву запрещается; использованные промывочные жидкости, обработанные химическими реагентами, должны вывозиться в места захоронения; самоизливающиеся скважины должны быть оборудованы регулирующими устройствами; попутные воды очищаются на фильтровальной установке от взвешенных частиц и примесей нефти и при допустимой концентрации в них солей и других примесей сбрасываются в открытые источники, а при повышенных концентрациях предварительно разбавляются и сбрасываются.
Использование специальных циркуляционных систем снижает вероятность загрязнения подземных вод и почв химическими реагентами. Во избежание загрязнения подземных вод после окончания бурения производится ликвидационное тампонирование скважин.
По окончании бурения скважины должна быть проведена рекультивация — комплекс мероприятий, направленных на восстановление земельных отводов, нарушенных производственной деятельностью, для дальнейшего землепользования. Должна проводиться горно-техническая и биологическая рекультивация. Горно-техническая рекультивация включает в себя подготовку освобождающейся от буровых работ территории для последующего землепользования: оборудование и железобетонные покрытия демонтируют и вывозят; остатки дизельного топлива и моторного масла сжигают; отработанный глинистый раствор вывозят для дальнейшего использования на других скважинах
или регенерируют; земельные отводы, нарушенные производственной деятельностью, покрывают почвенным слоем и дерном; откосы в горных местностях укрепляют битумными эмульсиями, силикатными смолами, плетнями и засыпают привозным грунтом не менее 0,1 м.
Биологическая рекультивация предполагает мероприятия по восстановлению плодородия нарушенных земель, их озеленению и возвращению в сельскохозяйственное пользование.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Назовите главные направления научно-технического прогресса в разведочном бурении на ближайшую перспективу.
2.	Каковы направления совершенствования установок для разведочного бурения на ближайшую перспективу?
3.	Какие мероприятия по охране природы следует выполнять при геологоразведочных работах?
Раздел второй
ОСНОВЫ ГОРНОГО ДЕЛА
Глава 9
ГОРНЫЕ РАБОТЫ И ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ
§ 1. Виды горных работ
Горные породы и минералы, добываемые из земных недр с целью использования их в народном хозяйстве, называются полезными ископаемыми. Полезные ископаемые образуют в земной коре естественные скопления — месторождения. Объектами горных работ являются месторождения полезных ископаемых.
Под разработкой месторождения понимают весь комплекс работ по извлечению полезного ископаемого из недр земли. По виду добываемых полезных ископаемых различают разработку угольных и рудных месторождений, месторождений строительных материалов, горно-химического сырья, россыпных и др.
Месторождения могут разрабатываться открытым, подземным и комбинированным способами. При открытом способе выемка полезного ископаемого производится непосредственно с поверхности земли. Подземным способом разрабатывают глубинные месторождения полезных ископаемых под толщей покрывающих пород. При комбинированном способе верхнюю часть месторождения отрабатывают открытыми горными работами, глубинную—подземным способом.
Разработка месторождений включает следующие основные стадии: вскрытие, подготовку и очистную выемку. Непосредственная цель вскрытия — установление грузотранспортной связи между горизонтами разработки и пунктами приема горной массы на земной поверхности. Вскрытие месторождения осуществляют проведением горных выработок (шахтных стволов, штолен, капитальных траншей), обеспечивающих доступ от поверхности земли или какой-либо разрабатываемой части месторождения к вновь создаваемым рабочим горизонтам. Через эти выработки в процессе разработки транспортируют добытое полезное ископаемое (руду, уголь и др.) и породу на поверхность, доставляют людей, оборудование и материалы, проветривают подземные выработки.
Очистной выемке — извлечению полезного ископаемого из вскрытой части месторождений — предшествует проведение по месторождению или вмещающим породам подготовительных •выработок. Подготовительные выработки, разделяя вскрытую часть месторождения на отдельные выемочные участки (напри-
мер, этажи, блоки, панели), обеспечивают возможность их отработки.
Подготовительные и очистные работы выполняют в определенной последовательности, которая характеризует систему разработки. Под системой разработки понимается порядок проведения подготовительных и очистных работ, обеспечивающий для данного месторождения безопасную, экономичную и наиболее полную выемку кондиционных запасов полезного ископаемого.
При открытом способе разработки существенным признаком системы является порядок выполнения вскрышных работ — удаление необходимого для добычи полезного ископаемого объема покрывающих и вмещающих пород.
Полезное ископаемое и пустые породы извлекают путем проведения ряда производственных процессов: отделения части полезного ископаемого или породы от общего массива (выемки), погрузки их в средства транспорта, перемещения и выдачи на поверхность. Все эти процессы по удалению породы и добыче полезного ископаемого составляют горные работы.
Добычу полезного ископаемого ведут горные предприятия на отведенных для них месторождениях или их участках (горных отводах). Различают следующие горные предприятия: рудник, шахту, карьер (разрез). Административно-техническое управление этих предприятий построено по единому принципу.
Рудник, и шахта — горные предприятия, разрабатывающие месторождение или его часть подземным способом, карьер — открытым. В соответствии с этим различают рудничные, шахтные и карьерные поля месторождения (его части), разрабатываемые одним рудником, шахтой или карьером.
Шахтное поле по падению месторождения разделяется подготовительными выработками на участки — этажи, вытянутые,, как правило, по простиранию. Этажом называют часть месторождения, ограниченную по падению вентиляционным и откаточным горизонтами, а на флангах — границами шахтного поля. Высота этажа определяется расстоянием между двумя смежными откаточными горизонтами. В пределах этажа полезные ископаемые извлекают отдельными блоками, образующими самостоятельные выемочные участки. Месторождение обычна отрабатывается подземным способом сверху вниз, поэтажно. Горизонты, этажи и подэтажи показаны на рис. 9.1. Шахтные поля горизонтальных и весьма пологих пластообразных залежей разделяются на панели — прямоугольные или квадратные участки, ограниченные продольными и поперечными или только продольными откаточными выработками.
При открытой разработке, прежде чем начать добычу полезного ископаемого, необходимо удалить породы, покрывающие рудное тело (пласт полезного ископаемого). Работы по удале-
Рис. 9.1. Горизонты, этажи и подэтажи:
1 — этаж; 2 — подэтаж; 3, 5 — выработки вентиляционного и откаточного горизонтов;
4 — вертикальный ствол шахты; 6'— подэтажные выработки:	/гэ_ — высота под-
этажа и этажа
нию наносов и боковых пород (вскрыша) включают выемку и погрузку пустых пород, транспортирование пород до отвала (места их размещения на поверхности), отвалообразование — порядок размещения горной массы в отвале. Выемка полезного ископаемого п вскрыши обычно производится горизонтальными слоями (уступами), сверху вниз. По мере выемки запасов на данном горизонте работы переходят на следующий, нижележащий.
§ 2.	Горные выработки
Горная выработка — это пустое пространство, образованное искусственным путем в толще полезного ископаемого или пустых пород с целью разведки или разработки месторождения полезного ископаемого. Горные выработки подразделяют на разведочные и эксплуатационные.
Разведочные горные выработки проводят с целью обнаружения месторождений, выяснения характера залегания и определения запасов полезных ископаемых.
Эксплуатационные горные выработки проводят с целью добычи полезного ископаемого из месторождений открытым или подземным способом. Эксплуатационные горные выработки подразделяют на капитальные, подготовительные и очистные.
Капитальные выработки проходят для вскрытия месторождения и обеспечения связи месторождения с земной поверхностью.
Подготовительные выработки рассекают месторождение на выемочные участки и блоки, подготавливающие его для •очистной выемки.
Очистные выработки образуются непосредственно при выемке полезного ископаемого на месторождения.
Горные выработки, пройденные в недрах земли (имеющие и не имеющие непосредственный выход на ее поверхность), называются подземными, а пройденные на поверхности Земли — открытыми.
К открытым горным выработкам относятся копуши, канавы, траншеи, расчистки, карьеры, разрезы (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Открытые горные выработки:
а— расчистка; б — канава; в —траншея; г — карьер: 1, 2 — рабочий и нерабочий борта карьера
Копуша — открытая горная выработка небольшого поперечного сечения размерами 0,6X0,6 м, глубиной 0,4—0,6 м. Копуши проходят при геологических съемках, поисках месторождений и для взятия породных образцов в наносах.
Канава — открытая горная выработка трапецеидального или прямоугольного поперечного сечения значительной длины при сравнительно небольших размерах поперечного сечения и глубине. Канавы бывают эксплуатационные и разведочные.
Траншея — представляет собой ступенчатую канаву трапецеидального поперечного сечения. Траншеи проходят для разведки или разработки месторождений. Разведочные траншеи применяют для разведки месторождений, залегающих на глубине от 3 до 8 м. Эксплуатационные траншеи бывают капитальные, проводимые с целью вскрытия месторождения, и разрезные, предназначенные для создания фронта работ.
Расчистка — открытая горная выработка в виде выемки, длина и ширина которой значительно превышают ее глубину.
Карьер — совокупность открытых горных выработок, служащих для добычи полезного ископаемого.
Разрез — угольный карьер, а также карьер по разработке россыпных месторождений драгами (плавучими земснарядами).
При подготовке карьера к эксплуатации выполняют капитальные горные работы. К этим работам относятся: проведение капитальных траншей для перемещения карьерных грузов и разрезных траншей для создания первоначального фронта работ на каждом уступе; вскрышные работы по разносу бортов разрезных траншей и обнажению залежей полезного ископаемого в объеме, установленном на момент сдачи карьера в эксплуатацию. Уступ карьера или траншеи — это часть пустых.
пород (или полезного ископаемого), имеющая форму ступени. К элементам уступа относятся площадки (бермы), откос, угол откоса и бровки.
Разрезные траншеи проводят на каждом рабочем горизонте. Они обычно горизонтальны или имеют небольшой продольный уклон (3—5%) для отвода воды с уступа.
При подземном способе разработки месторождений в зависимости от расположения в пространстве различают вертикальные, горизонтальные и наклонные горные выработки.
Разведочная шахта является предприятием, осуществляющим разведку месторождений (или его части) подземным способом и представляющим собой совокупность подземных горных выработок, предназначенных для разведки месторождения. В отличие от разведочной шахта является горнопромышленным предприятием, осуществляющим добычу полезного ископаемого подземным способом и отгрузку его непосредственно потребителю или на обогатительную фабрику. К шахте относятся также наземные сооружения и горные выработки, предназначенные для разработки месторождения.
Рудником, называют промышленное предприятие по добыче руды подземным или открытым способом.
Название подземных горных выработок определяется их расположением относительно элементов залегания рудного тела (месторождения) и назначением. Выделяют следующие основные элементы залегания рудного тела (залежи, пласта): простирание (линия простирания), падение (линия падения), угол падения и мощность. Под простиранием месторождения понимают направление линии пересечения горизонтальной плоскости с рудным телом. Линию пересечения поверхности рудного тела (пласта, жилы) вертикальной плоскости, перпендикулярной к линии простирания, называют линией падения. Угол между линией падения и ее проекцией на горизонтальную плоскость называют углом падения.
Горные породы, которые непосредственно примыкают к поверхности, ограничивающей полезное ископаемое, называют боковыми породами. Различают кровлю и почву пласта, жилы или залежи при пологом или наклонном залегании. При крутом залегании рудных тел или угольных пластов боковые породы называют висячим и лежачим боками.
Мощность пласта (залежи, толщи) определяется расстоянием по нормали между поверхностями пласта (толщи), а также между лежачим и висячим боками пласта, жил, линз и других геологических тел.
Начало подземной выработки, примыкающее к земной поверхности или к другой выработке, называется устьем, а противоположный, перемещающийся в результате горных работ конец ее — забоем.
m w .№ /УУ УУ/ -У» У// ууу „у ууу
6 3
горных вы-
Рис. 9.3. Взаимное расположение работок
Взаимное расположение подземных выработок показано на рис. 9.3.
Ш а х т п ы й ствол 4 — вертикальная или наклонная горная выработка круглого, прямоугольного (реже эллиптического) сечения, имеющая непосредственный выход на земную поверхность. Служит для подъема полезного ископаемого и пустой породы, спус-грузов различного назна-
и
ка и подъема людей, оборудования чения. Через шахтный ствол осуществляют энергоснабжение и вентиляцию добычных забоев, водоотлив. Стволы оборудуют подъемными установками, лестничным отделением. По ним прокладывают электрические кабели, трубы для воды и сжатого воздуха. Шахтный ствол может быть разведочным или эксплуатационным.
Стволы 2, не имеющие непосредственного выхода на поверхность, называют слепыми. Их назначение аналогично обычным шахтным стволам. Штольня 1 — горизонтальная выработка с непосредственным выходом на земную поверхность. Назначение то же, что и шахтного ствола.
Квершлаг 3 — горизонтальная горная выработка, пройденная от шахтного ствола по пустым породам вкрест простирания месторождения. Если горизонтальная выработка пройдена вкрест простирания по полезному ископаемому, то ее называют ортом. Различают откаточные 8 и подэтажные 10 орты. Орты проходят из штреков 6 — горизонтальных выработок, пройденных обычно из квершлага по простиранию пласта или рудного тела. Полевые штреки 6 проходят по пустым породам, рудничные 7 — в рудном теле. Штреки, расположенные на горизонте доставки, называют подэтажными. Для стока воды и уменьшения энергоемкости откатки грузов горизонтальные выработки имеют небольшой уклон в сторону ствола. В зависимости от типа крепи горизонтальные выработки шахт имеют трапециевидную, сводообразную или прямоугольную форму. В слабых и неустойчивых породах откаточным выработкам придают круглую форму.
Восстающий — вертикальная 9 или наклонная 5 горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность. Служит для спуска под действием собственного веса полезного ископаемого и породы, подъема и спуска мате
риалов, перемещения людей, проветривания. В отличие от слепого шахтного ствола 2 восстающий проходится снизу вверх.
Шурф 11 — вертикальная или наклонная горная выработка, небольшого сечения и малой глубины, проходится с поверхности для разведки месторождения, вентиляции, осушения и ДР-
Уклон — наклонная горная выработка, пройденная по падению залежи или пласта для подъема грузов с нижнего горизонта на верхний механическим способом. Непосредственного выхода на поверхность не имеет.
Бремсберг-—наклонная горная выработка, в отличие от уклона предназначен для спуска полезного ископаемого с верхнего горизонта на нижний механическим способом.
Камеры-—подземные горные выработки, имеющие при сравнительно больших поперечных размерах небольшую длину и предназначенные для установки машин, хранения оборудования и материалов. К камерам относятся: сопряжение околост-вольного двора с шахтным стволом, насосная противопожарная и машинные камеры, электровозное депо, камера ожидания и диспетчерская.
Совокупность выработок, предназначенных для обслуживания подъемного хозяйства и расположенных на каждом горизонте непосредственно у ствола шахты называют о коло-ствольным (рудничным) двором. Форма и размеры около-ствольного двора зависят от способа подъема полезного ископаемого (клетевого или скипового) и производительности шахты (кольцевые, тупиковые).
К капитальным подземным горным выработкам относят основные горные выработки —• шахтные стволы, штольни, квершлаги, околоствольные дворы. Они служат весь срок отработки месторождения.
К подготовительным подземным выработкам относят штреки, орты и восстающие. Подготовительные выработки обеспечивают транспортный доступ к отдельным участкам месторождения, по мере отработки которых эти выработки оставляют или ликвидируют.
Тип горноразведочных выработок выбирают в зависимости от стадии поисково-разведочных работ, формы и условий залегания месторождений полезных ископаемых и других факторов.
Копуши широко применяют при поисках коренных месторождений, образующих ореолы рассеивания (золото, олово, -алмазы и др.).
Канавы и траншеи проходят с целью поисков, разведки, картирования и для валового опробования.
Расчистки применяют для вскрытия деталей геологических структур месторождения.
Шурфы применяют в разведке при наличии мощных наносов и при любом залегании месторождений.
Шахты, квершлаги и штреки применяют при детальной разведке на глубину. На определенном горизонте из шахты проходят в сторону пласта (жилы) квершлаг, а потом по самому пласту (жиле) — штреки.
При необходимости также применяют такие выработки, как орты, уклоны, бремсберги, слепые шахты. В условиях горного рельефа разведка производится горизонтальными или наклонными штольнями.
§ 3.	Формы и размеры поперечных сечений горноразведочных выработок
Форма сечения горноразведочных выработок зависит от устойчивости пород, горного давления и назначения выработок. Форма поперечного сечения горизонтальных выработок может быть прямоугольной, трапециевидной, сводчатой, арочной и круглой. Форма сечения горизонтальной горноразведочной выработки зависит от вида горной крепи, применяемой для предохранения выработки от разрушения. Так, трапециевидную форму применяют при деревянной крепи; прямоугольно-сводчатую форму —при монолитной бетонной, набрызг-бетонной и комбинированной крепи.
Размеры поперечного сечения горизонтальных выработок зависят от их назначения и определяются габаритами подвижного состава, числом рельсовых путей, габаритами погрузочнотранспортной машины с учетом необходимых зазоров между этой машиной и крепью, которые регламентированы правилами безопасности.
Разработаны стандартные (типовые) сечения горизонтальных выработок трапециевидной и прямоугольно-сводчатой формы (ГОСТ 22940—85). Стандарт предусматривает основные размеры сечений выработок (рис. 9.4).
Преимущественная форма поперечного сечения вертикальных стволов разведочных шахт — прямоугольная; круглую форму применяют редко и только для глубоких стволов большой площади поперечного сечения, предназначенных в будущем для эксплуатации месторождения полезных ископаемых.
Размеры поперечного сечения ствола определяют графически в зависимости от типа, размеров и количества подъемных сосудов, их расположения в стволе, размеров лестничного и вспомогательного отделений с учетом величины зазоров между подъемными сосудами и крепью. Допустимые зазоры устанавливают на основании требований правил безопасности при геологоразведочных работах.
Рис. 9.4. Типовое сечение трапециевидной формы геологоразведочной выработки с деревянной крепью
Разработан типаж вертикальных стволов разведочных шахт прямоугольной и круглой формы с клетевым подъемом. Четыре типоразмера стволов прямоугольной формы имеют сечения: 8,9—9,7 м2; 12,7—13,1 м2; 10,9—11,7 м2; 14,2—14,5 м2.
Типоразмеры стволов круглой формы предусматривают диаметр ствола в свету — 3,5; 4,5; 5,5 м.
Типовые сечения предусмотрены и для других горноразведочных выработок — восстающих и шурфов.
§ 4.	Классификация горных пород
Физико-механические свойства горных пород являются главными факторами, определяющими выбор оборудования и технологию добычи. К наиболее существенным из этих свойств относятся крепость и устойчивость.
Крепость — комплексная характеристика горных пород, характеризующая их сопротивляемость разрушению и зависящая от таких свойств как твердость, вязкость, трещиноватость, и от наличия прослоек и включений. Понятие крепости введено проф. М. М. Протодьяконовым, который предложил для ее количественной оценки использовать коэффициент крепости f. В первом приближении величина f обратно пропорциональна пределу прочности породы при сжатии оСж. Поскольку коэффициент крепости связан с прочностью пород, его можно рассчитать в простейшем случае по формуле
= стСж/107,	(9.1)
где Осж — предел прочности пород при сжатии, Па; 107 — предел прочности пород эталонного образца, Па.
Коэффициент крепости показывает, во сколько раз одна порода крепче другой.
Горные породы по сопротивляемости разрушению от воздействия внешних сил классифицируют по относительной крепости, удельной работе разрушения, буримости и взрываемости.
Классификация горных пород по крепости разработана М. М. Протодьяконовым в 1926 г. Согласно этой классификации все горные породы разбиты на 10 категорий. К первой категории отнесены породы наивысшей крепости (( = 20), к десятой — наиболее слабые плывучие породы (f = 0,3),
На выбор метода ведения взрывной отбойки горных пород от массива оказывает влияние взрываемость, под которой понимают сопротивляемость породы разрушению взрывом. Взрываемость определяется количеством эталонного взрывчатого вещества, необходимого для разрушения породы объемом 1 м3 (показатель удельного расхода ВВ). Для определения удельного расхода ВВ (кг/м3) применительно к конкретным породам используют различные классификации пород по взрываемости, например Единую классификацию пород по буримости и взрываемости проф. А. Ф. Суханова.
Буримость горной породы характеризует ее способность сопротивляться проникновению в нее бурового инструмента и интенсивность образования в породе шпура или скважины под. действием усилий, возникающих при бурении. Буримость породы характеризуют скоростью бурения (мм/мин), реже — продолжительностью бурения 1 м шпура (мин/м).
Единая классификация горных пород по буримости разработана Центральным бюро промышленных нормативов по труду для нормирования горноразведочных работ.
Основной критерий для отнесения пород к той или иной категории по буримости — машинное время бурения 1 м шпура в стандартных условиях. В этой классификации породы разбиты на 20 категорий, а по буримости классифицированы только в пределах IV—XX категорий. Породы I—III категорий предусмотрено разрабатывать отбойными молотками.
Другие классификации разработаны для расчета норм и различных расходных показателей применительно к отдельным производственным процессам (например, Единая классификация горных пород по буримости и взрываемости, в основу которой положены скорость бурения и удельный расход взрывчатых веществ).
Устойчивость горных пород — это их способность сохранять, равновесие при обнажении. Устойчивость горных пород зависит от их структуры и физико-механических свойств, величины возникающих в породном массиве напряжений. Устойчивость пород является одним из основных признаков для выбора систем:
подземной разработки, определения ее параметров и способов крепления горных выработок.
По устойчивости горные породы условно разделены на пять групп.
Весьма неустойчивые горные породы, не допускающие обнажения кровли и боков выработки. К ним отнесены плывучие, сыпучие и рыхлые горные породы.
Неустойчивые горные породы, допускающие некоторые обнажения боков выработки, но требующие возведения крепи вслед за проведением выработки. К таким породам отнесены влажные пески, слабосцементированный гравий, обводненные или сильно разрушенные горные породы средней крепости.
Породы средней устойчивости, допускающие обнажение кровли на сравнительно большой площади, но требующие постановки крепи при длительном обнажении. Это достаточно уплотненные мягкие породы средней крепости, реже крепкие и трещиноватые.
Устойчивые породы допускают обнажения кровли и боков на большой площади, поддержание требуется только в отдельных местах. Это мягкие, средней крепости и крепкие породы.
Очень устойчивые допускают без поддержания обнажения на большой площади и длительное время (десятки лет). Крепить выработки в таких породах не требуется.
§ 5.	Способы проведения горных выработок
Способ проходки выработки зависит в основном от положения ее в пространстве (вертикальные, наклонные, горизонтальные), крепости и строения горных пород, их обводненности и устойчивости. В зависимости от устойчивости пересекаемых пород и притока грунтовых вод различают обычные и специальные способы проведения выработок. Обычные способы используют при сравнительно небольшом притоке воды, в крепких и устойчивых породах, допускающих обнажения забоя (кровли, почвы), и боковых стенок выработок. В неустойчивых породах (песках, плывунах), а также и крепких сильно обводненных породах применяют специальные способы проведения горных выработок. Специальные способы применяют иногда и в тех случаях, когда породы относительно устойчивы, но дают такой большой приток воды в выработку, что борьба с ним при помощи обычного водоотлива нецелесообразна или невозможна. К наиболее распространенным специальным способам проведения выработок относятся способы замораживания, тампонирования, проходка с забивной или опускной крепью, забойного водопонижения, а также использование проходческих щитов и применение сжатого воздуха.
Для уменьшения притока воды используют осушение выработок или тампонирование. Производится предварительное осушение с земной поверхности либо из подземных выработок. Для снижения водопритока при проведении выработок по крепким трещиноватым породам применяют тампонирование горных пород — заполнение трещин, пустот, пор цементными растворами, битумом, растворами синтетических смол.
Способ искусственного замораживания заключается в том, что водоносные горные породы по периметру выработки замораживают, вследствие чего создается ледопородная стенка, представляющая собой временную крепь в период проведения выработок.
Обычные способы проведения выработок различают по методу отбойки породы от массива в забое и по используемым при этом механизмам.
К обычным способам относят проведение выработок с помощью отбойных молотков, с применением средств гидромеханизации, комбайновый и буровзрывной способы, а также проведение выработок бурением. Применение того или иного способа зависит в основном от крепости горных пород.
В крепких породах наиболее распространен в настоящее время буровзрывной способ, при котором порода разрушается с помощью зарядов взрывчатого вещества, размещаемых в шпурах или скважинах.
В мягких породах выработки проводят механизированным способом с использованием проходческих комбайнов и буровых агрегатов. Проходческие комбайны применяют при проведении горизонтальных выработок по углю и некоторым мягким породам. Буровыми агрегатами проходят шахтные стволы, восстающие и шурфы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие процессы характерны для горных работ?
2.	С какой целью проводят разведочные горные выработки? Какие подземные разведочные выработки вы знаете?
3.	С какой целью проводят разведочную траншею?
4.	Что влияет на форму сечения горизонтальных гориоразведочных выработок?
5.	Какие применяют формы поперечного сечения вертикальных стволов разведочных шахт?
6.	Какие физико-механнческне свойства горных пород определяют выбор» оборудования и технологию горных работ?
7.	Чем характеризуется крепость горной породы?
8.	Что означает понятие «взрываемость горной породы?»
9.	Что характеризует устойчивость горных пород?
10.	Какие способы применяют для проведения горных выработок?
Глава 10
ПРОВЕДЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК БУРОВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ
§ 1.	Сущность буровзрывного способа проведения торных выработок
Под буровзрывным способом понимают способ, при котором ведутся буровзрывные работы — совокупность работ по бурению шпуров в забое с последующим заряжанием и взрыванием в них зарядов ВВ с целью отбойки (добывания) пород (руды) от массива.
Шпуры бурят бурильными машинами или самоходными бурильными установками. Бурение шпуров — это процесс искусственного образования в массиве горных пород (выработки) полости (шпура) для размещения заряда ВВ. Процесс бурения заключается в последовательном разрушении поверхности забоя шпура. В образованные шпуры помещают взрывчатое вещество, средство инициирования (возбуждения) заряда ВВ и забойку. Этот процесс называется заряжанием шпура. В результате взрывания зарядов ВВ в шпурах заданной глубины происходит отделение взрывом некоторого объема горной массы от породного массива, дробление и перемещение ее на некоторое расстояние от забоя (несколько метров). Это явление называется взрывной отбойкой породы.
При этом забой в породах перемещается на заданную глубину, называемую подвиганием забоя за взрыв или длиной уходки.
Технологический комплекс сооружения горной выработки включает совокупность отдельных основных и вспомогательных процессов и операций, которые выполняют в определенной последовательности (очередности). К основным проходческим процессам относятся бурение шпуров, заряжание шпуров ВВ и взрывание зарядов, проветривание выработки после взрыва, уборка породы и возведение постоянной крепи. Вспомогательные процессы включают настилку временных и постоянных рельсовых путей, проведение водоотливной канавки, навески вентиляционных труб, прокладку коммуникаций (труб сжатого воздуха и воды, электрических кабелей, сигнализации) и наладку освещения. Проходческие операции периодически повторяются, их совокупность, обеспечивающая подвигание выработки на определенную величину, называют проходческим циклом. Отдельные проходческие операции выполняют последовательно и параллельно. Вспомогательные операции обычно выполняют параллельно основным. Графическое изображение основных проходческих операций цикла во времени называют графиком цикличности.
На проведение горной выработки разрабатывают технологический проект, включающий паспорта буровзрывных работ, крепления, проветривания выработки, график цикличности, технико-экономические показатели и перечень оборудования.
§ 2.	Технологический процесс проходческих работ
Процесс разрушения горных пород при буровзрывном способе проведения горных выработок характеризуется определенными параметрами. Эти параметры можно разделить на начальные (входные), конечные (выходные) и воздействующие (управляющие) .
К начальным параметрам относятся свойства горных пород, площадь поперечного сечения выработки, скорость проходки выработки, а к конечным — подвигание выработки за взрыв, развал и крупность кусков породы, производительность бурения шпуров, качество оконтуривания выработки, стоимость процесса бурения шпуров. Воздействующими параметрами являются такие, которые оказывают влияние на конечные параметры. К ним относятся вид оборудования, применяемого для бурения шпуров, комплекты шпуров, качество бурения, энергетические характеристики взрывчатого вещества, показатели буровзрывных работ, организация процесса бурения.
Для отрыва породы на заданную глубину в забое выработки бурят комплект шпуров, состоящий из врубовых, вспомогательных, отбойных и оконтуривающих шпуров, с целью размещения в них зарядов ВВ (рис. 10.1). Забой подземной выработки имеет, как правило, одну обнаженную поверхность, и поэтому работа шпуровых зарядов в таких условиях затруднена.
Врубовые шпуры, взрываемые первыми, предназначены для создания дополнительных поверхностей обнажения за счет образования в забое углубления (вруба).
Вспомогательные шпуры производят отбойку породы в сторону боковой обнаженной поверхности (вруба). Они взрываются вслед за взрывом врубовых шпуров и способствуют расширению врубовой полости.
Отбойные шпуры предназначены для отбойки горной породы в направлении дополнительной поверхности обнажения, образованной врубом и вспомогательными шпурами.
Оконтуривающие шпуры, взрываемые последними, предназначены для придания выработке запроектированной формы и размеров поперечного сечения. В забоях выработок небольшого сечения вспомогательные шпуры иногда не бурят, а их функции выполняют оконтуривающие шпуры.
Образование вруба повышает эффективность использования длины шпуров, определяемой отношением линейного продвижения выработки /у (м) после взрыва зарядов ВВ к длине шпура
Рис. 10.1. Схема расположения шпуров в забое:
/—8, 9—13 и 14—26 — врубовые, отбойные (вспомогательные) и оконтуривающие шпуры соответственно; а, b — расстояния соответственно между центрами зарядов и забоями врубовых шнуров; — расстояние между устьями шпуров; 1у—длина подвигания забоя за взрыв; /ш — глубина шпура; /вр— глубина врубового шпура; / — длина заряда; а — угол наклона врубовых шпуров к горизонтальной плоскости
(ее проекции на ось выработки — /ш, м). Отношение /у//ш = 11 называют коэффициентом использования шпура (КИШ). КИШ характеризует степень рациональности выбранной схемы расположения шпуров, оптимальность ее соответствия физико-механическим свойствам горных пород, размерам и форме поперечного сечения выработки. Чем ближе значение КИШ к единице, тем лучше технико-экономические показатели проходки выработки. Величина КИШ (0,8—1) зависит от правильности выбора типа вруба—-количества и пространственного расположения врубовых шпуров. Глубина и размеры врубовой воронки определяют линейное продвижение выработки (уходку) после взрыва зарядов ВВ в комплекте проходческих шпуров.
Параметрами и показателями буровзрывных работ являются удельные расходы ВВ и шпуров (в м), глубина, число и диаметр шпуров, расстояние между ними, масса заряда в шпуре и расход ВВ на цикл.
Продолжительность проходческого цикла обусловлена глубиной шпуров и коэффициентом их использования. Глубину
шпуров, а следовательно и величину уходки выбирают в зависимости от допустимой величины обнажения кровли выработки (в выработках с большим сечением и в неустойчивых породах), а также исходя из построения проходческого цикла. Продолжительность проходческого цикла выбирают кратной 1 сут.
Глубина шпуров при проходке выработок всех видов зависит от крепости и взрываемости пород, площади поперечного сечения, мощности применяемого ВВ и расположения шпуров в забое.
В зависимости от заданной скорости проходки выработки глубина шпуров (м) может быть определена по формуле
/ш =----,	(Ю.1)
N aS
mPe +11 пРп
где Т — продолжительность цикла, ч; tB — время заряжания, взрывания, проветривания и вспомогательных операций, связанных с переходом от бурения и взрывания к погрузке породы, ч; N— число шпуров в забое; т — число одновременно работающих перфораторов в забое; Рв — производительность бурильной машины за 1 ч общего времени бурения, м; т] — коэффициент использования шпура: а = 0,64-0,8 — коэффициент совмещения бурения и уборки породы, при последовательном выполнении основных проходческих операций а=1; S— сечение выработки в проходке, м2; п — число одновременно работающих в забое погрузочных машин; Рп — производительность погрузочной машины за 1 ч общего времени работы, м3.
На практике глубина шпуров при проведении горизонтальных разведочных выработок изменяется от 1,2 до 2,5 м, составляя в среднем 1,7—1,75 м.
Число шпуров зависит от площади поперечного сечения выработок, крепости пород, энергетической характеристики ВВ и некоторых других факторов.
Для всех видов выработок число шпуров определяют по формуле, рекомендуемой строительными нормами и правилами (СНиП):
Л7 = 1,27^SB/(d2Aa),	(10.2)
где q — удельный расход ВВ на 1 м3 породы массива, кг (приведен в табл. 10.1); SB — площадь поперечного сечения выработки вчерне, м2; d — диаметр заряда (или диаметр патрона для патронированных ВВ), Д—плотность заряжания (плотность ВВ в патронах), кг/м3; а — коэффициент заполнения шпура ВВ, U = 1з/
Коэффициенты заполнения шпуров согласно СНиП следует принимать для патронированных ВВ по табл. 10.2.
Таблица 10.1
Категория крепости породы по ЕНВ	Коэффициент крепости f (по М. М. Протодьяко-нову)	Удельный расход ВВ (кг/м3) при сеченни забоя, м2		
		<3	3-7	>7
XIII—XX	8—20	3,3	2,0	1 ,6
XI—XII	6—8	2,3	1,3	0,9
X	4	1,3	0,7	0,4
VI—IX	2—4	1,0	0,4	0.8
Схему расположения шпуров принимают в зависимости от типа и конструкции выбранного вруба, размеров выработки, крепости и трещиноватости пород, глубины шпуров. Расчетное число шпуров и параметры их расположения уточняют опытным взрывом перед началом горнопроходческих работ.
В практике проведения горных выработок применяют различные врубы в зависимости от формы сечения выработки, характера пород и горно-геологических условий (рис. 10.2). Пирамидальный вруб применяют в крепких монолитных породах, клиновые врубы (вертикальный, горизонтальный, верхний и нижний боковые клиновые врубы)—в слоистых и трещиноватых породах.
При проходке выработок круглого сечения применяют конусообразные врубы.
В последнее время при проведении выработок большого сечения начали использовать контурное взрывание. Такое взрывание зарядов ВВ обеспечивает наиболее точное соблюдение контуров проектного сечения выработки с минимальным нарушением целостности массива за его пределами. При контурном взрывании применяют рассредоточенную конструкцию заряда ВВ в шпурах, расположенных по периметру выработки. Величи-
Таблица 10.2
Диаметр патрона ВВ, мм	Значения а для категории пород (коэффициент крепости по шкале М. М. Протодьяконова) V—VIII (f-3+9>	|	IX-XI (f=10-e-20)
32, 36, 40, 45	Вертикальные стволы 0,4—0,5	0,5—0,65 0,35—0,45	0,45—0,5
Горизонтальные и наклонные выработки
0,35—0,7 0,3—0,6 0,3—0,5
0,75—0,85 0,6—0,65 0,5—0,75
24, 28
32, 36
40
Рис. 10.2. Типы врубов:
а — пирамидальный; б, в, г, д — клиновые вертикальный, горизонтальный, верхний и боковой; 1—6 — номера врубовых шпуров
ну этих зарядов устанавливают из расчета образования трещины по периметру выработки. При контурном взрывании число контурных шпуров больше по сравнению с обычным порядком взрывания шпуровых зарядов.
§ 3.	Бурильные машины и инструмент
Время бурения шпуров составляет от 40 до 60% общего времени проходческого цикла. Поэтому выбор бурового оборудования существенно влияет на скорость проведения горных выработок.
На горноразведочных работах применяют механические способы бурения шпуров и скважин. При механических способах бурения порода разрушается твердым породоразрушающим инструментом. Механические способы бурения подразделяют на ударно-поворотный, ударно-вращательный, вращательно-ударный и вращательный.
Ударно-поворотный способ бурения характеризуется тем, что порода разрушается в результате последовательных ударов по забою шпура бурового инструмента (штанги и буровой коронки), совершающего возвратно-поступательные движения. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, чем обеспечивается разрушение породы по всей площади шпура. Этот способ бурения может использоваться для пород крепостью f=4-4-20.
Ударно-вращательный способ бурения характеризуется тем, что удары наносят по непрерывно вращающемуся буровому инструменту, разрушающему забой шпура. Данный способ может применяться при крепости пород f = 64-20.
Вращательно-ударный способ бурения сочетает вращательный и ударный способы. Коронке, находящейся под давлением, придается независимое вращение и одновременно по ней наносятся удары. Разрушение породы происходит за счет ее скалывания при вращении коронки. Этот способ бурения целесообразно использовать в породах крепостью /=4ч-14.
При вращательном бурении разрушение забоя шпура производится за счет сжатия, раздавливания и скалывания лезвиями инструмента (резца), вращающегося при одновременном действии осевого давления. Вращательное бурение может применяться в породах крепостью /=С12 в зависимости от типа бурильной машины вращательного действия.
При ударно-поворотном бурении используют пневматические бурильные машины — перфораторы (бурильные молотки). Пневматический перфоратор представляет собой поршневую машину ударно-поворотного действия. По конструктивным особенностям механизма поворота различают перфораторы с зависимым и независимым приводами; по способу применения — переносные, телескопные и колонковые; по массе — легкие (до 18 кг); средние— (20—25 кг) и тяжелые (>30 кг); по способу очистки шпуров от буровой мелочи — с осевой промывкой, боковой промывкой и отсосом пыли.
Пневматические переносные перфораторы—ПП предназначены для бурения шпуров диаметром 30—50 мм в забоях горизонтальных и наклонных (нисходящих) выработок (табл. 10.3). Для облегчения труда бурильщиков при обуривании забоев горизонтальных или наклонных выработок эти перфораторы снабжают установочно-подающими пневматическими поршневыми поддержками (пневмоподдержка) (рис. 10.3).
Телескопные перфораторы представляют собой конструктивно единое целое перфоратора и пневмоподдержки, соединенных между собой стяжными болтами. Перфораторы этого типа предназначены для бурения восстающих шпуров и скважин диаметром до 85 мм.
Колонковые перфораторы используют для бурения шпуров и скважин в крепких породах диаметром до 40—85 мм в горизонтальных выработках. Их устанавливают на специальных распорных колонках, манипуляторах или буровых каретках. Подача колонковых перфораторов на забой производится автоматическими винтовыми или цепными податчиками.
Нормальная работа пневматических перфораторов обеспечивается при номинальном давлении сжатого воздуха 0,5 МПа и давлении воды 0,3—0,4 МПа.
Т а б л и ц a 10.3
С я с о. гз н g-e	Масса, кг	Энергия уда-ра, Дж	Частота ударов, мин-1	1 Расход воздуха, м3/мин	Глубина бурения, м	Усилие подачи, Н
			Переносные			
ПП36В	24,9	36	2300	2,8		
ПП54В	30,5	54	2300	3,5	2—4	0—1200
ПП63В	33,0	63	1800	3,5		
			Телескопные			
ПТ-29М	38	50	2400	3,3	<8	1000—2000
ПТ-36М	47	90	2600	4,5	<15	
			Колонковые			
ПК-60	60	90	2500	9,0	<25	до 7000
ПК-75	75	150	2600	13,0	<50	до 10 000
Примечание. Пример условного обозначения: ПП36В — П-перфоратор, П — переносной; 36 —энергия удара, Дж; В — пылеподавление водой.
В случае проведения выработок при отрицательных температурах, а также там, где применение воды по технологическим условиям нецелесообразно, используют пневматические перфораторы с отсосом буровой мелочи. Отсос буровой мелочи осуществляется из забоя шпура по отверстиям в буровой коронке, каналу буровой штанги, далее по осевой трубке перфоратора, а из нее по гибкому рукаву в пылеуловитель. В последнем пыль осаждается, а очищенный воздух выпускается в атмосферу.
Для бурения с центральным пылеотсосом применяют перфораторы марки ПП63П (последняя буква означает пылеотсос) и пылеулавливающую установку ПО-4М.
При бурении шпуров в мерзлых породах применяют перфораторы марки ПП63ВП (где ВП — с интенсивной продувкой шпура и увлажнением пыли). Они работают в комплексе с пылеподавляющей установкой типа ППУ-11-3.
Нисходящие шпуры диаметром до 46 мм и глубиной до 5 м в обводненных породах при проходке шахтных стволов бурят перфораторами марки ПП63С (С — с интенсивной централизованной продувкой).
Бурильные установки представляют собой длинноходовые бурильные машины ударно-вращательного и вращательно-ударного типа, устанавливаемые на самоходных или несамоходных тележках. Применение бурильных установок позволяет в 3—5 раз повысить производительность бурения и од-
Рис. 10.3. Типы пневматических перфораторов:
а — нереносной на пневмоподдержке; б — колонковый; в — телескопный; / — перфоратор; 2 — пневмоподдержка; 3 — масленка; 4 — буровая штанга; 5 — автопода’тчик; 6 — пневмоподатчик
ной штангой бурить в необходимом направлении шпуры на полную глубину (до 3 м) в оптимальном режиме.
При проведении горизонтальных разведочных выработок площадью поперечного сечения 5—12 м2 используют бурильные установки СБКН-2М (на рельсовом или пневмоколесном ходу).
Это гидрофицированные бурильные установки, которые оснащены манипуляторами с автопрдатчиками и двумя перфораторами ПК-60.
Техническая характеристика буровой установки СБКН-2М
Максимальная высота обуривания забоя, м ...... .	3
Максимальная ширина обуривания забоя с одной установки, м	3,55
Глубина бурения за один ход автоподатчика, мм................ 2000
Скорость передвижения, км/ч:
на рельсовом ходу..........................................  3,5
на пневмоколесном ходу...................................... 3
Число манипуляторов............................................. 2
Длина стрелы, мм............................................. 2300
Габариты в транспортном положении, мм: длина...................................................... 5285
ширина.....................................................950
высота................................................  .	1170
Alacca, т: на рельсовом ходу........................................... 4,6
на пневмоколесном ходу...................................... 2,8
Рабочим инструментом для пневматических перфораторов служит бур, имеющий на одном конце хвостовик, по которому боек-ударник перфоратора наносит удары, а на другом конце головку (коронку) с лезвиями. Буры изготовляют цельными и разъемными. Преимущественное применение получили более удобные в эксплуатации разъемные буры, состоящие из буровой штанги и съемной коронки (рис. 10.4).
Буровые штанги изготовляют из шестигранной (или круглой) пустотелой буровой стали. Коронку со штангой соединяют посредством резьбы или гладкого конуса.
Для бурения пород выпускают долотчатые, трех- и четырехперые крестовые коронки. Коронки армируют пластинками или вставками твердого сплава марок ВК-8В, ВК-ИВ и ВК-15. При работе лезвия коронки притупляются, поэтому для последующего использования коронки восстанавливают (затачивают) на заточных станках. Правильно эксплуатируемая буровая коронка допускает 10—15 заточек.
Вращательное бурение шпуров производят ручными и колонковыми электросверлами. Ручные электросверла (рис. 10.5) применяют в породах крепостью f = 24-4; колонковые—в породах крепостью /=84-10. Масса ручных электросверл (ЭРП-20, СЭР-19М и др.) от 12 до 22 кг, мощность электродвигателя от 1 до 1,5 кВт. Колонковые электросверла имеют массу 180—200 кг и автоматическую подачу. Мощность электродвигателей до 5 кВт, усилие подачи до 16000 Н.
Колонковые электросверла с гидравлической подачей (ЭБГП-lj устанавливают на манипуляторах погрузочных машин и буровых распорных колонках. С помощью буровых колонок с манипуляторов механизируют маневренные операции
Рис. 10.4. Инструмент для пневматических перфораторов:
а, б — цельный и составной буры; в, е — долотчатые коронки типа КДП и КДШ соответственно; г, д, ж— крестовая (ККП), иеперетачиваемая штыревая (КНШ) и трехперая штыревая (КТШ) коронкн соответственно; D, d —диаметры головки и корпуса; Я— длина корпуса; dit d2 — начальный н конечный диаметры конусного гнезда; d3,	—
диаметр и длина резьбы; ft —длина конусного гнезда; b — ширина пера
при бурении шпуров в выработках с площадью поперечного сечения 1,8—2,7 м2.
В горизонтальных выработках с площадью поперечного сечения до 6,5 м2, проводимых в породах с f<8, применяют бурильную установку электровращательного бурения БУЭ-1М. Установка оборудована одной бурильной машиной типа БУЭ
с электрическим приводом, установленной на податчике, манипулятором, стрелой и тележкой на колесно-рельсовом ходу.
Техническая характеристика бурильной установки БУЭ-1М
Максимальная глубина бурения, м................................. 2,8
Максимальная ширина обуривания забоя с одной позиции установки машины, м................................................. 3;3
Ход подачи бурильной машины,	м.............................. 3,0
Максимальное	усилие	подачи, кН................................ 17
Установленная	мощность,	кВт.................................... 15
Габаритные размеры, мм:
длина.................................................... 8000
ширина.....................................................600
высота....................................................1200
Скорость передвижения, км/ч..................................... 1,5
Масса, т........................................................ 5,4
Буровым инструментом для вращательного бурения шпуров являются резцы и штанги. Для бурения без промывки применяют витые (шнековые) штанги без внутреннего канала, с промывкой— шестигранные или цилиндрические штанги с внутренним каналом. Резцы изготовляют для бурения по углю и породе, с промывкой и без нее. Резцы армируют пластинками твердого сплава марок ВК-6, ВК-8 или ВК-8В. С буровой штангой резцы соединяются посредством хвостовика или гладкого конуса (рис. 10.6). Резцы перетачиваются на заточных станках. При нормальной эксплуатации резцов допускается 5—10 заточек.
Электровращательное бурение шпуров начинает входить в горноразведочную практику, оно позволяет механизировать проходку разведочных выработок в условиях бездорожья в высокогорных, таежных и пустынных районах. Этот вид бурения является одним из резервов повышения эффективности буровзрывных работ, так как кпд электросверл составляет 40—7О°/о, тогда как перфораторов — 2—5%.
При вращательно-ударном бурении внедрение лезвия бура в породу под действием ударных нагрузок происходит при непрерывном вращении инструмента и значительной осевой нагрузке. В отличие от перфораторов машины вращательноударного бурения имеют независимый (от ударного) механизм вращения бурового инструмента и мощное напорное (подающее) устройство, обеспечивающее осевую нагрузку до 15 кН. В большинстве случаев вращательно-ударные машины устанавливают на самоходных тележках.
Бурильная установка БУ-1 (рис. 10.7) применяется для бурения шпуров при проведении горизонтальных выработок с площадью сечения не менее 5,4 м2. Установка состоит из бурильной машины вращательно-ударного действия 1, стреловидного манипулятора 2, верхней тележки 3 с пультом управления, ходовой тележки 4. Нижняя ходовая тележка выполнена самоход-
8
Рис. 10.5. Электросверла:
а — ручное, б — колонковое, / — витая штанга, 2 — распорная колонка, 3 — сверло со шпинделем
Рис. 10.6. Резцы для вращательного бурения:
а, б — для бурения по углю соответственно без промывки и с промывкой, в, г — для бурения по породе с промывкой, 1 — пластина нз твердого сплава 2 —корпус, 3 — хвостовик, 4 — присоединительное конусное гнездо
ной с приводом обеих полускатов от гидромотора через редуктор и цепную передачу. На задней площадке тележки установлена насосная станция, снабжающая рабочей жидкостью гидроцилиндры установки. Ниже приведена техническая характеристика некоторых буровых установок с машинами вращательноударного действия.
Бурильная установка		КБШ	БУР-2	БУ-1
Ход тележки		Пневмоколесиый, рель-		Рельсовый
Тип бурильной машины ....	—	совый БУ, БГА	БУ, БГА
Высота обуриваемого забоя, м .	3,25	4,0	4,0
Ширина обуриваемого забоя, м .	3,6	5,8	5,2
Число бурильных машин ....	2	2	1
Энергия удара, Дж		90	60, 90	60, 90
Частота ударов, мин~‘ ....	2000	2000, 2900	2000, 2900
Частота вращения штанги, с-1 .	3,33	2,16, 1,67	2,16, 1,67
Диаметр шпура, мм		40—46	42—46	42—46
Габариты в транспортном положении, мм: длина 		3600	8700	8700
ширина		1350	1350	850
высота.				1300	1500	1500
Масса, т		3,6	6,5	4,1
В качестве бурового инструмента при вращательно-ударном бурении используют буровые коронки, армированные пластинами твердого сплава с асимметрично заточенными лезвиями (рис. 10.8), и буровые штанги из круглой буровой стали диаметром 32 мм с внутренним каналом для промывки.
В ряде случаев для бурения шпуров в горноразведочных выработках применяют навесное оборудование. Это оборудование с бурильными машинами любого типа устанавливают на погрузочные машины. Например, навешивая комплект оборудования НБ-3 на погрузочной машине 1ПНБ-2, получают буропогрузочную машину 1ПНБ-2Э. Навесное оборудование состоит из манипуляторов, закрепляемых с помощью кронштейнов к погрузочной машине. Манипуляторы оснащают податчиками с бурильными машинами.
§ 4.	Меры безопасности при проходке разведочных горных выработок с применением буровзрывных работ
Перед бурением шпуров проходчик обязан осмотреть забой и очистить кровлю, забой и бока выработки от отслоившихся кусков породы, проверить надежность крепления выработки и при необходимости установить временную крепь, а также проконтролировать исправность бурильного оборудования путем опробования.
При бурении шпуров перфораторами необходимо выполнять следующие меры безопасности:
прочно установить и закрепить колонки, поддержки и автоподатчики;
перед началом бурения проверить плотность и прочность присоединения шлангов к перфоратору;
запрещается разбуривать стаканы — донные части шпуров, оставшиеся невзорванными, независимо от того, осталось ли в них В В или нет;
4
750
забуривание шпура начинать слабыми ударами до тех пор, пока головка бура в шпуре не займет устойчивое положение;
при бурении на высоте применять предохранительные пояса; работу вести в предохранительных очках.
Перфораторы должны иметь виброгасящую каретку-рукоятку, которая снижает вибрации до уровня, предусмотренного санитарными нормами. Наиболее действенная защита проходчиков от вибрации — переход на бурение шпуров самоходными бурильными установками. При работе на таком оборудовании рабочий полностью защищен от вибрации.
Для бурения электросверлами необходимо соблюдать следующие правила:
перед началом работ тщательно осмотреть состояние электросверла, гибкого кабеля и аппаратуры, а также проверить заземление электросверла и выключателя;
запрещается поддерживать при забуривании вращающееся сверло рукой;
ручки и тыльная часть электросверла должны быть покрыты диэлектрическим материалом;
запрещается работа электросверлом с поврежденной изоляцией токопроводящей проводки.
При работе на бурильных установках вращательного бурения типа БУЭ-1 необходимо обеспечивать меры электробезопасности. Электрическую бурильную машину заземляют с помощью четвертой жилы гибкого кабеля. Бурильщики должны пользоваться резиновыми перчатками.
Бурение шпуров для ликвидации невзорвавшихся зарядов должно производиться в соответствии с требованиями Единых правил безопасности при взрывных работах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	В чем заключается сущность проведения горных выработок буровзрывным способом?
2.	Какие операции включает проходческий цикл?
3.	Какие виды шпуров составляют комплект? Расскажите о назначении отдельных видов шпуров.
4.	Какие виды врубов используют при проходке горизонтальных горных выработок?
5.	Какие показатели и параметры характеризуют буровзрывные работы при проведении горных выработок?
6.	Что необходимо учитывать при выборе бурильной машины для бурения шпуров?
7.	Какой инструмент применяют при бурении шпуров пневматическими перфораторами?
8.	При какой крепости горных пород возможно эффективное применение электровращательного способа бурения шпуров?
Глава 11
ПОГРУЗКА И ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
В РАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Погрузка — это процесс перемещения взорванной горной массы в транспортные средства. Погрузка горной массы — один из трудоемких процессов при проведении выработок. Этот вид работ занимает до 40—50% продолжительности проходческого цикла при проведении горизонтальных выработок.
Очень важное значение имеет механизация погрузочных работ. Механизированная погрузка горной массы обеспечивает рост производительности и повышение скорости проведения выработок, избавляет проходчиков от тяжелого физического тру
да, повышает его безопасность. На производительность погрузки существенное влияние оказывают физико-механические свойства породы, равномерность и крупность ее дробления при отбойке, обводненность.
При проведении открытых разведочных выработок погрузка породы совмещается с отбойкой и осуществляется экскаваторами, канавокопателями, бульдозерами и скреперами.
§ 1.	Оборудование для погрузки горной породы в горизонтальных и наклонных выработках
При проведении горизонтальных и наклонных выработок погрузку породы осуществляют скреперными установками, погрузочными и погрузочно-доставочными машинами. Основные требования к оборудованию для погрузки породы — небольшие размеры, хорошая маневренность, высокая производительность, простота обслуживания и ремонта, высокая надежность. При выборе средств погрузки необходимо учитывать протяженность и искривленность горных выработок, размеры их поперечного сечения, энергетические возможности объекта горных работ.
Скреперная погрузка породы эффективно применяется при проведении разведочных выработок протяженностью до 100 м с площадью поперечного сечения до 4 м2. Скреперная установка состоит из скреперной лебедки, скрепера, канатов и концевого блока. При работе скрепер совершает периодическое движение от забоя к месту разгрузки и обратно. При движении от забоя с помощью рабочего каната скрепер, внедряясь в разрыхленную породу, загружается и доставляет ее волоком по почве выработки до места разгрузки. После разгрузки скрепер совершает холостой ход к забою.
Скреперные лебедки подразделяются на электрические и пневматические, а по мощности привода — на легкие (до 10 кВт), средней мощности (от 10 до 20 кВт) и мощные (>20 кВт).
Скреперы по конструкции разделяют на гребковые, коробчатые (ящичные), совковые. При проведении горизонтальных выработок применяют скреперы вместимостью от 0,15 до 0,35 м3.
Скреперную погрузку используют в двух вариантах: для непосредственного перемещения породы в отвал (прямое скреперование) и для загрузки вагонеток через полок.
Производительность скреперной погрузки зависит от вместимости скрепера, средней скорости перемещения скрепера и длины скреперования.
Погрузочные машины являются удобным и эффективным средством механизации погрузки породы в таких горизонтальных выработках как штольни, штреки, квершлаги, рассечки. По
Рис. 11.1. Погрузочные машины:
а —ковшовая: 1 — ковш; 2 — погрузочная машина; 3 — вагонетка; б —- непрерывного действия типа ПНБ-3: / — нагребающие лапы; 2 — скребковый конвейер; 3 — ходовая тележка; в — ковшово-конвейерная: / — ковш; 2 — стрела; 3 — конвейер; 4 — цепь
характеру работы погрузочного органа погрузочные машины подразделяют на машины периодического (цикличного) и непрерывного действия.
К машинам периодического действия относят машины, рабочий орган которых (ковш) зачерпывает породу, а затем разгружает ее в транспортное средство. Ковшовые погрузочные машины изготовляют двух видов: с рабочим органом прямой погрузки, когда порода из ковша сразу высыпается в транспорт
ное средство, и с рабочим органом ступенчатой погрузки, когда порода из ковша сначала подается на перегрузочный конвейер, а затем — в транспортное средство (рис. 11.1, а). Машины ковшового типа выпускают на колесно-рельсовом ходу.
В условиях специфики подземных горноразведочных работ получили распространение ковшовые погрузочные машины типа ППН (табл. 11.1).
Рабочим органом погрузочных машин непрерывного действия являются парные нагребающие лапы, расположенные на наклонной приемной плоскости, внедряемой в развал породы (рис. 11.1,6). Машины этого вида более производительны, чем ковшовые. Их целесообразно применять при погрузке пород некрепких, средней крепости и хорошо раздробленных.
Погрузочные машины ПНБ предназначены для погрузки породы при проведении горизонтальных и наклонных (до +8°) горных выработок с площадью сечения в свету 2,5X1,5 м2 и более. Машины ПНБ выполнены на гусеничном ходу и состоят из нагребающей части, скребкового конвейера, электро- и гидрооборудования, оросительной системы и пульта управления.
Погрузочные машины выпускают как с пневматическим, так и с электрическим приводом. Первые получают питание от магистрали сжатого воздуха по гибкому резиновому шлангу, а вторые — от силовой электрической сети по кабелю.
Эффективность использования погрузочных машин существенно зависит от простоев машины вследствие обмена транспортных средств — вагонеток. Применение в комплексе с погрузочной машиной ленточных перегружателей позволяет свести к минимуму такие простои или полностью исключить их.
Ленточные перегружатели представляют собой короткие ленточные конвейеры, которые используют в разведочных выработках в качестве средства обеспечения непрерывности погрузки. Непрерывность погрузки обеспечивается благодаря установке под стрелой перегружателя состава вагонеток. Прогрессивным направлением механизации проходческих работ при погрузке и транспортировании горной массы является применение погрузочно-транспортных машин и самоходных вагонов.
Погрузочно-транспортные машины комплексно выполняют операции погрузки, транспортирования и разгрузки горной массы. Такие машины изготовляют с грузонесущим ковшом (типа ПД) и с грузонесущим кузовом (типа ПТ). Погрузочнотранспортная машина состоит из погрузочного органа, грузоне-сущей емкости и ходовой части. Преимущества этих машин — большая маневренность, транспортирование по выработкам с малыми радиусами закруглений, большая производительность, меньшее число обслуживающего персонала.
Таблица 11.1
Техническая характеристика погрузочных машин
Показатели	Колесно-рельсовые ковшовые машины			
	ППН-1В	ппн-1с	ППН-2	ппн-з
Вместимость ковша, м8	0,125	0,2—0,25	0,32	0,5
Фронт погрузки, м Габариты машины в рабочем положении, мм:	2,0	2,2	2,5	3,2
длина	2100	2250	2500	3200
ширина	360	1150	1320	1400
высота	1900	2250	2350	2800
Максимально допустимая крупность кусков, мм	350	350	400	600
Минимальные размеры площади сечения выработки в свету (ширинах высота), м2		2,5X2,3	2,3X2,5	2,5X2,9
Число двигателей	2	2	2	2
Суммарная мощность двигателей, кВт	14,72	17,6	26,4	38,2
Пр оизв одительность, м3/мин	0,5	1,0	0,8—1,2	1,6
Масса, т	2,0	3,5	4,7	8,0
Продолжение табл 11.1
Показатели	Гусеничные с нагребающими лапами машины			
	ПНБ-1	ШНБ-2	2ПНБ-2	ПНБ-Зк
Вместимость ковша, м8 Фронт погрузки, м Габариты машины в рабочем положении, мм:	—'	Не ог	эаничен	—
длина	6500	7100	7800	8500
ширина	1100	1600	1800	2000
высота	2600	2800	2850	3500
Максимально допустимая крупность кусков, мм	300	400	500	600
Минимальные размеры площади сечения выработки в свету (ширинах высота), м2	2X1,5	2,5X1,8	3X1,8	3,7X2,5
Число двигателей	3	2	4	3
Суммарная мощность двигателей, кВт	42	62	130	216
Производительность, м8/мии	1,45	2,0	2,0	3,0
Масса, т	4,7	6,0	10,5	20,0
§ 2.	Механизированная погрузка породы в вертикальных я наклонных выработках
При проведении вертикальных выработок сверху вниз (шахтных стволов и шурфов) погрузка породы осуществляется при наиболее неблагоприятных условиях: развал породы размещается непосредственно на забое и подход к нему возможен только сверху, внедрение в породу рабочего органа погрузочной машины требует повышенных затрат энергии.
Механизированная погрузка в стволах шахт и шурфах осуществляется пневматическими грейферными грузчиками. Грейферы подвешивают над забоем на канатах лебедок, устанавливаемых на подвесном проходческом полке или на поверхности.
Подвешенный над забоем грейфер перемещается вручную или с помощью механизмов. При проходке разведочных выработок ограниченной площади сечения возможно применение только легких, сравнительно небольших размеров грузчиков с ручным управлением. Пневматический грейферный грузчик с ручным управлением состоит из собственно многолопастного грейфера, пневматического подъемника и водила, на котором размещены органы управления грейфером и подъемником (рис. 11.2).
Наклонные выработки. Погрузка породы в наклонных выработках, проводимых сверху вниз (уклоны или наклонные стволы шахт) —трудоемкая операция, на которую затрачивается много времени.
Механизация погрузки породы в наклонных выработках, проводимых сверху вниз, осуществляется с использованием п о-грузочных машин и скреперных установок.
При углах наклона выработок до 5—8° для погрузки породы возможно применение тех же погрузочных машин, что и при проходке горизонтальных выработок. При углах наклона выработок до 18° погрузочные машины используют с удерживающими приспособлениями в виде дополнительной лебедки с канатом, позволяющей поддерживать машину в забое на канате и перемещать ее по наклонной выработке.
Специально для наклонных выработок сконструирована погрузочная машина ППН-7. Ее применяют для проведения уклонов с углом наклона до 25°. Машина снабжена рычажно-ковшовым исполнительным органом, навесным бурильным оборудованием и поддерживающей лебедкой.
При углах наклона выработок до 35° и более погрузка осуществляется скреперными установками и скреперными комплексами. Если уборка породы выполняется с перегрузкой в вагонетки или скипы, то применяют скреперные полки.
§ 3.	Транспортирование породы при проведении подземных разведочных горных выработок. Подъем породы
Производственный процесс проведения разведочных выработок как неотъемлемую часть включает транспортирование грузов— породы, полезного ископаемого, людей, оборудования, материалов. По месту работы транспорт подразделяется на подземный (перемещение грузов по горным выработкам) и транспорт на поверхности (перемещение грузов на поверхности от устья ствола, штольни, шурфа).
По принципу действия транспортные средства подразделяются на установки периодического (цикличного) и непрерывного действия. Установки периодического действия — это локомотивы, скреперы, погрузочно-транспортные машины, самоходные вагоны. Средства непрерывного действия — это конвейеры, установки для перемещения груза под действием:
//24
1
Рис. 11.2. Грейферный грузчик КС-3:
/ — грейфер; 2 — пневмоподъемник; 3 — пневмосистема; 4 — водило
собственного веса, пневматического и гидравлического транспорта.
Перемещение горной породы от места отбойки до места погрузки в основные транспортные средства называется доставкой. Доставка может быть немеханизированной (перелопачивание, под действием собственного веса) и механизированной (скреперами, конвейерами, погрузочно-транспортными машинами) .
Транспортирование грузов по рельсовым путям в горизонтальных или наклонных (<30°) выработках называют откаткой, а по наклонным (>30°) и вертикальным выработкам — подъемом.
В горизонтальных и наклонных горноразведочных выработках основной вид транспорта — рельсовый.
Рельсовый путь, по которому транспортируют грузы, состоит из нижнего и верхнего строений (рис. 11.3). В горных выработках нижним строением является почва выработки, верхним — балластный слой, шпалы, рельсы и скрепления.
Основной параметр рельсового пути — ширина рельсовой колеи, т. е. расстояние между внутренними гранями головок рельсов, измеренное перпендикулярно к оси пути. В горноразведочных выработках ширину колеи принимают обычно 600 мм, а на эксплуатационных работах в период разработки месторождения— 750 и 900 мм.
Рудничные вагонетки по назначению подразделяются на грузовые, пассажирские, вспомогательные и специальные. В грузовых вагонетках транспортируют горную массу, в пассажирских— перевозят людей по горизонтальным выработкам большой протяженности. Вспомогательные вагонетки служат для доставки крепи и взрывчатых материалов.
В зависимости от способа разгрузки грузовые вагонетки изготовляют следующих типов: ВГ — с глухим кузовом, разгружаемые при помощи опрокидывателя; ВБ — с откидным бортом; ВО — опрокидные, у которых при разгрузке кузов опрокидывается набок. При проведении горизонтальных выработок для транспортирования породы применяют вагонетки типов ВО и ВГ с вместимостью кузова 0,5—0,8 и 1—1,4 м3 соответственно.
Рудничные локомотивы. На геологоразведочных работах из всех видов рудничных локомотивов (электровозы, гировозы, дизелевозы, воздуховозы) применяют только электровозы. Рудничные электровозы оборудуют электродвигателями постоянного тока. В зависимости от способа питания электродвигателей электровозы подразделяют на контактные, аккумуляторные и комбинированные. Контактные электровозы получают питание через токоприемники от контактного провода. Аккумуляторные электровозы питаются током от батареи, установленной на электровозе (рис. 11.4).
Рис. 11.3. Устройство рельсового пути в горизонтальной выработке:
1 — канавка; 2 — брус; 3 — настил; 4 — отшивка; 5 — балластный слой; 6 — шпала; 7 рельс; 8— подкладка; 9 — костыль; 10 — стойка
Рис. 11.4. Виды электровозной откатки:
а — откатка контактным электровозом: / — питающий кабель; 2 — контактный провод: 3 — контактный электровоз; 4 — рельсы; 5 — заземляющий контур; 6 — кабель высокого напряжения; 7 — трансформатор; 8 — выпрямитель; 9 — камера подстанции; б — откатка аккумуляторным электровозом: / — аккумуляторный электровоз; 2 — -аккумуляторная батарея; 3 — зарядный стол; 4 — зарядная камера; 5— выпрямитель; 6 — трансформатор: 7 — кабель высокого напряжения
Наиболее целесообразным при разведке месторождений оказалось использование аккумуляторных электровозов. К их достоинствам относятся взрывобезопасность, автономность питания, возможность применения в выработках меньшей площади сечения. Однако они уступают контактным в мощности, скорости движения, сложнее по конструкции, дороже и менее удобны, в эксплуатации.
Подъем породы. Выработки, предназначенные для рудничного подъема, оборудуют специальными подъемными устройствами. Рудничный подъем включает в себя транспортирование породы, других грузов и людей, при этом транспортные операции состоят из спуска и подъема.
Транспортировка грузов и людей по стволам и шурфам осуществляется в специальных подъемных сосудах канатными подъемными установками. Подъемными- сосудами являются бадьи,, клети и скипы. Соответственно этому различают бадьевой, клетевой и скиповой подъемы. Кроме того, различают оборудование для подъема в шурфах и стволах разведочных шахт.
Подъем при проходке шурфов. Самое простейшее средство механизации транспортных операций при проходке разведочных шурфов — ручные разборные воротки, которые иногда применяют в практике ведения работ в труднодоступных районах. Вороток оснащают канатом диаметром 8—10 мм; масса воротка около 100 кг.
Наиболее эффективно использование воротков с механическим приводом или механических подъемников ПМШ и КМШ. Подъемник ПМШ-1 имеет барабан канатоемкостью 30 м и позволяет поднимать груженые бадьи со скоростью 0,9 м/с: диаметр каната — 9,2 мм, мощность двигателя—1,1 кВт.
Для проведения шурфов глубиной до 15 м и площадью поперечного сечения до 1,5 м2 выпускают комплекс оборудования КМШ-15. Подъем породы в комплексе осуществляется краном КШ-100А грузоподъемностью 1 кН. Канатоемкость барабана — 30 м, скорость подъема —0,7 м/с, мощность двигателя крана — 0,85 кВт, масса крана — 380 кг.
Проходка глубоких шурфов с площадью поперечного сечения 4 м2 может производиться с помощью специальног КШ-1М (рис. 11.5).
Техническая характеристика шурфопроходческого крана КШ-1М
Грузоподъемность, кН..................................
Вылет стрелы, мм........................................
Мощность электродвигателя, кВт..........................
Скорость подъема, м/с...................................
Габаритные размеры, мм: длина ..................................................
ширина ..............................................
высота...............................................
Масса, кг...............................................
О
2,3 2400
2,9
0,63
2726
1800
2614
1162
Рис. 11.5. Подъемный кран КШ-1М:
/ — опорная площадка; 2—* подъемная лебедка; 3 — стрела; 4 — канат; 5 — поворотная рама
Рис. 11.6. Схема проходческого подъема:
/ — бадья; 2 — раструб; 3 — натяжная рама; 4 — направляющая р^мка; 5 — предохранительный зонт; 6, 7 — подъемный и направляющий канаты; 8 — вагонетка; 9 — лебедка натяжения канатов; 10 — желоб; // — шкивы; /2 —копер; 13 — подъемная машина
Породу из шурфов поднимают в бадьях вместимостью 0,03— 0,27 м3. К подъемному канату бадьи подвешивают с помощью-специальных прицепных устройств, которые должны обладать-достаточной прочностью, исключать возможность самопроизвольного соединения и обеспечивать удобство, быстроту и безопасность отцепки и прицепки.
Подъем при проходке стволов шахт. Подъем обеспечивается подъемными установками, которые оборудованы подъемными машинами (лебедки) с приводами, копром, копровыми шкивами, бадьями, подъемными канатами, прицепными устройствами и сигнализацией.
При проходке стволов применяют одно- и двухбарабанные подъемные машины и лебедки и в соответствии с этим одно- и двухконцевой подъем. При одноконцевом подъеме используют одну бадью, при двухконцевом—две: одну груженую, другую порожнюю.
Производительность двухконцевого подъема выше, чем одноконцевого. Двухконцевой подъем применяют при проходке стволов значительной глубины и большой площади поперечного сечения.
Копер служит для установки направляющих подъемных шкивов на такой высоте, которая позволяет поднимать бадьи над устьем для их разгрузки и грузить выдаваемую породу в транспортные средства (рис. 11.6). На копре устанавливают также дополнительные шкивы и блоки для канатов вспомогательных лебедок, предназначенных для подвески различного вспомогательного оборудования.
Проходческие копры имеют сборно-разборную конструкцию из стальных труб, обеспечивающую высокую прочность, простоту сборки и разборки, а также возможность многократного использования.
Размер внутрикопровой площадки определяется расстоянием между стойками копра, обеспечивающим его устойчивость и удобство работы около устья ствола. Устье ствола шахты перекрывают нулевой рамой, предназначенной для предохранения работающих в стволе.
При проходке стволов разведочных шахт используют неопрокидные и самоопрокидывающиеся бадьи вместимостью 0,5—1,5 м3.
Бадьи разгружают без отцепления их от каната. При выходе из ствола бадью помещают на разгрузочный станок, опрокидывают ее, и порода поступает в наклонный разгрузочный желоб и по нему в транспортные средства.
Подъем и спуск бадей, подвешенных на канатах, осуществляют подъемными лебедками или подъемными машинами. Подъемная машина представляет собой лебедку, оборудован
ную рабочим и аварийным тормозами и контрольной аппаратурой.
Клетевой и скиповой подъемы. Когда из шахтного ствола проводят значительный комплекс горизонтальных горных выработок и количество породы, поступающей из проходческих забоев увеличивается, то бадьевой подъем заменяют клетевым и скиповым. Подъемными сосудами при клетевом и скиповом подъемах являются соответственно клети и скипы.
§ 4.	Транспортирование породы на поверхности
Горную породу, извлекаемую при проходке выработок на поверхность, необходимо перемещать от устья выработок до отвалов, а полезные ископаемые — до погрузочных бункеров или складов.
При проходке глубоких шурфов и стволов разведочных шахт порода, выгружаемая из бадьи, по наклонному желобу поступает в кузов автосамосвала или в вагонетку. Применение автосамосвалов обеспечивает хорошую маневренность транспорта и высокие технико-экономические показатели. Автосамосвалы разгружают в отведенных для этих целей местах (овраги, балки).
При проведении коротких разведочных штолен со скреперной уборкой породы скрепер перемещает породу непосредственно в отвал, располагаемый около устья штолен. При проведении штолен значительной длины породные отвалы располагают с учетом рельефа местности, таким образом, чтобы порода доставлялась к ним в тех же транспортных средствах, в которых эту породу транспортируют по штольне.
§ 5.	Меры безопасного ведения работ при погрузке и транспортировании породы
Погрузочные работы. Машины для погрузки породы работают в специфических условиях, в связи с чем при их эксплуатации предъявляются повышенные требования к соблюдению правил безопасности.
К управлению погрузочными, погрузочно-транспортными машинами и скреперными установками допускаются только лица, имеющие специальные удостоверения и прошедшие специальный инструктаж по безопасному применению оборудования.
Перед началом работы погрузочной машины следует осмотреть крепь выработки и исправить ее в случае необходимости. К работе можно приступить только после приведения забоя в безопасное состояние. Требуется также проверить состояние рельсового пути и маневровых устройств.
Во время работы с пневмоприводом необходимо тщательно следить за креплением воздухоподводящего шланга на машине и магистральном трубопроводе. На машинах с электроприводом требуется проверить заземление машины. Необходимо следить, чтобы воздухоподводящий шланг или силовой кабель не попал под ходовую часть машины или другого оборудования.
В процессе работы машины не разрешается находиться впереди погрузочной машины в радиусе действия ковша и стоять вблизи ковша в момент разгрузки, прицеплять или отцеплять вагонетки, ремонтировать, осматривать или чистить машину, работать под поднятым ковшом или освобождать руками куски породы из-под ковша погрузочной машины.
Скреперную лебедку перед началом эксплуатации следует расположить под прямым углом к оси выработки и надежно закрепить анкерными болтами. Все вращающиеся детали лебедки должны быть ограждены, а на случай обрыва каната перед лебедкой надо установить предохранительные щитки. Корпус лебедки надежно заземляют. Скреперование должно производиться при хорошем освещении скреперной дорожки и рабочего места у лебедки.
При работе скреперной лебедки запрещается смазывать блоки и лебедку, браться руками за канат и другие подвижные детали установки, выходить на скреперную дорожку.
При уборке породы пневматическими грейферными грузчиками запрещается: осматривать и ремонтировать грейфер при наличии сжатого воздуха в пневмокоммуникации грейфера; стоять вблизи бадьи в момент разгрузки грейфера; убирать породу в местах забоя, где остались невзорвавшиеся шпуровые заряды; использовать грейфер для освобождения заклинившихся в шпурах буров и для перемещения бадей по забою ствола.
Транспортирование породы. При механизированной откатке по рельсовым путям на прямолинейных участках зазоры между наиболее выступающей частью подвижного состава и крепью (боком) выработки или размещенным в выработке оборудованием и трубопроводами должны быть с одной стороны не менее 0,7 м (для свободного прохода людей), а с другой — не менее 0,25 м.
Вагонетки, оставленные на рельсовых путях, необходимо тормозить стопорными башмаками. Сошедшие с рельсов вагонетки и электровозы необходимо устанавливать с помощью домкратов и самоставов. Не допускается сцепка и расцепление вагонеток на ходу.
Эксплуатация электровозов должна осуществляться в строгом соответствии с правилами безопасности и инструкциями по эксплуатации завода-изготовителя.
Подъем породы. Каждая подъемная установка разведочной шахты оснащается предохранительными устройствами, отклю
чающими подъемный электродвигатель и включающими предохранительный тормоз; конечным выключателем для каждого подъемного сосуда; устройством, срабатывающим в случае превышения максимальной скорости равномерного хода на 15%;. ограничителем скорости, отключающим электродвигатель подъемной машины и включающим предохранительный тормоз в случае, если скорость подхода сосуда к приемной площадке превышает 1 м/с при спуске и подъеме людей и 1,5 м/с при спуске и подъеме грузов.
Каждая подъемная установка разведочных шахт и шурфов, глубиной более 20 м должна быть снабжена механическим или электрическим устройством для подачи сигналов, а также ремонтной сигнализацией для осмотра ствола. На грузопассажирских подъемных установках необходимо предусмотреть резервную сигнализацию.
Ежегодно специализированная наладочная бригада должна производить ревизию и наладку подъемной установки, согласно специальной инструкции.
Все результаты проверки подъемной машины и данные о замеченных повреждениях должны заноситься машинистом в Журнал приемки и сдачи смен машинистами подъемных машин.
Каждый подъемный канат требуется ежесуточно тщательно* осматривать по всей длине при скорости его движения не более 0,3 м/с; при этом определяется общее число обрывов проволок по всей длине каната. Кроме того, еженедельно производят дополнительный осмотр и один раз в месяц — детальный. Если при осмотре каната окажется, что на каком-то участке, длина которого равна шагу свивки, число обрывов проволок составляет 5% от их общего числа в канате, то он должен быть заменен. Результаты осмотра канатов необходимо в тот же день занести в Журнал осмотра подъемных канатов и их расхода.
При эксплуатации канаты смазывают специальной канатной смазкой.
Подвесные и прицепные устройства подъемных сосудов-должны иметь заводской паспорт или маркировку с указанием заводского номера и даты изготовления. Прицепное устройство бадей должно иметь приспособление, исключающее его самопроизвольный обрыв.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие факторы влияют на производительность погрузки при проведении горных выработок?
2.	Какое оборудование используют для погрузки горной массы при проведении горизонтальных выработок?
3.	При каких условиях целесообразно применять скреперную погрузку?
4.	Какие типы погрузочных машин используют при проведении горизонтальных горных выработок?
5.	С помощью какого оборудования грузят породу при проходке шурфов и стволов?
6.	Какие требования предъявляют к погрузочным машинам при работе в наклонных выработках при углах наклона более 8°?
7.	Какие виды транспортных средств применяют при проведении подземных горных выработок?
8.	Какие типы электровозов используют при проведении горноразведочных .выработок?
9.	Какие подъемные сосуды применяют при транспортировании грузов по шурфам и стволам?
10.	Какие технические средства используют для подъема породы из шурфов и стволов шахт?
Глава 12
КРЕПЛЕНИЕ ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК
•§ 1. Напряженное состояние горных пород. Горное давление
До проведения любой горной выработки породы в массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. Частицы горной породы в массиве подвергнуты трехосному сжатию и находятся в объемном напряженном состоянии, которое может быть разложено на горизонтальные (ох и ау) и вертикальные (ог) составляющие напряжения (рис. 12.1).
Вертикальные напряжения определяют по формуле
<тг = ТЯ,	(12.1)
где Н—глубина от поверхности, м; у — удельный вес пород, Н/м3.
Горизонтальные составляющие напряжения ах и Oj, равны между собой и находятся из выражения
ox = o =——ог,	(12.2)
1 Р-
где ц— коэффициент Пуассона, для горных пород ц=0,24-0,4, для жидкости ц = 0,5.
Как видно, горизонтальные составляющие напряжения в горной породе меньше вертикальных: ох = Оу<ог (так как ц<0,5)
После проведения выработки равновесие пород нарушается. В таком массиве происходит сложное перераспределение напряжений во времени и пространстве, т. е. давление, которое испытывали горнь1е породы в контурах выработки до ее проведения воспринимается окружающими выработку породами. Эти новые напряжения вызывают деформацию горных пород вокруг выработки. В результате перераспределения напряжений обнаженные породы в месте проведения выработки приходят в новое состояние равновесия.
Рис. 12.1. Схема напряженного состояния породы в массиве
Величина и характер рас» пределения этих напряжений зависят от размеров обнажения, глубины заложения выработки и физико-механических свойств окружающих выработку пород.
Обнаженные горные породы могут приходить в новое состояние равновесия без нарушения сплошности массива и с разрушениями. В последнем случае выработку необходимо крепить.
При относительно небольших глубинах (до 6000 м) гор
ные породы, окружающие горизонтальную или наклонную выработку, под действием горизонтальных и вертикальных напряжений обрушаются. Если не препятствовать смещению пород в выработанное пространство, то в определенный момент их обрушение прекратится с образованием над выработкой свода естественного равновесия. На рудничную крепь оказывает дав-
ление горная порода в контурах свода естественного равновесия.
Механическое воздействие на рудничную крепь со стороны вмещающих выработку горных пород в результате их деформации (смещения) называется горным давлением.
Величина и характер проявления горного давления определяется многими факторами: физико-механическими свойствами горных пород, формой и размерами поперечного сечения выработки, ее направлением и глубиной заложения относительно-земной поверхности, наличием выработанных пространств в месте проведения выработки. На величину горного давления существенное влияние оказывают способ и скорость проведения выработки, конструкция и материал рудничной крепи.
§ 2.	Назначение крепления горных выработок.
Горное давление в горизонтальных, наклонных и вертикальных выработках
Рудничная крепь сооружается в подземных горных выработках для предотвращения обрушений окружающих пород, сохранения проектных форм и размеров поперечного сечения выработок, для управления горным давлением и создания безопасных условий труда при ведении очистных работ. Крепь должна иметь достаточную прочность, чтобы выдерживать горное давление, податливость, огнестойкость, простую конструкцию, низ
кую стоимость, занимать мало места в выработке, обеспечивать необходимый срок службы выработки.
Размеры крепи должны соответствовать горному давлению. Горное давление на крепь горизонтальной выработки может быть определено исходя из теории свода естественного равновесия, которая разработана в 1908—1912 г.г. проф. М. М. Про-тодьяконовым. Им экспериментально установлено, что над выработкой образуется свод, и теоретически доказано, что свод очерчен по параболе. Различают два периода в проявлении горного давления на крепь горизонтальной выработки. Период первичного горного давления характеризуется изменением первоначального напряженного состояния горных пород, прилегающих к выработке, и образованием свода естественного равновесия. После образования свода естественного равновесия нарастание давления на крепь прекращается и начинается период установившегося горного давления. Свод естественного равновесия воспринимает давление толщи пород, расположенной над выработанными породами за пределами его контура. Крепь выработки воспринимает вес горной породы в пределах контура свода естественного равновесия — зоны возможного обрушения пород. Установившееся горное давление (нагрузка на крепь) на 1 м горизонтальной выработки (Н/м) определяют по формуле
ProP = SV(	(12.3)
где S — площадь сечения параболического свода, м2; у — удельный вес породы, Н/м3.
Площадь параболического свода (м2) находят из выражения
S = —ab,	(12.4)
3
где а — полупролет свода (половина ширины выработки при м; b — высота свода, м.
Согласно теории горного давления М. М. Протодьяконова, высоту свода вычисляют по формуле
Ь = аЦ,	(12.5)
где f — коэффициент крепости пород кровли по классификации проф. М. М. Протодьяконова.
Следовательно, 4 а2 /’гор у? •
Если срок службы выработки превышает год, то рассчитанную высоту свода по рекомендации М.. М.. Протодьяконова увеличивают вдвое.
Когда кровля и бока выработки неустойчивы, то в кровле образуется свод обрушения, а в боках — призма сползания и от-
(12.6)
Рис. 12.2. Расчетная схема горного давления на горизонтальную выработку
делившаяся порода начинает оказывать давление-на крепь (рис. 12.2). При этом полупролет свода естественного равновесия а.1 (м) в породах крепостью /s/о будет больше полупролета выработки а на ширину призмы сползания т:
a1 = a + hct§B, (12.7) где h — высота выработки, м; 0= (90+фб)/2 —
угол сползания призмы, градус; <рв — угол внутреннего трения боковых пород, градус.
П. М. Цимбаревич рекомендует боковое давление на 1 м выработки (Н/м) определять в этом случае по формуле:
p6==^(2b1+/0tg2.90^^-.
(12.8)
Горное давление со стороны кровли при наличии бокового на единицу длины выработки (Н/м) будет
Ргор = 2Т^1,
(12.9)
где bi= (a-\-h ctg0)//, м.
В наклонных выработках горное давление N раскладывается на две составляющие: перпендикулярно к оси выработки и параллельно ей. За расчетное давление принимают нормальную составляющую горного давления, так как крепь устанавливается перпендикулярно к оси выработки. Давление (Н/м) на крепь для выработок с углом наклона а<45° определяют по формуле
4
N — р cos а = — у — cos а. З1/
(12.10)
При наклоне выработки от 45° до 80° при расчете принимают угол 45° условно, считая нормальную составляющую давления не зависящей от а. В случае а>80° горное давление определяют, как давление на крепь вертикальной горной выработки.
В породах с крепостью /<5 учитывают увеличение расчетной ширины свода естественного равновесия за счет образования призм сползания. Боковое давление в этих породах достигает
существенных величин и пренебрегать им не следует. Его находят по формуле
Рб=(2Ь*+Л) tg2 ’	(12Л о
где /г —высота выработки, м.
Горное давление на крепь вертикальной выработки в большей степени зависит не от глубины, а от физико-механических свойств пород пересекаемых слоев. Современные теории горного давления на крепь вертикальных стволов рассматривают совместную работу крепи и горных пород на основе теории упругости и пластичности пород.
Приближенно горное давление (Н/м2) на крепь шахтного ствола может быть определено по формуле
рг0Р = уЯД,	(12.12)
где у — удельный вес породы, Н/м3; Н — глубина ствола шахты, м; А — коэффициент горизонтального распора, зависящий от характера пород (для пород средней крепости Л = 0,017, для крепких— Л = 0,004, для слабых — Л = 0,164; максимальное значение коэффициент распора имеет для плывунов — 0,757).
§ 3.	Материалы для крепления горных выработок
Крепежными называют материалы, используемые для изготовления горной крепи. Крепежные материалы подразделяют на основные, применяемые в несущих элементах конструкции (металл, бетон, дерево), вяжущие, служащие для приготовления растворов, и вспомогательные (водоизоляционные материалы, химические реагенты).
Для крепления подземных горных выработок используют дерево, бетон, железобетон, металл, естественные и искусственные камни.
Дерево — дешевый прочный крепежный материал,обладает сравнительно с другими небольшим весом, легко обрабатывается. Основной недостаток — пожароопасен и недолговечен. В качестве крепи применяют круглые и пиленые лесоматериалы в основном хвойных пород (сосна, ель, пихта).
Для крепления горных выработок применяют следующие виды лесоматериалов: бревна, подтоварник, стойки; пиломатериалы—пластины (распилы), брусья, доска и обаполы.
Прочность древесины (сопротивление сжатию, растяжению и изгибу) зависит от породы дерева, влажности, строения, характера, направления и места приложения силы. Например, расчетное сопротивление сосны из круглых материалов на изгиб составляет 16 МПа.
Использование лесоматериалов, зараженных гнилью, не допускается. Крепежные лесоматериалы предохраняют от гниения пропиткой или смазкой антисептиками. В качестве антисептиков применяют 2—4%-ный раствор фтористого натрия или хлористого цинка. Для придания дереву огнезащитных свойств крепь пропитывают фосфорнокислым аммонием или смесью фосфорнокислого и сернокислого аммония с керосиновым контактом Петрова.
Бетон — искусственный строительный материал, в состав которого входит вяжущее вещество — цемент, образующий с водой пластическую постепенно твердеющую массу, и заполнители—-песок, щебень, гравий. Состав бетона обозначают отношением, например 1:2:3, показывающим пропорции весовых (объмных) частей цемента, песка и щебня (гравия). Для возведения рудничной крепи применяют бетон составом 1:2:3; 1:3:5 и т. д. (марки бетона 100, 150, 300, 200 и реже более высокие). Марка бетона характеризует его прочность на сжатие. Для изготовления бетона применяют портландцемент марок 200, 300, 400, 500 и 600. Марка цемента показывает прочность на сжатие затвердевшей смеси цемента и песка в пропорции 1 : 3.
Бетон как крепежный материал имеет высокую прочность на сжатие, огнестоек, долговечен, обладает сравнительно низкой стоимостью, хорошо формуется. К его недостаткам относятся высокая трудоемкость возведения крепи и продолжительное время схватывания и твердения вяжущего компонента — цемента.
Если в качестве важущего вещества используют синтетическую смолу, то полученный бетон называют пластбетоном. Применяют пластические массы на основе синтетических смол различного состава (эпоксидная, фурфуролацетоновая). В качестве заполнителя используют песок и гранитный щебень. Пластбетон обладает морозостойкостью, высокой водонепроницаемостью и имеет хорошее сцепление с арматурой.
Торкретбетон — бетон, состоящий из цемента и песка, затворенных водой (цементно-песчаный раствор). Крупность песка в торкретбетоне — до 8 мм. При включении крупных фракций песка или щебня (до 25 мм) бетон называют н а-брызг-бетоном.
Отношение массы воды к массе цемента в таких бетонах находится в пределах 0,3—0,4. Отличительные особенности этих бетонов — способы приготовления бетонной смеси и ее укладки. Предварительно заготовленную сухую смесь цемента и заполнителей загружают в специальную пневматическую бетономешалку, из которой под действием сжатого воздуха под давлением 0,2—0,3 МПа смесь подают по шлангу, оборудованному на конце соплом. Затворение смеси водой происходит в сопле, и она сразу наносится на поверхность выработки. Набрызг-бетон в под
земных выработках становится одним из основных материалов для крепления выработок. Торкретбетон применяют для нанесения покрытий, предохраняющих породу от выветривания и отслаивания, а также с целью создания гидроизоляционных покрытий, усиления и ремонта бетонной крепи. Для ускорения твердения в бетон добавляют фтористый натрий в количестве 2—5% от массы цемента.
Бетон, армированный металлом, называют железобетоном. В качестве арматуры используют холоднотянутую проволоку и горячекатаную сталь диаметром до 10 мм. Железобетон применяют в виде монолитных конструкций и сборных элементов. Сборные железобетонные элементы крепи изготовляют из жесткого бетона на заводах с высококачественным уплотнением вибраторами. Возведение ручной крепи с предварительно напряженной арматурой (струнобетон) позволяет улучшить совместную работу бетона и металла в железобетонных конструкциях. При этом увеличивается прочность крепи на изгиб, снижается расход металла и вес конструкций.
Армоцемент — разновидность сборного железобетона, в котором арматурная сетка состоит из пакетов стальных проволок диаметром 0,5—1,5 мм (размеры ячейки не более 10 мм). Изделия из армоцемента применяют только в конструкциях, подвергаемых высоким нагрузкам, так как они требуют большого расхода металлической сетки (около 400 кг стали на 1 м5 изделия).
Металл — прочный, долговечный и огнестойкий крепежный материал, хорошо воспринимающий растягивающие нагрузки. Металлическую крепь выполняют из чугуна или стали. Из чугуна изготовляют тюбинги, башмаки под крепь, элементы соединения верхняков со стойками. Сталь применяют в виде литья (стальные тюбинги), проката различных профилей и металлических изделий: крючья, болты, хомуты, скобы.
Основное достоинство крепи П- и U-образного профиля — высокое сопротивление продольному и поперечному изгибу, косонаправленным нагрузкам. Форма профиля позволяет регулировать податливость крепи. Применяют также специальный (шахтный) желобчатый профиль СВП. Из этого профиля изготовляют элементы арочной металлической податливой крепи.
Металлическая крепь имеет большой срок службы, может повторно использоваться, легко монтируется и восстанавливается после деформации. К ее недостаткам относятся высокая стоимость и подверженность коррозии. Для борьбы с коррозией используют антикоррозийные покрытия красками, лаками, эмалями, цементно-песчаными растворами (торкретирование).
В практике горноразведочных работ металлические элементы крепи применяют в основном для крепления шурфов, особенно
круглого сечения (уголки, швеллеры, полосовая и прутковая сталь).
Естественные камни для крепления горных выработок применяют редко, их используют при кладке фундаментов под крепи из искусственных камней, бетона и железобетона. Искусственные камни — штучный крепежный материал, изготовляемый заводским способом,— бетониты и строительный кирпич. Бетониты—блоки прямоугольной и клиновидной формы, вес которых колеблется от 20 до 35 кг. Прямоугольные бетониты применяют для крепления стенок горизонтальных и наклонных выработок. Из клиновидных бетонитов сооружают криволинейные конструкции крепи (своды). Использование бетонитов ускоряет процесс возведения крепи по сравнению с монолитным бетоном. Крепь из бетонитов способна воспринимать горное давление сразу после ее возведения.
Стеклопластики — высокопрочный материал, получаемый смешением бесщелочного стеклянного волокна с синтетической смолой. Это высокопрочные, негорючие, химически стойкие крепежные материалы. Для крепления выработок применяют стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ). Он обладает следующими механическими свойствами: предел прочности на растяжение 480 МПа, на сжатие 420 МПа, относительная плотность 1900 кг/м3. Крепь из СВАМ в 3 раза легче деревянной крепи и в 7—8 раз легче железобетонной. СВАМ изготовляют из уложенных параллельно стеклянных (65—80%) волокон, скрепленных клеем БФ (35—20%).
Стеклопластики используют для изготовления элементов предохранительной крепи шурфов круглого сечения. Элементы крепи изготовляют прессованием, напылением и контактным способом. В качестве стеклонаполнителя применяют стекложгу-ты, стеклоткани, жгутовые ткани, стеклохолсты и стеклосетки.
§ 4.	Виды и конструкции рудничной крепи
В зависимости от формы горной выработки, размеров ее поперечного сечения, горного давления и других факторов рудничная крепь может быть деревянной, металлической, бетонной, железобетонной и каменной.
По сроку службы крепь бывает временной и постоянной. Временную крепь используют при проходке выработок в неустойчивых породах. Временную крепь вслед за подвиганием забоя заменяют на постоянную.
Горные выработки крепят рамной, арочной, сводчатой, кольцевой и штанговой крепями. По характеру работы различают жесткую и податливую крепи. Податливую крепь применяют в подготовительных горных выработках с малым сроком службы
Рис. 12.3. Деревянная рамная крепь:
а, о — неполная и полная рамы; / — затяжка, 2 — верхняк; 3 —расклинка; 4 — стойка; 5 — лунка; 6 — лежень
Рнс. 12.4. Виды соединения с верхняком:
а, б, в, г — «в лапу»; д — «в паз»; е — «в шип»; d — диаметр стойки
и неустановившимся горным давлением. Капитальные горные выработки крепят жесткой крепью.
Деревянная крепь применяется для крепления горизонтальных и наклонных выработок прямоугольной и трапециевидной формы поперечного сечения и выполняется в виде полных и неполных (рис. 12.3) крепежных рам. Полная крепежная рама имеет две стойки, укрепляющие стенки выработки, верхняк, поддерживающий ее кровлю и лежень, предохраняющий выработку от пучения почвы. Неполная крепежная рама имеет только стойки и верхняк.
В слабых породах полные и неполные рамы устанавливают вдоль выработки вплотную одна к другой. Такое крепление выработки называют сплошным. При креплении вразбежку крепежные рамы ставят в выработке на некотором расстоянии друг от друга. При этом между кровлей выработки и верхняками, а также при необходимости между стенками выработки и стойками крепежных рам кладут доски или обаполы, которые называют затяжками: Крепежные рамы при установке их в выработках расклинивают по углам. Стойки неполной крепежной рамы помещают в углубления почвы выработки — лунки. Эле-
Рис. 12.5. Деревянная крепь вертикальных выработок:
/г — сплошная венцовая; I — общий вид; // — узлы, крепления веицов: 1 — вандрут; 2, 4 — рядовой н опорный венцы; 3 — расстрел; б — венцовая на стойках: 1, 6 — рядовой и опорный венцы; 2 — стойка; 3 — вандрут; 4 —затяжка; 5 — расстрел; 7 — палец опорного венца; в — венцовая подвесная: 1 — рядовые венцы; 2— стойка; 3 — затяжка; 4 — под-вески; з — расстрел; 6 — опорный веиец
менты крепежной рамы соединяют между собой различными способами: «в лапу», «в паз», «в шип» (рис. 12.4).
Основу деревянной крепи вертикальных горных выработок составляет венец. Различают три типа конструкций деревянной крепи вертикальных выработок: сплошную венцовую, венцовую на стойках и подвесную венцовую (рис. 12.5).
Сплошную венцовую крепь и крепь на стойках возводят с опорного венца снизу вверх. Подвесная венцовая крепь возводится от опорного венца сверху вниз. Венцы при этом держатся на металлических подвесках. Чтобы крепь была прочной, венцы
ее расклиниваются по углам. Опорные венцы надежно укрепляются в лунках стенок выработки и служат основой для возведения крепи.
Деревянную крепь используют при небольшом сроке службы выработки и малом горном давлении.
Диаметр крепежного лесоматериала рассчитывают исходя из величины горного давления. Диаметр верхняка крепежной рамы рассчитывают на изгиб, как балку на двух опорах. В горизонтальных выработках при параболическом своде диаметр верхняка (м) вычисляют по формуле
d = 1,61 а у/	(12.13)
где а —полупролет выработки вчерне по кровле, м; р — плотность пород, кг/м3; L — расстояние между крепежными рамами, м; пп— коэффициент перегрузки, пп= 1,2; т— коэффициент условий работы для шахтной крепи, m = 0,85; tg<р •—коэффициент внутреннего трения пород; R — расчетный предел прочности древесины из круглых материалов при изгибе, Па.
Диаметр стойки принимают равным диаметру верхняка. Стойки испытывают сложное сопротивление от силы сжатия со стороны кровли и от поперечного изгиба под действием боковых сил.
Прочность стойки от продольного изгиба при сжатии и изгибе проверяют по формулам.
Металлической крепью поддерживают выработки трапециевидной, арочной и круглой формы. При креплении выработок трапециевидной формы применяют металлические крепежные рамы, которые изготовляют из двутавровых балок и рельсов. Стойки с верхняком соединяют уголками, накладками, муфтами, болтами или литыми башмаками. При слабой почве стойки устанавливают на стальные опорные плиты или с помощью опорных башмаков — на деревянные лежни.
Арочную крепь изготовляют из двутавров, швеллеров или специальных (желобчатых) профилей проката стали. Она может быть жесткой, податливой и шарнирной (рис. 12.6, а, б и в соответственно). Элементы арочной крепи соединяют с помощью соединительных планок и болтов (жесткая крепь) и замков-зажимов (податливая крепь). Шарнирная крепь состоит из двух стоек 3 и двух полуарок 1. К концам полуарок приваривают башмаки (обхваты), которые, опираясь на деревянные (металлические или железобетонные) прогоны 2, образуют шарнир.
Для крепления капитальных, подготовительных горизонтальных и наклонных выработок, пройденных в сложных и трещиноватых породах средней крепости, применяют также анкерную (штанговую) крепь.
Крепление выработок анкерами (штангами) позволяет скреплять слои непосредственной кровли к основной, отдельные слои
Рис. 12.6. Металлическая арочная крепь горизонтальных горных выработок
Рис. 12.7. Схема установки штанговой (анкерной) крепи: а — для крепления кровли б — для крепления кровли и боков
кровли, однородные трещиноватые породы. Крепь представляет собой металлическую, железобетонную, сталеполимерную или деревянную штангу, помещаемую в пробуренный шпур (рис. 12.7). Штангу в шпуре закрепляют клиновыми замками и распорными гильзами. Анкерная крепь, армируя массив породы в кровле и стенках выработки, упрочняет и повышает его устойчивость, препятствует развитию горного давления. В трещиноватых породах используют металлические или деревянные подхваты с затяжкой кровли металлической сеткой или деревом. Металлическая и деревянная анкерная крепи находят применение на горноразведочных работах.
При поддержании капитальных горных выработок сводчатой или круглой формы с большим сроком службы и значительным горным давлением применяют бетонную или железобетонную крепь.
Для возведения сводчатой или кольцевой бетонной крепи устраивают деревянные или металлические шаблоны — опалубку. С помощью этих шаблонов сооружают элементы крепи — вначале стенки или нижнюю часть крепи, а затем после затвердения бетона—-ее верхнюю сводчатую часть. Перед возведением железобетонной крепи сооружают требуемой формы арматуру из металлических прутков, дальнейший порядок работ аналогичен порядку устройства бетонной крепи. Бетонное крепление— сплошное по всей длине выработки. Наряду с монолитной крепью применяют также сборную железобетонную крепь рамной, арочной, кольцевой тюбинговой и крупноблочной конструкции.
Набрызг-бетонная крепь находит все большее распространение для крепления горноразведочных выработок. Эту крепь рекомендуется применять для поддержания трещиноватых и лег-ковыветривающихся пород с f>7 с целью предотвращения вывалов. В зависимости от крепости пород толщина крепи в пределах 3—7 см принимается одинаковой по всему периметру (почва не бетонируется). Применяют набрызг-бетон марки не ниже 400.
Набрызг-бетонную крепь возводят бетономашинами (БМ-68, БМ-70 и др.) или с помощью бетоноукладочного комплекса (БУК-2 или БУК-3).
Комбинированная крепь — это крепь, состоящая из нескольких конструкций. Эффективными признаны комбинации грузо-несущих крепей с крепями, позволяющими в той или иной мере использовать несущую способность массива пород путем создания единой системы крепь — массив. Находят применение в сложных горно-геологических условиях взамен деревянной и металлической рамной крепи следующие комбинации крепей: анкерная с набрызг-бетоном, набрызг-бетонная с металлической рамной крепью, сборные рамные и сплошные крепи с тампонированием закрепного пространства.
§ 5.	Технология возведения крепи в горизонтальных, наклонных и вертикальных выработках
При ведении геологоразведочных работ крепление выработок должно производиться своевременно и в соответствии с утвержденными для них паспортами крепления. Паспорт крепления составляется начальником участка геологоразведочных работ в соответствии с инструкцией и утверждается главным инженером. До начала проходки с паспортом крепления долж-
Рис. 12.8. Схема установки деревянной крепи в наклонных выработках:
с —неполная крепежная рама с распорками вверху; б — неполная крепежн-ая рама с распорками вверху н внизу; в — полная крепежная рама с распорками вверху и внизу; г — стойка; 2 — верхняк; 3, 4 — верхняя и ннжняя распорки; 5 — лежень
ны быть ознакомлены под расписку проходчики и технический надзор.
Крепление горизонтальных выработок. В этом случае деревянную крепь (крепежные рамы) в малоустойчивых породах устанавливают вплотную друг к другу (сплошная крепь) или через 0,5—1 м (вразбежку).
В конструктивном отношении деревянные крепи наклонных выработок (с углом наклона а<45°) аналогичны крепи горизонтальных выработок. Для придания наклонной крепи устойчивости по падению выработки между крепежными рамами устанавливают распорки. При углах более 20° распорки размещают вверху и внизу (рис. 12.8).
Выработки с углом наклона от 30° до 45° крепят полными крепежными рамами с установкой вверху и внизу распорок, а при а>45° возводят венцовую крепь и через каждые 3—5 м ставят опорные Венцы.
Возведение каменной и бетонной крепи начинают с устройства фундамента, располагаемого ниже почвы выработки и предназначенного для увеличения площади опоры и сопротивления стенок крепи боковому давлению. Затем сооружают деревянную или металлическую опалубку, за которую укладывают бетонную смесь. Свод возводят после затвердения бетона в стенках выработки. При каменной крепи опалубку применяют для возведения свода, при этом кладку свода ведут одновременно с двух сторон после выкладки стен выработки.
Опалубку снимают после затвердения бетона и достижения его прочности на 70% проектной. Наиболее распространенная форма каменной и бетонной крепи горизонтальных (наклонных) горных выработок — сводчатая с коробовым параболическим или полуциркульным сводом. Крепь выполняют из бетонов марки 150, 200.
Выработки с углом наклона до 15° крепят бетонной крепью так же, как и горизонтальные. Бетонная крепь выработок с уг
лами наклона 15—45° должна иметь фундамент с горизонтальной подошвой, поэтому фундаменты делают ступенчатыми.
При угле наклона выработок 45—75° крепят бетонной крепью кольцевой или сводчатой формы с обратным сводом. При этом через 15—20 м устанавливают опорные венцы.
В условиях геологической разведки бетонную крепь нередко применяют для крепления устьев штолен, а также в качестве крепи околоствольных дворов.
Набрызг-бетонную крепь возводят в следующем порядке: вначале готовят поверхность породы к бетонированию, заготовляют ускорители схватывания, загружают в машину сухую смесь, а затем наносят бетон на поверхность породы. Перед нанесением набрызг-бетона тщательно очищают стенки и кровлю выработки от отслоившейся породы и промывают их водой. При приготовлении смеси следует тщательно ее перемешивать, так как от этого зависит качество набрызг-бетонной крепи. Большое значение имеет расстояние от сопла машины до бетонируемой поверхности. Расстояние более 1,0—1,2 м приводит к потере материала и уменьшению прочности бетонного покрытия; расстояние менее 0,7—0,9 м — к изменению структуры покрытия. Закрепляют вначале стенки выработки, а затем кровлю в направлении снизу вверх (рис. 12.9). При возведении крепи необходимо постоянно контролировать толщину бетонного покрытия, что осуществляется с помощью различных маяков, специальных устройств и переносных лекал.
Набрызг-бетонную крепь применяют в породах средней устойчивости. Она обеспечивает создание устойчивой формы сечения выработки. Эта крепь может обладать различной несущей способностью и использоваться как в качестве ограждающих покрытий, так и в качестве грузонесущих конструкций.
Железобетонную крепь применяют для крепления выработок околоствольного двора, камер, сопряжений. Крепь бывает монолитной и сборной. Возведение монолитной крепи включает монтаж арматуры, установку опалубки и бетонирование. Сборную железобетонную крепь устанавливают в выработке путем монтажа готовых элементов.
Использование такой крепи по сравнению с монолитной резко повышает производительность труда и сокращает трудовые затраты. Возведение сборной железобетонной крепи можно механизировать, применяя различные крепеукладчики.
Крепление шахтных стволов производят деревом, металлом, бетоном и анкерной и набрызг-бетонной крепью.
Деревяннной крепью (сплошной венцовой и подвесной) крепят прямоугольные стволы в породах средней и выше средней крепости, имеющие срок службы не более 10—15 лет. Сплошную венцовую крепь возводят секциями (высотой не более 10—12 м) снизу вверх, начиная с опорного венца. Опорный
A- A
Рис. 12.9. Оборудование для крепления выработки набрызг-бетоном:
1— вагонетка; 2— ленточный перегружатель; 3 — машина ВМ-68; 4 цистерна с ВОДОЙ
Рис. 12.10. Элементы армировки ствола, закрепленного сплошной венцовой крепью_
'/ — прогоны; 2 —расстрелы; 3 — проводники
венец укладывают строго горизонтально, пальцы его плотно забутовывают или бетонируют. Венцы, укладываемые по отвесу на опорный, тщательно расклинивают.
В прямоугольных стволах элементами армировки являются прогоны, расстрелы, проводники, лестничные отделения. Элементы армировки ствола, закрепленного сплошной венцовой крепью, приведены на рис. 12.10. Прогоны — деревянные брусья сечением 200X200 мм, длиной 6—8 м крепят вертикально к венцам вдоль их длинной стороны винтами или костылями. Расстрелы— горизонтальные распорки между прогонами предназначены для укрепления проводников подъемных сосудов. Расстояние между расстрелами по вертикали 1,5—2 м.
Сплошную венцовую крепь применяют также для крепления шурфов и восстающих. Подвесную венцовую крепь возводят сверху вниз. Венцы изготовляют из брусьев прямоугольного (квадратного) сечения и располагают на расстоянии 0,8—1,5 м один от другого. Каждый венец подвешивают к расположенному выше венцу на металлических подвесках (крючьях). Между венцами по углам вдоль длинной стороны устанавливают стойки. Венцы расклинивают по углам, а стенки ствола затягивают досками. Подвесную крепь используют для крепления вертикальных стволов в крепких породах.
Стволы разведочных шахт круглого сечения крепят бетонной, набрызг-бетонной и анкерной крепью.
Бетонная крепь — монолитный цилиндр с опорными венцами, установленными через каждые 30—60 м. Применяют бетонную крепь и без опорных венцов. Крепь возводят снизу вверх. По окончании проходки звена в местах наиболее устойчивых пород в стенках ствола выполняют круговой вруб для сооружения опорного венца. При укладке бетона в опорный венец устанавливают крючья для подвески первого кольца временной крепи при дальнейшем углублении шахтного ствола. Над опорным венцом возводят бетонную крепь. Кольца временной крепи постепенно убирают. При возможности обрушения пород временную крепь оставляют внутри бетона.
Затраты труда на крепление подземных выработок составляют 20—25% общей трудоемкости работ по их проведению.
Механизмы, облегчающие выполнение отдельных операций по установке крепи, способствуют повышению производительности труда рабочих. Такими механизмами являются распорные подъемные стойки для подъема и установки верхняков деревянной крепи грузоподъемностью 2—3 кН, крепеподъемники грузоподъемностью до 5 кН; переставные крепеукладчики для установки верхняков сборной железобетонной крепи. Для возведения тюбинговых и блочных крепей применяют передвижные и универсальные самоходные крепеукладчики грузоподъемностью до 20 кН.
Анкерную крепь возводят с использованием средств механизации, обеспечивающих бурение шпуров и установку анкеров (завинчивание и затяжку гаек анкера).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Как проявляется горное давление в подземных выработках?
2.	С какой целью сооружают различную крепь в подземных горных выработках?
3,	Какие материалы используют для крепления горных выработок?
4.	Когда применяют временную крепь?
5.	Для каких форм поперечного сечения выработок применяют деревянную крепь?
6.	Какие типы конструкций деревянной крепи используют для крепления вертикальных выработок?
7.	Какие виды анкерной крепи применяют для крепления выработок?
8.	Какое оборудование используют для возведения набрызг-бетонной крепи?
9.	Когда применяют сплошную деревянную крепь?
10.	Какую конструкцию крепи используют для крепления стволов шахт круглого сечения?
Глава 13
ПРОВЕДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК
Проведение выработок — комплекс работ, выполняемых в процессе создания выработки. Принято разл