Буримость горных пород

Под буримостью горных пород, являющейся их горнотехнологической характеристикой, понимают способность сопротивляться проникновению в них бурового инструмента, или интенсивность образования в породе шпура (скважины) под действием усилий, возникающих при бурении. Буримость породы характеризуется скоростью бурения (мм/мин), реже - чистым временем бурения (мин/мм).
В случае установления этих показателей буримость определяется в ходе хронометражных наблюдений, как правило, эпизодического характера непосредственно на рабочих местах.
Буримость породы зависит от вида бурового инструмента и других факторов, определяющих условия разрушения породы в забое: характера развиваемых сжимающих и скалывающих усилий, крупности и формы частиц породы, энергетических затрат на разрушение и бурение в целом и др., что в совокупности характеризуется режимными параметрами.
Таким образом, буримость - это способность функционировать системы «порода - разрушающий инструмент -станок» с образованием скважины (шпура) в рациональных режимах с определенной скоростью и оптимальными затратами энергии.
По своему содержанию и конечному результату определение буримости в производственных условиях имеет целью установление норм выработки, определение производительности труда, расценок на бурение и общее планирование работ и потребностей в материалах, буровых долот, коронок и т.п.
По существующим инструкциям для определения буримости необходимо соблюдение ряда стандартных условий: бурение новым долотом (коронкой), при заданных осевых усилиях (или масс перфораторов) и частоте вращения (числа ударов бойка), давлении сжатого воздуха, глубине бурения и т.п.
На основании подобных массовых определений в различных условиях карьерного (рудничного) поля устанавливаются разновидности горных пород не только по петрографическому составу, но и по буримости.
В результате установления буримости разрабатываются различные классификации и шкалы с отнесением пород к соответствующим классам и категориям.
Имея в виду фактическую чрезмерную изменчивость физикомеханических свойств одной и той же породы (по петрографическому названию), но и разных часто перемежающихся пород, определение буримости в производственных условиях становится проблематичным и в большинстве случаев -бессмысленным. При этом следует иметь в виду также и то, что физико-механические свойства определяются, как правило, испытаниями образцов, лишенных макроскопических признаков структуры в отличие от свойств массива. Даже скрупулезные определения не способны дать адекватную с массивом пород картину.
Основным показателем буримости принята механическая скорость бурения. По этому критерию разработаны многочисленные отраслевые классификации (и на отдельных предприятиях) и шкалы буримости применительно к различным типоразмерам буровых машин и условий их использования. Унифицированной является классификация ЦБПНТ (бывшее центральное бюро промышленных нормативов по труду), в основе которой лежит показатель прочности пород на сжатие, разделяющая их на 20 категорий с шагом по прочности от 10 до 3000 кг/см2.
Кроме классификации ЦБПНТ также известны классификации А.Ф. Суханова для бурения шпуров, где в качестве показателя принято чистое время бурения 1 м стальными и армированными твердым сплавом коронками, а также продвижение забоя за 1 минуту и одновременно показаны петрографические характеристики для каждого класса пород. Широко распространена и классификация буримости по СНИПу с примерно аналогичными характеристиками и критериями применительно к вращательному бурению режущими и шарошечными долотами; имеется и классификация ЕНВ, где в качестве показателя принято чистое время бурения 1 м скважины на фоне категорий крепости по шкале ЦБПНТ.
Изложенные принципы, условия и способы установления численной величины буримости нельзя отнести к представительным и оперативным.
Таким образом, все классификации пород по буримости являются относительными. Буримость, оцененная по чистому времени или скорости бурения, отражает не только совокупность механических свойств горных пород, но и совершенство применяемого инструмента, режимов бурения и конструктивных особенностей буровой машины, должна определяться в конкретных производственных условиях.
Поиск способов, методов и критериев получения более достоверных и оперативных оценок буримости привел к использованию в качестве такого критерия удельной объемной работы разрушения. Идея использования этого показателя для оценки относительной крепости пород была высказана М.М. Протодьяконовым, а в 1948 г. по этому принципу Я.Д. Зайдманом и П.П. Назаровым была разработана классификация пород по буримости.
Поскольку В.В. Ржевским был предложен и оценен показатель трудности бурения, на его основании также была разработана классификация буримости. Для того, чтобы можно было воспользоваться энергетическим принципом оценки буримости, следовало убедиться в том, что энергетические затраты при бурении более объективны, чем ранее известные и что они в меньшей степени зависят от режимных параметров, в том числе изношенности долот. Кроме того, измерение энергозатрат должно производиться оперативно, достоверно и представительно.
В этом направлении в Институте физики и механики горных пород HAH KP, а затем в бывшем Фрунзенском политехническим институте выполнены комплексные исследования применительно к шарошечному бурению на многих карьерах бывшего СССР, среди которых Кальмакырский, Коунрадский, Саякский, Тастау, Сорский, Инкурский, карьеры объединения «Якуталмаз», карьеры Кольского полуострова и др.
Исследования проводились по единой методике при одновременной регламентации двух важнейших параметров бурения - скорости и удельной энергоемкости, связь между которыми представлена в виде:

где N - мощность, потребляемая двигателем вращателя, кВт; е -удельная энергоемкость бурения, кВт*ч/м.
Эти параметры регистрировались самопишущими ваттметрами Н-348, включенными в сеть двигателя вращателя. Примеры записи для различных по крепости пород показаны на рис. 2.11.

Графическое интегрирование мощности по времени позволило установить затраты энергии, которая расходуется на двигатель вращателя, насос гидросистемы и компрессор системы продувки. Затраты энергии на создание осевого усилия составляют не более 20% энергии, потребляемой двигателем вращателя.
Ранее Г.М. Крюковым, И.Г. Михеевым и С.И. Одинцом было установлено, что процесс разрушения шарошечными долотами происходит в основном за счет энергии вращателя, доля которой на порядок больше доли энергии осевого давления. Вместе с тем из общих затрат энергии на бурение необходимо вычесть энергию холостого хода. Непосредственные измерения во время экспериментов в производственном режиме показали, что погрешность, вносимая холостым ходом, не превышает 5-10%, соответственно для крепких и слабых пород.
Тщательная оценка всех систематических и случайных погрешностей позволила применить для регистрации затрат энергии совершенно надежные и серийно выпускаемые приборы, в основе которых использовались трехфазные счетчики, в том числе и прямоточные (без трансформаторов тока) в сочетании со счетчиком импульсов СЭИ-1.
Сопоставление измеренной удельной энергоемкости (кВт*ч/м) и скорости (м/ч) бурения показало, что связь между ними для станков 2СБШ-200 и СБШ-250 имеет вид:

Коэффициент корреляции показателей для разных карьеров колебался от 0,8 до 0,83. Более высоким он оказался для месторождений с преимущественно магматическими породами, а низким - для метаморфических или пород скарнового типа.
Числитель формулы представляет собой среднестатистический расход мощности на бурение, которая практически не зависит от физико-механических свойств пород.
В том случае, если сопоставлять удельную энергоемкость бурения с чистым временем проходки 1 м скважины, формула примет иной вид:

На основе этого И.А. Тангаевым и Я.М Додисом разработана классификация пород по буримости (табл. 2.4) с учетом закономерности распределения чистого времени бурения по шкале ЦБПНТ для большой гаммы горных пород в виде:

где tn - чистое время бурения для известной категории пород;
n - число категорий от известной до искомой;
ω - знаменатель прогрессии, равный 1,18.

Для уверенного использования параметра удельной энергоемкости бурения при оценке буримости и ее связи с физико-механическими свойствами пород, И.А. Тангаевым и Я.М. Додисом выполнен сопоставительный анализ этих показателей по нескольким месторождениям.
По данным табл. 2.4 построен график зависимости между удельной энергоемкостью бурения и временным сопротивлением пород сжатию (σсж, кг/см2) (рис. 2.12), которая подчиняется уравнению:

Коэффициент корреляции составил 0,96, что говорит об очень высокой тесноте связи между параметрами.
Для контроля правильности разделения пород по крепости на основе оценки удельной энергоемкости бурения разработанная шкала сопоставлена с классификацией Я.Д. Зайдмана и П.П. Назарова для ударно-канатного бурения. Несмотря на существенные различия в механизме разрушения при шарошечном и ударном бурении, при практически равных диаметрах скважин, при сравнении исходили из одинаковой степени дезинтеграции породы. В этом случае, согласно закону Риттингера, должны быть близкие значения энергоемкости процесса, что и подтвердилось при сравнении пересчитанных удельных объемных работ (табл. 2.5).

В процессе многолетних исследований сделана увенчавшаяся успехом попытка обоснования удельной энергоемкости бурения в качестве показателя буримости, исходя из физической сущности прочности свойств массива.
Известно, что массив горных пород, как правило, покрыт несколькими системами трещин различного генезиса, обусловливающими прочностные свойства массива, которые, как известно, довольно хорошо коррелируют с скоростью продольных волн. В свою очередь величина скорости звука зависит от степени трещиноватости массивов. Поэтому в ходе исследований по энергоемкости бурения на тех же участках и по тем же пробуренным скважинам производили измерения скорости продольной волны методом прозвучивания на глубине от поверхности 8-10 м. Прежде, на интервале 7,5-15 м измеряли расход энергии при бурении. В результате установлена корреляционная зависимость между удельной энергоемкостью бурения и скоростью звука в массиве, которая представлена в виде:

Коэффициент корреляции для Кальмакырского карьера составил 0,86, а для Коунрадского - 0,93, что свидетельствует об очень тесной связи и, следовательно, имеются доказательства и возможность выражения одного показателя через другой.

---