Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании

n 
* 

МОСКОВСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЪIЙ 

СОВЕТ 

ПредседателЪ 

Л.А.ПУЧКОВ 

Заuн.председ~еля 

л.х.гитис 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗНЯ 

М.В. КУРЛЕНЯ 

в.и.осипов 

э.м. соколов 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИВ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор мг~ 

чл.-корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАНВШ 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

Г.М. Крюков 

ФИЗИКА РАЗРУШЕНИЯ 

ГОРНЫХ ПОРОД 

ПРИ БУРЕНИИ 

И ВЗРЫВАНИИ 

Часть II 

Разрушение горных пород при бурении 

Раздел 1 

Внедрение зубьев в разрушаемую породу. 

Ударно-врашательный способ бурения 

2-е издание, стереотипное 

Допущеио )/чебно-.\/еmодическим объединениен ~·зов Poccuuc.;ou Федерацzт по образованию в об1асти 

гориого де1а в качестве учебного nocoб1U1 для студентов высших учебньtт заведений, обучающихся 110 

специа7ьности <<Взрывиое де.1о'' направленlUI подготов":и дш11о.11uроваиныт спецuа7истов «Горное де.•ю" 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

МОСКОВСКОГОГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2 
о о 7 

УДК 622.235 

ББК 33.133:35.63 

к 78 

Экспертиза проведена Учебно-методическим обьединением высших 

учебных заведений Российской Федерации по образованию в области 

горного дела (пись.мо Ng 51-126/6 от 24./2.03) 

Книга соответствует {{Гигшщическим требоtюнияw к изданшщ книжньtм для взрослых. Сан ПиН 1.2.1253-03», утвержденны.w Главны.:w 

государственным санитарным врачо.w России 30 марта 2003 г. 

Реl(ен"Jенты: 

д-р техн. наук Н. Н. Казаков (ИПКОН РАН); 

д-р техн. наук, проф. С.В. Иляхин кафедры горного дела и 

проведения подземных rорно-разведочныJit выработок (Московский государственный геологоразведочный университет) 

КрюкоаГ.М. 

К 78 
Физика разрушения горных пород при бурении •1 взры
вании. Ч. II. Разрушение горных пород nри бурении. Раздел 1. 

Внедрение зубьев в разрушаемую породу. Ударно-вращательный способ бурении: Учеб. пособие.- М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2007. 106 с. 
ISBN 5-7418-0313-Х 

Дана краткu ttнформация о раэныJ\ способах бурения взрыв11ых 

шпуров и скважин и о двуJ\ принципиально разных лроцессах разрушения горных nород буровыми инструментами. 

nодробно рассмотрена физИJ(а npoU«ca разрушении пород при внедрении в ни". зубьев буровы11i инструментов. nоказано, 'fТО д1111 реа.1Ьны11i процессов бурении двухзоннос распреzленис: налряжt:ниii в породе поз внсдряющимся зубом IIВ.'\JieТCЯ кваз1tстатическим. Приведена теореmчсская формула 

д..111 силы сопротивления породы внедрению в нес зубьев буровы". инструментов. удов.1е1110рите:rьно согласующаися с опьпиь1ми данными. 

Установлены общие формулы расчета скорости бурения. Даны примеры расчетов д.1я конкретных уоовий. 

Для студентов высших учебных заведений, обучаюшнхся по сnсц .. ащ.ноС"111 «Взрывное дело» направления подготовки диnпомировашJЬJ)( спецllалистов «Горное де:1011. 

ISBN 5-7418-0313-Х 

УДК 622.235 

ББК 33.133:35.63 

© Г.М. Крюков, 2004, 2007 
© Издательство .мrгУ, 2004, 2007 
© Дизайн книги. Издаrельство МIТУ, 
2004,2007 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

, 
Студенты специальности 091000- «Взрывное дело» после 

окончания МГГУ и получения высшего образования на производстве будут иметь дело с двумя основными процессами- это 

бурение взрывных шпуров и скважин и дробление горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ. Последний процесс 

подробно рассматривается в ряде специальных дисциплин. 

Первые же сведения о процессе бурения шпуров и скважин 

студенты указанной специальности получают при изучении дисциплины «Горные машины и оборудование)). В этой дисциплине им даются знания об основных типах буровых станков, 

силовых, энергетических, кинематических и других параметрах 

этих станков. Указьmаются также рациональные области применения разных станков. 

Физическая же сущность процессов разрушения горных пород зубьями буровых инструментов при разных способах бурения, влияние геометрических параметров зубьев и их размещения на наконечниках инструментов, режимных параметров бурения и свойств пород излагаются в настоящем учебном пособии. Освоив его содержание, будущие инженеры-взрывники смогут квалифицированно оценивать технико-экономические показатели (ТЭП) буровых работ на горных предприятиях, грамотно выбирать для конкретных горно-геологических условий типы буровых станков, буровые инструменты и режимные параметры бурения. 

Настоящее учебное пособие будет полезно также студентам, 

магистрантам и аспирантам других горных специальностей, изучающих буровзрывные работы. 

ВВЕДЕНИЕ 

Процессам разрушения горных пород при бурении взрывных шпуров и скважин посвящено большое количество работ. 

Во многих из них при теоретических оценках исполъзовались 

решения контактных задач теории уnругости, nредnолагая зубья буровых инструментов абсоmотно твердыми, а породы 
квазинепрерывнымыми, квазиоднородными, квазиизотропными и линейно-упругими. Однако эти решения сnраведливы только для первого этапа взаимодействия зубьев буровых инструментов с породой, nри котором имеет место лишь ее поверхностное истирание без объемного разрушения. 

В большом количестве работ изложены результаты эксnериментальных исследований процесса разрушения горных пород зубьями с разными формами рабочих nоверхностей и nри 

разных (динамическом и статическом) режимах нагружения. 

Обобщение результатов этих исследований и позволили сформулировать автору новую модель и теорию процессов деформирования и разрушения горной породы при внедрении в нее 

зубьев буровых инструментов. Основы этой теории и ее применение для оценки влияния свойств горных пород и режимных 

параметров на скорость бурения и технико-экономические показатели (ТЭП) буровых работ излагаются в настоящем учебном пособии. 

Глава 1 

СПОСОБЫ БУРЕНИЯ 

ВЗРЫВНЫХ ШПУРОВ 

И СКВАЖИН 

И ИХ КРАТКАЯ 

ХАРАКТЕРИСТИКА 

По сущности процесса разрушения пород все способы бу
ре,ния взрывных шпуров и скважин различают: 
• 
вращательный; 
• 
вращательно-ударный; 
• 
ударно-вращательный (ударно-поворотный); 
• 
шарошечный; 
• 
с помощью воздействия физических полей; 
• 
комбинированные. 

В настоящее время широко применяются только первые четыре способа, осуществляющие механическое нагружение и разрушение горных пород зубьями буровых инструментов. Оно 

осуществляется в результате приложеимя к последним со стороны буровых машин, станков или установок следующих энергетических, силовых и кинематических нагрузок: 

Рос-осевого усилия, Н; 

Мкр-крутящего мо~ента, Н·м; 
n- частоты вращения, с - 1; 
( 1.1) 

Ауд-энергии единичного удара, Дж; 

n-частоты ударов, с1
• 

Для очистки шпуров и скважин от продуктов разрушения 

(шлама), а также для пылеподавления на забой подаются сжатый воздух или вода, характеризуемые величинами: 

Q- расходом воздуха, измеряемым в м 3/с; 
( 1.2) 

qz- расходом воды, измеряемым в м 3/с. 

Величины (1.1) и (1.2) принято называть режимными параметрами бурения. Эффективность каждого способа, как правило, определяется двумя или тремя режимными параметрами из 

семи, приведеиных выше. 

Приведем краткую характеристику всех указанных выше способов бурения шпуров и скважин и отметим в каждом из них 

физическую сущность и некоторые особенности разрушения горных пород. Более подробное описание первых четырех способов бурения с разрушением пород зубьями буровых инструментов будет предметом специального рассмотрения и приводится 

ниже в последующих главах. 

9 

1.1. ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ СПОСОБ БУРЕНИЯ 

В рассматриваемом случае разрушение породы зубьями буровых инструментов происходит в результате приложения к 

ним нагрузок Рос, М,.Р при частоте их вращения n. 

Под действием постоянной нагрузки Рос на инструмент его 

зубья все время внедрены (вдавлены) в породу на глубину h •. 

Причем для силы сопротивления породы F сопр, Н, внедрению в 

нее одного зуба установлены соотношения вида 

(1.3) 

гдеВ-жесткость породы внедрению в нее зуба бурового инструмента, Н/м, определяется свойствами разрушаемой породы 

и формой рабочей поверхности зуба. 

За счет постоянно действующего крутящего момента Мкр 

буровой инструмент непрерывно вращается вокруг оси шпура 

(скважины), а его зубья двигаются по винтовой линии параллельна свободной поверхности забоя, скалывая (срезая) «стружку» породы толщиной hr:тp = N h8 , м, где N -коэффициент, име
ющий значения от l, l до l ,4. Конкретные значения N определяются свойствами породы и формой рабочей поверхности 

зубьев. При этом техническая (чистая) скорость бурения, м/с, 

(1.4) 

где k2 наименьшее число зубьев, разрушающих какое-нибудь одно кольцо на поверхности забоя шпура (скважины). 

Очистка шпуров (скважин) от шлама осуществляется либо 

шнеком, либо продувкой воздухом (Q), либо промывкой водой 
(q2). Иногда одновременно используются шнек и промывка водой, либо шнек и продувка воздухом. В редких специальных 

случаях для удаления из скважины шлама, содержащего глину, 

используются одновременно шнек, продувка воздухом и подача 

на забой мыльной воды при бурении скважин в породах с глинистыми нрослойками. 

Подчеркнем, что при вращательном способе бурения имеет 

место непрерывное разрушение породы на забое шпуров и скважин зубьями буровых инструментов при постоянном действИи 

на последние осевой нагрузки Рос и крутящего момента Мкр. 

Так что в этом случае можно говорить о непрерывной подаче 

энергии на разрушение породы в забое. Это одно из основных 

преимуществ вращательного способа бурения. 

10