способ бурения шпуров

Формула изобретения

СПОСОБ БУРЕНИЯ ШПУРОВ, включающий подачу вращающегося бура с режущим инструментом на забой шпура, разрушение породы режущим инструментом и промывку шпура жидкостью, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости бурения по крепким песчаникам при одновременном снижении удельных затрат и расхода режущего инструмента, в качестве промывочной жидкости используют водные растворы карбонатов щелочных металлов Na₂CO₃ или K₂CO₃ с концентрацией 6 - 20%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а точнее - к способам ускорения бурения шпуров по крепким песчаникам, имеющим крепость 10 и более по шкале проф. М.М.Протодъяконова.

Известен способ бурения шпуров по горным породам, включающий подачу вращающегося бура с режущим инструментом на забой шпура, разрушение породы режущим инструментом, промывку шпура водой для удаления буровой мелочи (1).

Известный способ имеет следующие недостатки. Промывка шпуров водой способствует только удалению буровой мелочи и практически не влияет на скорость бурения, энергозатраты и расход режущего инструмента.

Известен способ ускорения бурения крепких песчаников, включающий подачу вращающегося бура с режущим инструментом на забой шпура, разрушение породы режущим инструментом, промывку шпура водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) (2).

ПАВ - это вещества, молекулы или ионы которых в водном растворе под действием молекулярных сил концентрируются на поверхности раздела жидкости и твердого тела. Эффект понижения твердости пород при использовании ПАВ основан на расширении активными веществами микротрещин, образующихся на забое скважины под воздействием породоразрушающих инструментов.

Существенным недостатком известного способа является неспособность ПАВ эффективно разрушать крепкие горные породы, в частности, крепкие песчанки, крепостью 10 и более по шкале проф. М.М.Протодъяконова, состоящие в основном из диоксида кремния.

Кроме того, известно, что в зоне разрушения породы режущим инструментом, особенно при вращательным бурении, температура повышается вследствие механического трения инструмента по породе, а в таких условиях активность ПАВ падает за счет снижения адсорбции - (2, с. 168).

Целью предлагаемого способа является повышение скорости бурения по крепким песчаникам при одновременном снижении удельных затрат и расхода режущего инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе бурения шпуров, включающем подачу вращающего бура с режущим инструментом на забой шпура, разрушение породы режущим инструментом и промывку шпура жидкостью, в качестве промывочной жидкости используют водные растворы карбонатов щелочных металлов NaCO₃ или К₂СO₃ с концентрацией 6-20 %.

В результате достигается растворение диоксида кремния, из которого в основном и состоят крепкие песчанки. Как следствие, существенно снижается механическая прочность крепкого песчаника, что и обеспечивает значительное повышение скорости бурения при одновременном снижении удельных энергозатрат и расхода режущего инструмента.

Сущность взаимодействия раствора щелочей и карбонатов щелочных металлов с песчаником состоит в следующем.

Песчаники как горная порода состоят в основном из диоксида кремния SiO₂, и представляют собой осадочную горную породу из спрессовавшегося песка. Песок - это крупинки кварца SiO₂.

В воде SiO₂ практически нерастворим. Являясь ангидридом кремневой кислоты, он легко переходит в силикат при реакции со щелочами:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O;

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O; (силикаты щелочных металлов растворимы в воде).

Аналогичным образом SiO₂ реагирует при реакции с карбонатами щелочных металлов:

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO;

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO;

Аморфный диоксид кремния можно легко перевести в раствор при взаимодействии с растворами NaOH, KOH, NaCO₃, K₂CO₃; при этом образуются растворимые в воде силикаты щелочных металлов (Реми Г. Курс неорганической химии, том 1, М., 1963, с. 534. Изд. иностр. лит. пер. с немецкого, XI издания).

Как установлено и предложено, одновременное комплексное воздействие температурного фактора (при механическом бурении) значительно усиливает химическое воздействие карбонатов щелочных металлов Na₂CO₃ или K₂CO₃ с концентрацией 6-20 %, что не порочит новизны предложенного способа.

Ослабленный таким образом крепкий песчаник легко разрушается инструментом и вымывается из шпура.

Законы химической кинетики - закон действия масс (Гельдберг, Вааге) и правило Вант-Гоффа утверждают, что с повышением концентрации реагирующих веществ скорость химической реакции возрастает (Некрасов В.В. Курс общей химии. М., 1954, с. 121 - 129).

На основе экспериментальных исследований, проведенных в Стахановском филиале КГМИ, установлена следующая зависимость требуемой концентрации раствора от крепости песчаника.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что в качестве промывочной жидкости для шпуров используют более активные (по сравнению с прототипом) водные растворы карбонатов щелочных металлов с концентрацией 6-20 %. При этом более высокие концентрации применяют при более крепких песчаниках и при необходимости значительного увеличения скорости бурения.

Кроме того, в отличие от прототипа, где применяемый раствор оказывает на породу только физическое воздействие, в предлагаемом способе предложенный раствор оказывает на породу активное комплексное термохимическое воздействие.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна". Поскольку предлагаемый способ характеризуется новыми признаками и новой совокупностью признаков, а именно - новым химическим составом промывочной жидкости, новой концентрацией ее, а также повышенной активностью воздействия на песчаник вследствие комплексного термохимического взаимодействия, то это обеспечивает в совокупности достижение нового совокупного эффекта - повышение скорости бурения при одновременном снижении энергозатрат и расхода режущих коронок. Поэтому предлагаемый способ соответствует критерию "существенные отличия".

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На чертеже изображено одно из возможных устройств, с помощью которых может быть реализован предлагаемый способ.

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из бура 1 с режущим инструментом 2, буровой машины 3, например, колонкового электросверла или пневмоперфоратора, муфты 4 на буре 1 для подачи промывочного раствора через канал в буре на забой 5 шпура 6, насоса 7 для принудительной подачи промывочного раствора из емкости 8, оросительного трубопровода 9 для подачи воды и емкости 10 для раствора карбонатов щелочных металлов. Гибкий шланг 11 служит для подачи раствора от насоса 7 в муфту 4 бура 1.

Устройство работает следующим образом. В емкости создают требуемую концентрацию промывочного раствора, заливая в емкость 8 требуемые объемы воды, карбонатов щелочных металлов Na₂CO₃ или К₂СO₃ соответственно из трубопровода 9 и емкости 10. Количество воды и щелочи, которое необходимо залить, определяют с помощью простейших расходометров (не показаны).

После создания в емкости 8 раствора необходимой концентрации, включают насос 7, посредством которого подают промывочный раствор по гибкому шлангу 11 в канал бура 1 через боковую муфту 4. Из канала бура 1 раствор поступает в забой 5 шпура 6, где термохимически взаимодействует с горной породой, преимущественно крепким песчаником, размягчая его. Химически размягченную породу легко разрушают режущим инструментом 2, которому сообщают вращательно-поступательное движение от буровой машины 2. Буровая мелочь вымывается из шпура 6 раствором. Отработанный раствор стекает самотеком по канавке на почве выработки в отстойник (не показаны). Из отстойника раствор после осадки породной мелочи может снова подаваться в емкость 8 для повторного использования, либо выдаваться на поверхность.

Использование предлагаемого способа ускорения бурения крепких песчаников обеспечивает по сравнению с существенными способами следующие преимущества:

1. Повышение скорости проведения подготовительных выработок за счет сокращения времени на бурение шпуров.

2. Повышение производительности труда бурильщиков, т.к. при размягченной породе реже приходится менять режущий инструмент за счет чего повышается коэффициент машинного времени.

3. Снижаются энергозатраты и расход резцов.

Экспериментальная проверка предложенного способа проведена на шахте им. Менжинского ПО "Первомайскуголь" при прохождении полевого штрека на гор. 1047 м, при коэффициенте крепости песчаника равном 11 по шкале М.М.Протодъяконова. Применение 9% -ного водного раствора Na₂CO₃ или K₂CO₃при бурении позволило сократить время бурения 78 шпуров (полный цикл) с полутора смен (9 ч) до одной смены (6 ч).