Для строительства дорожных одежд различных типов и конструкций требуется большое количество каменных материалов, для добычи которых производится разработка месторождений открытым способом. Места таких разработок называются карьерами.
В состав работ по добыче строительного камня, залегающего массивами, входят бурение шпуров и скважин для размещения зарядов взрывчатых веществ, взрывание породы, дробление крупных камней (монолитов), погрузка и транспортировка взорванной породы из карьера.
Производство буровых работ в карьерах осуществляется пневматическими перфораторами (бурильными молотками) и буровыми станками.
Бурильные молотки применяют для бурения шпуров диаметром до 75 мм и глубиной до 5—7 м, а станки — для бурения скважин диаметром более 75 мм и глубиной 10—300 м.
При разработке каменных карьеров скважины обычно бурят на глубину не более 30 м. Бурение станками называют глубоким бурением.
Помимо необходимости в довольно сложном и дорогом компрессорном хозяйстве недостатком пневматического бурения является малый к. п. д. бурильных молотков и трудность работы при низкой температуре воздуха.
Попытки заменить пневматические бурильные молотки электрическими (ударными и вращательными) пока успеха не имели. Также не получили распространения бурильные молотки с приводом от двигателей внутреннего сгорания (мотоперфораторы).
Процесс бурения состоит из операций: разрушения породы на две скважины (отделения ее частиц от общего массива) и удаления разрушенной породы (буровой мелочи) из скважины.
В зависимости от способа разрушения породы в забое (дне) скважины различают бурение ударное или ударно-поворотное, вращательное и ударно-вращательное. При ударно-поворотном бурении породу разрушают последовательными ударами рабочего инструмента по дну скважины. При этом, поворачиваясь на некоторый угол после каждого удара, буровой инструмент постепенно разрушает породу по всему сечению скважины и придает ей круглую форму. При вращательном бурении разрушение породы осуществляется непрерывным вращением резца, одновременно имеющего поступательное движение по оси скважины. Вращательное бурение производительнее ударного, так как при нем получается главным образом скалывание породы; при ударном же бурении в основном происходит дробление породы, а сопротивляемость горных пород скалыванию значительно меньше, чем сопротивляемость раздавливанию.
Данные о сопротивляемости некоторых горных пород приведены в табл. 1.
Вращательное бурение может быть успешно применено только при разработке мягких и ниже средней твердости пород (с коэффициентом относительной крепости f = 6/8 по шкале проф. Протодьяконова), так как стойкость резцов пока еще недостаточна.
Удаление разрушенной породы из скважины осуществляется:
1. При ударном бурении канатными станками — вычерпыванием специальным инструментом (желонкой). Для этого разрушенную породу переводят во взвешенное состояние, в связи с чем в скважину в процессе бурения подается вода.
2. При вращательном и пневматическом ударно-поворотном бурении — промыванием скважин водой или продувкой их сжатым воздухом.
Одним из важнейших факторов, влияющих на производительность буровой машины, является предел прочности породы при сжатии. Для характеристики крепости горных пород широко пользуются классификацией проф. М.М. Протодьяконова, согласно которой породы делятся на 10 категорий. Для каждой категории установлен коэффициент относительной крепости f — число, показывающее, во сколько раз данная порода крепче или слабее породы, принятой за единицу, причем за единицу крепости проф. М.М. Протодьяконов принял породу, которая разрушается при статическом действии нагрузки 100 кг/см2. Так, если порода разрушается при нагрузке 800 кг/см2 при одноосном сжатии, то коэффициент крепости ее равен 8. Категории и коэффициенты крепости пород по М.М. Протодьяконову приведены в табл. 2.
Практика показывает, что многим горным породам свойственна разная степень сопротивляемости различным видам воздействия на них.
Так, например, сопротивляемость гранита бурению во много раз больше, чем глины; сопротивляемость же взрыванию гранита и глины почти одинакова. С этой точки зрения классификация М.М. Протодьяконова в ряде случаев оказывается недостаточной.
Помимо классификации проф. М.М. Протодьяконова, пользуются также проектом новой «Единой классификации горных пород по буримости» и рабочими классификациями пород, разработанными горными предприятиями России.
Для установления норм выработки бурильщиков и расчета зарядов применяется классификация Союзвзрывпрома. В основу этой классификации, начиная с 5-й категории, положена буримость пород.
В этой классификации в качестве показателя принята затрата времени в минутах на бурение 1 м шпура диаметром 42 мм перфоратором ОМ-506 с буром, армированным твердым сплавом, при давлении воздуха 5 кг/см2.
Перечисленные ниже горные породы требуют следующей затраты времени на бурение 1 пог. м шпура в минутах:
Помимо описанных выше, ведутся исследования новых высокопроизводительных способов бурения, к которым относятся термический, электрофизический и гидравлический способы. Термический способ основан на разрушении и сплавлении породы высокотемпературными источниками тепла. Рабочим органом при этом способе служит термобур с реактивной горелкой, из которой со сверхзвуковой скоростью (1800 м/сек и больше) направляется на забой скважины газовая струя, имеющая высокую температуру (1400—1700°). Для охлаждения горелки и удаления продуктов разрушения из скважины используется вода.
В качестве топлива обычно применяется керосин, а в качестве окислителя — кислород. По опытным данным скорость термического бурения оказалась в 6 раз выше скорости ударного бурения.
Наиболее эффективен термический способ при бурении очень крепких пород с высокими абразивными свойствами, бурение которых обычными машинами затруднительно.
К электрофизическим способам бурения относятся ультразвуковой, электроимпульсный и высокочастотный. При ультразвуковом способе разрушение породы происходит от высокочастотных колебаний, создаваемых магнитострикционным вибратором. В основе физического процесса при этом лежит явление магнитострикции — изменение формы и размера тела (ферромагнитного стержня) при намагничивании.
В основе электроимпульсного способа лежит использование так называемого электрогидравлического эффекта, позволяющего превращать электрическую энергию в механическую. Источником электроэнергии при этом способе служат конденсаторы большой емкости, при помощи которых осуществляют электрические разряды в воде.
Во время разрядов возникают кавитационные пустоты и происходят гидравлические удары, связанные с явлением кавитации. Энергия кавитационных ударов используется для разрушения горных пород.
При высокочастотном способе для разрушения породы используют энергию специальных генераторов, создающих электрические или магнитные поля высокой частоты. Под действием магнитного или электрического поля горная порода нагревается, становится хрупкой и отделяется от массива в виде тонкого слоя. Это явление может быть использовано для проходки скважин.
При гидравлическом способе для разрушения породы используют энергию тонкой струи воды (0,8—1 мм), имеющей сверхзвуковую скорость Для создания давления воды до 2000 кг/см2 и выше служат специальные гидрокомпрессоры. Электрофизические и гидравлические способы проходят теоретическую и экспериментальную проверку.
Широкое применение начинает находить бурение скважин специальными станками с пневмоударниками (ударно-вращательное бурение) как наиболее производительное. Применяются такие станки для бурения скважин в крепких и весьма крепких породах. При бурении скважин станками ударно-вращательного действия с пневмоударниками обеспечивается высокая и устойчивая скорость бурения независимо от глубины скважины. Во время бурения разрушающий породу механизм находится на забое скважины и наносит коронкой удары по породе, а вращающий механизм расположен у устья скважины и вращает пневматический ударник и колонну буровых штанг.
Наиболее распространенными станками ударно-вращательного действия являются станки БМК-2Б и БА-100 м. Их используют для бурения скважин диаметром до 106 мм и глубиной до 35 м. Скорость бурения в породах с коэффициентом крепости 12—16 при давлении сжатого воздуха 5,5—6 кг/см2 достигает 8—10 м в смену.
Наибольшее применение в настоящее время имеет ударное (или ударно-поворотное) бурение, принцип которого использован как в пневматических бурильных молотках, так и в станках канатного бурения. Поэтому ниже рассматриваются основы теории ударного бурения.