При вращательном бурении плоскость бурения первоначально-перпендикулярна
коси вращения (направлению подачи) резца, а затем при вращении и осевом
перемещении резца становится наклонной. У передней грани каждого лезвия
резца возникает уступ, высота которого соответствует толщине стружки.
Передняя грань резца соприкасается с породой не.по всей толщине стружки,
так как площадь соприкосновения — величина переменная. В начальный
момент после отделения очередного элемента стружки она незначительна.
При вращении резца происходит смятие породы передней гранью, а при
осевом перемещении — разрушение породы под лезвием. Площадь
соприкосновения передней грани с породой увеличивается до тех пор, пока
возникающие при этом по плоскости скалывания напряжения не превысят
предела прочности породы. В этот момент образуется новый элемент
стружки. Откол элементов стружки происходит под углом, который равен
обычно 150—160° и не зависит от крепости породы и геометрической формы
резца.
На скорость бурения влияет ряд факторов: осевое усилие, частота вращения
резца, крепость породы, форма и материал резца и способ удаления
разрушенной породы. По Л. А. Шрейнеру, при вращательном бурении каждая
точка лезвия резца описывает в шпуре винтовую линию.
Анализ результатов исследований отечественных и зарубежных ученых
показывает, что с увеличением осевой нагрузки механическая скорость
бурения возрастает. При этом осевая нагрузка и характер роста скорости
бурения зависят от типа долота и физико-механических свойств буримых-
пород.
С увеличением частоты вращения бурового инструмента скорость бурения
возрастает, а стойкость долота снижается. Таким образом, повышения
скорости бурения можно достичь увеличением частоты вращения долота и
увеличением нагрузки на него. При определении зависимости между этими
величинами предполагают, что частота вращения ротора обратно
пропорциональна осевой нагрузке.
Если при таком сочетании факторов режима бурения увеличить осевую
нагрузку на долото или частоту вращения ротора, но не улучшить условия
удаления из забоя продуктов разрушения пород, скорость проходки не
увеличится. Практика применения шарошечных долот с продувкой скважин
сжатым воздухом показывает, что при интенсивном удалении продуктов
бурения скорость проходки возрастает на 18—20%, сокращаются потери
полезного объема скважины, увеличивается стойкость долота, уменьшаются
непроизводительные затраты времени и энергии.
Для бурения шпуров и скважин в мягких породах и породах средней крепости
применяют электросверла, пневмосверла, станки со спиральными штангами, с
шарошечными долотами, со шнеками. При бурении крепких пород обычно
используют колонковые электросверла, обеспечивающие осевое усилие на
резец до 15 кН и крутящий момент на патроне до 45 кН-м. Пневмосверла
применяют в шахтах, опасных по концентрации газа или пыли.
Отечественной промышленностью выпускаются станки, предназначенные для
бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин. Станки
снабжены сменными рабочими органами, позволяющими бурить нескальньге,
мерзлые грунты и скальные породы незначительной крепости инструментом
режущего типа, а крепкие породы — шарошечными долотами.
Станки с шарошечными долотами находят все более широкое применение. На
открытых горных разработках и при строительстве инженерных сооружений
объем работ, выполняемых с помощью этих станков, вырос за последние 8—9
лет с 9 до 70%. Техническая характеристика станков шарошечного бурения,
применяемых на открытых разработках, приведена в работе.
Станки оборудованы гидравлическим механизмом подачи. Бурение ведется
обычно с продувкой сжатым воздухом, для чего на станке устанавливаются
компрессор и пылеулавливатель. Воздух для продувки подается через
внутренний канал штанги и по кольцевому зазору между штангой и стенками
скважины со скоростью 18—20 м/с возвращается в устье скважины, закрытое
кожухом, откуда отсасывается вентилятором.
При бурении скважины с промывкой вода подается в забой по среднему
каналу долота. Для лучшей очистки забоя от буровой мелочи используют
насадки, направляющие струю воды к месту разрушения породы.
В процессе бурения долото затупляется, вследствие чего уменьшается
диаметр скважин. Для продолжения бурения используют новое долото,
диаметр которого должен быть на 4—5 мм меньше прежнего. При бурении
глубоких скважин такое уменьшение диаметра скважины может быть довольно
значительным. Во избежание этого работу ведут долотами с расширителем.
Особенно интенсивно изнашиваются долота при бурении обводненных пород,
так как жидкий шлам закупоривает продувочные отверстия и поступление
воздуха в зону подшипников прекращается, что приводит к их нагреву,
износу и заклиниванию.
Наиболее реальным и перспективным направлением повышения стойкости
выпускаемых в настоящее время долот является применение принудительной
смазки опор шарошек в сочетании с продувкой их сжатым воздухом. В
отдельных случаях буровые колонки армируют алмазами; тогда бурение
ведется обычно с промывкой водой.