Процесс бурения состоит из двух основных операций: разрушения (отделения) породы на дне скважины и удаления разрушенной породы из скважины.

В зависимости от геологических и гидрогеологических условий строительных котлованов и карьеров и их глубины различают следующие способы бурения: а) механический;
б) гидравлический;
в) термический;
г) электрофизический и
д) комбинированный.

Механическое бурение производят пневматическими бурильными молотками-перфоратами и специальными бурильными станками.

В зависимости от способа разрушения породы буровым инструментом применяют различные принципы механического бурения (рис. 161):
а) вращательное;
б) ударное;
в) вращательно-ударное;
г) шарошечное.

При вращательном бурении порода разрабатывается резанием и истиранием за счет непрерывного вращения резца — коронки бура, имеющего одновременно поступательное движение вдоль оси скважины. Вращательное бурение весьма производительно, так как осуществляется главным образом за счет окалывания, которому горные породы противостоят слабо. Процесс скалывания происходит непрерывно, вследствие чего достигается высокая скорость бурения.

Рис. 161. Схемы бурения

При вращательном бурении можно бурить скважины в различных направлениях — горизонтальном, вертикальном и наклонном, что является существенным преимуществом этого способа. Однако его целесообразно применять только при бурении горных пород «иже средней крепости, так как при бурении более крепких пород режущие кромки бура не в состоянии скалывать породу стружкой значительной толщины и разрушают породу истиранием. При этом скорость бурения падает, а резцы бурового инструмента быстро изнашиваются. Вращательное бурение крепких пород может быть эффективным лишь при использовании алмазных коронок.

При ударном бурении порода в забое скважины разрушается силой удара бурового инструмента, которым твердые породы раскалываются и дробятся, а мягкие породы режутся и сминаются. При ударно-поворотном бурении буровой инструмент, поворачиваясь на некоторый угол после каждого удара, постепенно разрушает породу по всему сечению скважины и придает ей круглую форму.

Ударом можно создавать очень большие удельные нагрузки на лезвии коронки бура. Кроме того, некоторые горные породы хрупки и под действием удара разрушаются легче, чем под действием статической нагрузки. Поэтому ударное бурение применяют для бурения скважин в породах любой крепости выше средней. В породах ниже средней крепости применять ударное бурение нецелесообразно, так как оно уступает по производительности вращательному.

Удары по породе можно наносить и при помощи зубьев шарошки, перекатывающейся по забою скважины при значительном усилии подачи. Шарошечное бурение внешне протекает, как вращательное: штанга, имеющая на конце шарошечное долото, вращается и подается на забой.

Вращательно-ударное бурение соединяет высокую производительность вращательного бурения и способность бурить крепкие породы, присущую ударному способу бурения.

Вращательно-ударное бурение осуществляется прижимаемой силой подачи к забою непрерывно вращающейся коронкой, по которой наносятся удары. Под действием ударов лезвие коронки внедряется в породу и разрушает ее. Процесс разрушения продолжается и в промежутках между ударами под действием вращения коронки, хотя и с меньшей интенсивностью.

Этот способ успешно применяют при бурении пород средней и выше средней крепости; скорость такого бурения в 2—3 раза выше скорости ударного бурения.

Разновидностью вращательно-ударного бурения является вибрационное бурение: непрерывно вращающийся буровой снаряд совершает частые колебания вдоль оси, чем достигается повышение скорости бурения.

Гидравлическое бурение осуществляется при помощи обсадных колонн, с применением насадок и вибраторов. Этот способ бурения применим только для бурения скважин в песчаных и глинистых грунтах и песчаниках средней крепости.

В современной практике гидравлическое бурение применяется главным образом при устройстве водопонизительных скважин.

В стадии эксперимента находится гидравлический способ бурения скважин в скальных горных породах за счет использования энергии тонкой струи воды (0,8—1,0 мм), имеющей сверхзвуковую скорость при давлении до 200 Мн/м2 (2000 кГ/см2) и выше, создаваемом специальными гидрокомпрессарами.

Термическое бурение основано на разрушении и сплавлении породы высокотемпературными источниками тепла. При быстром и сильном нагревании породы возникает неравномерное тепловое расширение слагающих ее кристаллов, в результате чего возникают значительные напряжения, приводящие к растрескиванию и разрушению породы.

Рабочим органом при этом способе бурения служит термобур с реактивной горелкой, из которой со сверхзвуковой скоростью (1800 м/сек и более) направляется на забой скважины газовая струя с температурой 2500—3500 °С.

Термический способ наиболее эффективен при бурении очень крепких пород с высокими абразивными свойствами, бурение которых обычным бурильным оборудованием затруднительно.

К электрофизическим способам бурения относятся ультразвуковой, электроимпульсный и высокочастотный.

При ультразвуковом способе бурения разрушение породы происходит за счет воздействия высокочастотных колебаний, создаваемых магнитострикциоиным вибратором. Физическая сущность этого процесса заключается Б явлении магнито-стрикции — изменении формы и размера тела (ферромагнитного стержня) при намагничивании.

Электр о импульсный способ бурения основан на получении мгновенных высоких давлений в жидкости в результате специально сформированных электрических высоковольтных разрядов.! Последние осуществляются при помощи конденсаторов большой емкости. В результате таких импульсных искровых разрядов возникают мгновенные давления, достигающие сотен и даже тысяч атмосфер.

В момент искрового разряда окружающей жидкости сообщается огромное ускорение, вследствие чего возникает гидравлический удар большой силы. Одновременно в жидкости происходит образование полости, которая мгновенно смыкается, вследствие чего получается второй, так называемый кавитаци-онный удар. В результате этих ударов в зоне электроискрового разряда создаются давления огромной величины, способные разрушать все неметаллические материалы, помещенные в зону действия ударов.

При высокочастотном способе бурения для разрушения породы в забое скважины используют энергию специальных генераторов, создающих электрические или магнитные поля высокой частоты. Под действием этого поля горная порода нагревается, становится хрупкой и отделяется от массива в виде тонкого слоя.

Термический, электрофизический и гидравлический способы являются наиболее производительными, однако они еще не вышли из стадии теоретической и экспериментальной проверки.

Применяемые для буровых работ машины классифицируют главным образом по способу разрушения горной породы, по роду потребляемой энергии и по назначению.

По способу разрушения горной породы бурильные машины разделяют на машины вращательного бурения, ударного (ударно-поворотного, вращательно-ударного) и огневого.

По роду потребляемой энергии бурильные машины делят на электрические, пневматические и тепловые.

По назначению бурильные машины делят на машины для бурения шпуров и небольших скважин (пневматические бурильные молотки, сверла ручные и колонковые) и машины для бурения скважин среднего и большого диаметра (станки вращательного бурения, станки с пневмоударниками, шарошечные ударно-канатные и станки огневого бурения).

Буровые работы выполняются при геологических изысканиях, при разработке карьеров, при рыхлении мерзлого грунта и скальных пород взрывным способом, при установке опор линий электропередач и связи и т. д. Различают механический, термический, гидравлический и электрофизические способы бурения.

При механическом способе бурения рабочий инструмент непосредственно воздействует на породу. Термическое бурение заключается в разрушении и сплавлении породы воздействием на нее высоких температур. При гидравлическом бурении порода разрушается водной струей, движущейся под большим давлением со сверхзвуковой скоростью. В электрофизических способах используются электрогидравлический эффект, высокочастотные колебания, энергетические тепловые поля. Гидравлический и электрофизический способы бурения пока не получили распространения, так как находятся в стадии разработки и исследования.

При назначении способа бурения учитывается крепость породы, размеры шпуров и скважин, общий объем буровых работ и т. п.

Бурильные машины классифицируют: – по назначению — машины для бурения шпуров (перфораторы, ручные и колонковые сверла) и машины для бурения скважин (ударно-канатные станки, станки вращательного бурения, станки термического бурения и др.); – по способу разрушения горной породы — машины вращательного, ударного и термического бурения; – по роду потребляемой энергии — электрические, пневматические и тепловые.

Перфораторы (пневматические бурильные молотки) подразделяются на ручные, телескопические и колонковые.

По способу воздухораспреде-ления перфораторы бывают с золотниковым и клапанным воздухораспределителем. По способу удаления буровой пыли перфораторы могут быть: с продувкой сжатым воздухом, с промывкой водой и с отсосом пыли.

Рис. 86. Станок вращательного бурения:
1 — долото; 2 — направляющая втулка; 3 — рама; 4 — буровая штанга; 5 — ручная лебедка; б — редуктор; 7 — блок; 8 — электродвигатель; 9 — каретка; 10 — переходная муфта; 11 — стальной канат; 12 — направляющие

Буровые станки применяют для бурения в мягких и средней крепости породах. Пыль из стволов шпуров и скважин удаляют водой под давлением или сжатым воздухом. В станке вращательного бурения (рис. 86) долото укреплено на направляющей втулке, получающей вращение через редуктор от электродвигателя, установленного на каретке. Каретка перемещается по направляющим, при помощи ручной лебедки, с барабана которой стальной канат через блок идет к каретке. Переходная муфта соединяет штангу и редуктор.

Наиболее распространенными станками ударно-поворотного бурения являются станки ударно-канатного бурения.

В станках ударно-вращательного бурения вращающийся резец внедряется при воздействии осевого усилия и удара. В стационарных карьерах с большой производительностью применяют станки термического бурения, представляющие собой самоходную установку на гусеничном ходу.

Термическое бурение состоит в следующем: буровой станок прожигает скважину в грунте с помощью высокотемпературных газовых струй, которые вылетают со сверхзвуковой скоростью из сопла реактивной горелки. В камере сгорания реактивной горелки температура газов достигает 200 °С, и разрушаемая порода выдувается потоком газов на поверхность. В корпус входят трубопроводы для передачи кислорода и топлива. Топливо поступает через форсунку в камеру и сгорает в кислороде, поступающем через отверстия в стенках труоы. Струя формируется в сопле и от угасания предохраняется башмаком. Аналогичным образом работают ручные термобуры с глубиной бурения до 3 м.