Бурильные машины § классификация бурильных машин и способов бурения

БУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН И СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

По назначению бурильные машины делятся на машины для образования шпуров по углю и горным породам и для проведения скважин различного назначения — разведочных, сбоечных, венти­ляционных, дренажных, дегазационных и др.

Шпурами принято называть цилиндрические полости, выполнен­ные в горной породе, глубиной до 5 м при диаметре до 75 мм. Шпу­ры большего диаметра называют скважинами, а длиной более 5 м — глубокими скважинами.

Бурильные машины, кроме того, классифицируют по способу разрушения горной породы, роду потребляемой энергии.

По первому признаку их подразделяют на машины с механиче­ским, физическим и комбинированным способами разрушения породы, по роду потребляемой энергии — на электрические, пнев­матические, гидравлические и комбинированные.

При механическом способе разрушения осуществляется непо­средственное воздействие специального бурового инструмента на разрушаемую породу. К этому способу относят ударно-поворот­ное, вращательное, ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение.

При физическом способе разрушения на породу воздействуют газами, жидкостями, электрическим током, теплом или другими видами энергоносителя. К этому способу относят огневое (терми­ческое), взрывное, ультразвуковое, гидравлическое и электро­гидравлическое бурение.

При комбинированном способе разрушения на породу воздей­ствуют с помощью механического и физического способов одно­временно.

Ударно-поворотное бурение (рис. IV.34, а) характеризуется тем, что клиновидный инструмент внедряется в породу под дей­ствием кратковременной, но значительной по величине ударной нагрузки F_yд, направленной по оси инструмента. При этом осе­вое усилие прижатия инструмента F_oc очень мало и обеспечивает только контакт инструмента с породой в момент удара. Крутящий момент M_KР также очень мал. После каждого удара вследствие упругости породы и инструмента последний отскакивает от забоя и поворачивается механизмом поворота на некоторый угол β (рис. IV.35), обычно равный 10—20°. Под действием ударной на­грузки происходит разрушение породы под действием бура (бо­розды 1—1, 2—2 и 3—3) глубиной h и скалывание ее под действием горизонтальной составляющей F₆:

,

где α = 90 ÷120^° – угол заострения бура.

Разрушенную породу удаляют из шпура или скважины про­мывкой, продувкой или другим способами. Основное достоинство ударно-поворотного бурения — возможность бурить породы кре­постью f = 6 ÷ 20.

С помощью бурильных молотков (перфораторов) бурят шпуры и скважины диаметром 20—150 мм и глубиной до 12 м и более, а станками ударно-канатного бурения — скважины диаметром до 300 мм и глубиной до 40 м и более.

К недостаткам ударно-поворотного бурения следует отнести периодичность воздействия инструмента на породу, причем время, затрачиваемое на удар, в десятки раз меньше времени на движение инструмента по направлению к забою, отскок и поворот. Кроме того, для ударно-поворотного бурения характерны значительные пылеобразование, шум и вибрация при работе.

Вращательное бурение (рис. IV.34, б) характеризуется тем, что резец под воздействием осевого усилия подачи F,,_c и крутя­щего момента М_КР движется поступательно на забой, отделяя по винтовой линии срез толщиной h. Ударные нагрузки при этом от­сутствуют. Разрушение породы может осуществляться резанием, смятием и раздавливанием. Удаление продуктов бурения из шпура или скважины производится с помощью витых штанг или шнеков, сжатого воздуха и воды.

К бурильным машинам вращательного действия относятся ручные и телескопные сверла, бурильные станки, длинноходовые бурильные машины вращательного действия, буросбоечные и буро-шнековые машины. Область их применения — малоабразивные породы с коэффициентом крепости до f = 6 ÷ 8, а при оснащении рабочего инструмента алмазами — крепкие и очень крепкие по­роды (f >10).

При вращательном бурении различают бурение сплошным забоем, когда порода разрушается по всей его площади, и кольце­вым забоем, когда в центре забоя шпура (скважины) остается колонка (керн) неразрушенной породы. Преимущества вращатель­ного бурения: непрерывность процесса, обеспечивающая высокую производительность; разрушение породы крупным срезом, что уменьшает пылеобразование и

удельные энергозатраты; отсутствие вибрации машин при работе. К недостаткам следует отнести огра­ниченную область применения по крепости горных пород.

Ударно-вращательное бурение (рис. IV.34, в) можно рассма­тривать как ударное с непрерывным вращением инструмента. Разрушение породы происходит под действием большой ударной нагрузки F_уд, передаваемой клиновидному инструменту (долоту), постоянно прижатому к забою с относительно небольшим осевым усилием F_оc при непрерывном вращении инструмента под воздей­ствием небольшого крутящего момента М_кр, достаточного для того, чтобы производить зачистку шпура (или скважины) от разру­шенной породы и срезать небольшую часть ее, слабо связанную с массивом.

Этот способ бурения реализован в буровых агрегатах, приме­няемых в рудной промышленности при бурении скважин диаме­тром 85—150 мм и глубиной до 70 м в крепких и абразивных поро­дах (f = 8 ÷20).

Вращательно-ударное бурение (рис. IV.34, г). Разрушение породы происходит под воздействием значительных по величине осевой нагрузки F_oc, ударной F_yjr, а также крутящего момента М_КР. При таком сочетании усилий основная часть энергии затрачивается на разрушение породы резанием, а ударная нагрузка увеличивает глубину внедрения резца. Область применения — неабразивные породы с коэффициентом крепости f = 6 ÷ 14.

Этот способ бурения реализован в основном на тяжелых буриль­ных машинах для бурения шпуров и скважин диаметром до 100 мм.

Огневой (термический) способ бурения из всех физических способов получил наибольшее распространение и применяется для прожигания скважин диаметром до 300 мм и глубиной до 30 м. Разрушение породы происходит за счет термонапряжений, воз­никающих при ее нагреве высокотемпературными газовыми стру­ями (2000—2500 °С), вылетающими из сопел горелки со скоростью до 2000 м/с. Под действием этих напряжений тонкий слой породы растрескивается и под механическим воздействием газовых струй разрушается на мелкие частицы, которые транспортируются из скважин паро-газовой смесью. Наиболее эффективной областью применения являются породы, имеющие кремнистое основание, или породы с низким коэффициентом теплопроводности, которые растрескиваются раньше, чем начинается их плавление.

Ультразвуковой способ бурения основывается на принципе совместного воздействия на горную породу высокочастотных уль­тразвуковых колебаний, накладываемых на инструмент, и кавитационного эффекта промывочной жидкости.

Гидравлический способ бурения основан на действии струй воды небольшого диаметра (0,8—1 мм), подаваемой на забой под высоким давлением (до 200 МПа) и со сверхзвуковой скоростью.

Электрогидравлический способ бурения осуществляется пода­чей высокого напряжения на контакты электрической цепи, рас­положенные на забое скважины, заполненной водой. При этом происходит пробой межэлектродного промежутка с образованием газового канала в месте пробоя. Давление в искровом канале в за­висимости от параметров разрядного контура достигает 600–1500 МПа. Расположение искрового канала в непосредственной близости от породы приводит к ее разрушению.

Ультразвуковой, гидравлические и электрогидравлический спо­собы бурения в настоящее время находятся в стадии теоретических и экспериментальных исследований и в промышленности не при­меняются.

К физическому способу относится также взрывобурение, ко­торое может осуществляться с помощью патронов жидких или твердых взрывчатых веществ, а также струйным способом.

В первом случае в промывочному жидкость, циркулирующую по спущенным до забоя скважины трубам, с определенной частотой подаются патроны с жидким или твердым ВВ, взрывающиеся от удара в забой. Во втором случае по специальным трубкам из емкостей к дозирующим приспособлениям забойного взрывобура поступают жидкие компоненты ВВ (горючее и окислитель), ко­торые затем подаются на забой и с помощью инициатора (сплава калия и натрия) взрываются.

Взрывобурение в настоящее время находится в стадии проверки.

Термомеханическое бурение относится к комбинированному способу разрушения горной породы. Сущность способа заклю­чается в том, что с помощью высокотемпературных газовых струй в поверхностном слое забоя скважины создается предварительное напряженное состояние, благодаря которому значительно облег­чается последующее разрушение породы механическим воздей­ствием (шарошечным долотом или другим буровым инструментом). Производительность станков термомеханического бурения на 30— 50% выше по сравнению с чисто шарошечным бурением.

МАШИНЫ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ

Машины ударно-поворотного бурения предназначены для бу­рения шпуров диаметром до 52 мм и глубиной до 5 м и скважин диаметром до 150 мм в породах средней крепости и крепких.

К машинам ударно-поворотного бурения относят бурильные молотки (перфораторы) и станки ударно-канатного бурения.

Бурильные молотки классифицируют:

по виду потребляемой энергии — на пневматические, электри­ческие и гидравлические;

по способу удаления буровой мелочи из шпура или сква­жины — с промывкой, продувкой и отсасыванием;

по частоте ударов – обычного типа и быстроударные (соответ­ственно до 2000 ударов в минуту и более);

по способу воздухораспределения – с клапанным, золотнико­вым, самораспределением и комбинированным распределением воздуха;

по способу установки и поддержания молотка при бурении – на ручные, колонковые и телескопные.

Помимо этого, различают обычные молотки, располагаемые вне шпура или скважины, и входящие в скважину (погружные молотки), а по массе условно различают легкие, средние и тя­желые молотки. При этом к средним относят ручные молотки мас­сой 20–25 кг, колонковые – 40–50 кг, телескопные – 35–45 кг и погружные 20–30 кг.

При бурении ручные перфораторы массой не более 12,5 кг держат в руках, а при большей массе устанавливают на специаль­ных приспособлениях – пневмоподдержках. Телескопные перфо­раторы оборудуют пневматическими поддерживающими и подаю­щими телескопными механизмами. Колонковые перфораторы — наиболее тяжелые, и для бурения их монтируют на винтовых рас­порных колонках, манипуляторах или буровых каретках, осна­щенных автоматическими подающими механизмами – автоподатчиками. Погружные перфораторы входят непосредственно в вы­буриваемую скважину и крепятся на конце штанги, закрепляемой в патроне подающего механизма.

В общем случае бурильный молоток состоит из корпуса и смон­тированного в нем ударно-поворотного механизма, воздухораспре­делительного устройства, механизма управления и устройства для очистки шпуров (скважин) от буровой мелочи.

Корпус ручного перфоратора, в свою очередь, состоит из голов­ки 1 (рис. IV.36), цилиндра 4 с направляющей втулкой 8 и пат­рона 9 с буродержателем 11. Ударно-поворотный механизм служит для нанесения ударов по буровому инструменту и его поворота. Он состоит из поршня-ударника 7 с поворотной гайкой 13, поворот­ного винта 6 с храповым устройством 5, поворотной буксы 10 и гранбуксы 12. Воздухораспределительное устройство 3 пред­назначено для попеременной подачи сжатого

Рис. IV.36. Ручной перфоратор ПР19

Рис. IV.37. Буровые коронки

воздуха в наружную или заднюю полость цилиндра перфоратора. Механизм управле­ния смонтирован в головке перфоратора и состоит из пускового крана 14 с рукояткой. Устройство 2 служит для выноса буровой мелочи и подавления пыли. Сущность работы перфоратора за­ключается в том, что сжатый воздух с помощью воздухораспредели­тельного устройства подается попеременно в правую или левую полость цилиндра, обеспечивая возвратно-поступательное дви­жение поршню-ударнику 7.

При движении вперед (рабочий ход) поршень-ударник наносит удар по буровому инструменту 15, а при обратном (холостом) ходе поворачивается на некоторый угол вокруг винта 6, поворачи­вая через буксу 10 и гранбуксу 12 буровой инструмент.

Рабочий инструмент. В качестве рабочего инструмента при ударно-поворотном бурении применяют буры или буровые штанги с головками или буровыми коронками. При этом буры могут быть цельными и составными.

Выбор типа бура и коронок определяется физико-механиче­скими свойствами породы и условиями бурения.

Наиболее широкое распространение в горной промышленности получили однодолотные и крестовые коронки, применяемые со­ответственно для бурения однородных монолитных и трещинова­тых пород. Соединение коронок и буров осуществляется за счет конусности с углом наклона 3° 30' или резьбы. Комплект коронок для бурения подбирают таким образом, чтобы каждая следующая Коронка имела диаметр на 1—3 мм меньше, чем предыдущий.

Буровая коронка состоит из корпуса / (рис. IV.37, а), который изготовляется из стали У7А или У8А и армируется твердым спла­вом 2 в виде пластинок или штырей. Для промывки шпура ко­ронка имеет отверстие 3. Лезвие коронки затачивается под углом заострения 90—120°.

Долотчатые коронки (рис. IV.37, а, б) для перфораторного бурения обычно имеют диаметр D, равный 32—65 мм, а кресто­вые — до 85 мм.

Крестовые коронки (рис. IV.37, в—д) обычно выполняют с центральным отверстием для промывки.

Коронки с опережающим лезвием (рис. IV.37, ё) используют для бурения скважин тяжелыми колонковыми и телескопными, а также погружными перфораторами.

§ 3. МАШИНЫ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

При вращательном бурении разрушение горной породы проис­ходит спиральными слоями за счет постоянного сообщения буро­вому инструменту осевого усилия подачи и крутящего момента.

К машинам вращательного бурения относят: ручные и колон­ковые сверла, применяемые в основном для бурения шпуров по углю и породам ниже средней и средней крепости, станки для бу­рения разведочных и взрывных скважин по породам любой кре­пости и гезенкобурильные и сбоечные машины. Последние при­меняют для бурения подземных вертикальных и наклонных выра­боток диаметром 1000—1500 мм по мягким и средней крепости по­родам.

Современные ручные сверла подразделяют:

по способу подачи бурового инструмента на забой — на сверла с ручной и механической подачей;

по роду потребляемой энергии — на электрические (соответст­венно подаче типа ЭР или СЭР или ЭМ), пневматические (СПР и СПМ) и гидравлические (СГР);

по типу управления — на сверла с непосредственным управле­нием и дистанционным (Д).

Ручное электрическое сверло (рис. IV.38) состоит из электродви­гателя, редуктора, выключателя и механизма подачи (если он

имеется).

Сверла с принудительной подачей могут применяться как для работы непосредственно с рук, так и с установкой их на поддерж­ках или легких распорных колонках.

Принципиальное отличие ручных сверл с принудительной пода­чей от обычных заключается в устройстве дополнительного бара­бана, на который наматывается с определенным тяговым усилием трос, создающий усилие подачи сверла на забой. Например, в свер­ле СРП-2 барабан подачи 14 (см. рис. IV.38) приводится во вра­щение с помощью дополнительной червячной передачи 12 и ци­линдрической пары 10—11. Переключением шлицевой муфты 8 можно получить две скорости вращения шпинделя 9. Крутящий момент при этом будет передаваться от двигателя 1 через зубчатые передачи 2—3 и 5—4 или 2—3 и 7—6. Передаточное отношение редукторов подбирается с таким расчетом, чтобы частота вращения буровой штанги находилась в пределах 300—900 мин"¹.

В сверлах предусмотрена возможность замены зубчатых пере­дач 2—3 для изменения частоты вращения коронки. Одновременно с вращением вала шпинделя вращаются шестерни 10—11, которые через червячную передачу 12 подсоединяются к малым дискам фрик­ционной муфты 15. Барабан подачи 14 связан с большими дис­ками фрикционной муфты и предназначен для наматывания троса 13 с крюком 17. Вращением штурвала 16, оборудованного резьбо­вым соединением, можно через пружину изменять усилие, сжимаю­щее диски фрикционной муфты и тем самым регулировать вели­чины передаваемых крутящего момента и тягового усилия на тросе. Электродвигатели ручных горных сверл должны иметь малую массу при сравнительно большой мощности и быть взрывобезопас-ными для применения в шахтах, опасных по газу или пыли. На­пряжение тока электродвигателей составляет 127 В.

Колонковые сверла, как имеющие большую массу и значитель­ное усилие подачи, устанавливают на распорной колонке. Подача бурового инструмента на забой осуществляется выдвижением шпинделя неподвижного ^сверла.

Колонковые сверла подразделяют на два типа: с гидравличе­ской и механической подачей шпинделя. Они предназначены для бурения шпуров в углях и породах с коэффициентом крепости / < 8.

Для установки колонковых сверл используют колонки, кото­рые раскрепляются в выработке распорным винтом.

Механические вращательные бурильные машины являются очень тяжелыми, поэтому их устанавливают на гидравлических манипуляторах бурильных установок или погрузочных машин.

Буровые машины основаны на применении мощных буровых головок, выполняющих функции вращателя. Кроме того, приводы вращателя и податчика разделены, что дает возможность обеспе­чить независимость их работы и получить на исполнительном ор­гане большие крутящие моменты и осевые усилия, необходимые для бурения крепких пород.

В кинематической схеме длинноходового электрического сверла ДЭС4 (рис. IV.39) обозначены: вращатель / с электродвигателем 10, автоподатчик с люнетами 6 для поддержания буровых штанг 8 с резцом 9. Податчик крепится на манипуляторах с помощью крон­штейна 7 и состоит из рамы 4 с направляющими для каретки уд­воителя подачи 15, гидроцилиндров 2 подачи и 3 распора со што­ком 5, упирающимся в забой. Подача буровой головки и создание осевого усилия на буровой штанге осуществляются гидроцилин­дром 2, шарнирно прикрепленным к раме податчика и оборудо­ванным на конце штока двумя звездочками 13, входящими в за­цепление с двумя цепями 12 удвоителя хода подачи. Цепи обра­зуют замкнутый контур на каретке удвоителя подачи 15 и прикреп­лены с одной стороны к кронштейну 14 рамы податчика и с дру­гой стороны — к основанию 11 буровой головки. Такая кон-­

Рис. IV.38. Электрическое ручное сверло СРП2: а — кинематическая схема; б — общин вид

Рис. 1V.39. Кинематическая схема длинноходового элек­трического сверла ДЭС4

Рис. 1V.40. Рабочий инстру­мент машин вращательного бурения

струкция позволяет удваивать величину подачи по сравнению с ходом штока гидроцилиндра до 3,5 м при осевом усилии 10 кН. Скорость подачи при рабочем и холостом ходах достигает соответ­ственно 3,2 и 6 м/мин.

Рабочий инструмент. В качестве рабочего инструмента машин вращательного бурения применяют витые или сплошные буровые штанги и резцы. Буровая штанга состоит из хвостовика 1 (рис. IV.40, а), тела 2 буровой штанги, головки 3 с отверстием для закрепления резца 4 и крепежного штифта 5.

Съемные буровые резцы (рис. IV.40, б—г) состоят из корпуса 2, хвостовика 3 и перьев /, заканчивающихся режущими лезвиями. Буровые резцы двух основных типов: РУ (рис. IV.40, в) и РП (рис. IV.4), г) соответственно для бурения по углю и породе армируют пластинками 4 из твердого сплава ВК-6, ВК-8или ВК-8В.