Гидравлическая буровая установка StopeMaster

Раздел XII.

Тема 19. Классификация способов бурения, буровых машин, области их применения. Общие сведения о буровых машинах.  Конструктивные схемы буровых машин вращательного (шнекового), ударного (ударноканатного, шарошечного, пневмоудрного), ударно-вращательного (с погружным пневмоудаником) термического и комбинированного бурения. Производительность буровых станков.

Процесс образования цилиндрических полостей (выработок) в гор­ной породе носит название бурения. Цилиндрическую полость диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м называют шпу­ром. Цилиндрическую полость диаметром более 75 мм при глубине до 5 м или любого диаметра при глубине более 5 м называют скважиной.

Способы бурения шпуров и скважин можно подразделить на два вида. К первому виду относят механические способы бурения, ко второму — физические способы (огневой, термомеханиче­ский, плазменный, электротермический).

При механическом бурении разрушение породы на забое шпура или скважины осуществляют внедрением в породу под действием механических усилий твердых тел — инденторов, при этом кри­сталлографическая структура разрушенных пород не меняется.

По характеру работы инструмента в забое и приложению сило­вых нагрузок механическое бурение можно разделить на следую­щие четыре способа: вращательный, вращательно-ударный, удар­но-вращательный и ударный.

Классификация способов механического бурения.

 

 

При вращательном бурении разрушение породы на забое сква­жины происходит благодаря движению инструмента, имеющего форму резца, по винтовой линии. Такое движение является резуль­татом сочетания вращательного и поступательного движений. Вращательно-поступательное движение инструмента на забое шпура или скважины осуществляется за счет приложения к буровому ин­струменту значительного крутящего момента (Мкр) и больших усилий (F). Ударные нагрузки при этом отсутствуют.

Бурение долотами шарошечного типа многие исследователи от­носят к ударному бурению, так как зубья долота, перекатываясь по забою скважины, имеют движение, сходное с движением удар­ного инструмента.

В горной практике скважины бурят долотами, вращающимися с небольшой частотой (1—1,5 с^-1), а следовательно, с малыми ско­ростями приложения нагрузок (менее 0,6 м/с). При этом порода разрушается в результате статического раздавливания, характер­ного для вращательного бурения.

При ударном бурении инструмент, заточенный в виде клина, внедряется в породу под действием кратковременного ударного усилия, направленного по оси скважины. При этом осевое стати­ческое усилие, необходимое для того, чтобы инструмент находился в контакте с забоем скважины, отсутствует или очень незначи­тельно. Инструмент после совершения удара отскакивает от забоя и может быть повернут на некоторый угол для нанесения удара по новому месту на забое. Крутящий момент, необходимый для поворота инструмента, имеет незначительную величину.

Если механизм вращения бурового инструмента и ударный ме­ханизм совмещены в одном корпусе, то такие машины носят на­звание перфораторов. Механизм вращения приводится в дей­ствие благодаря энергии поршня при обратном его ходе. Такой принцип построения бурильной головки реализован в перфорато­рах с геликоидальной парой. Эти машины относят к классу машин ударно-поворотного действия. Перфораторы, у которых вращение инструмента производится с помощью отдельного двигателя с ре­дуктором, носят название перфораторов с независимым вращением бура.

Ударные механизмы могут следовать в скважину за буровым инструментом. Они называются погружными.

По роду подводимой энергии бурильные машины подразделяют на пневматические, гидравлические и электрические.

Удаление буровой мелочи из шпуров и скважин при бурении производится сжатым воздухом, водой, воздушно-водяной смесью или вакуумом. Поэтому подразделяют бурение с промывкой, про­дувкой, с воздушно-водяной смесью и бурение с пылеотсосом.

При бурении шпуров (скважин) с продувкой применяют пыле­улавливающие устройства. Бурить без пылеулавливания запреща­ется.

Промывка у перфораторов может быть центральной или боко­вой. При центральной промывке вода подается к буру через бу­рильную головку по специальной трубке, а при боковой — в бур через муфту, которая встраивается в переднюю часть бурильной головки.

 

Условимся относить в группу машин, реализующих ударный способ бурения, все машины, у которых ударная забойная мощ­ность составляет 90 % и более общей мощности, расходуемой на забое, т. е. у них Ny  ≥ 10Nв.

При вращательно-ударном бурении режущая часть коронки внедряется в породу под действием осевого усилия и ударной на­грузки с одновременным вращением инструмента, благодаря чему происходит скалывание породы. Такой вид бурения позволяет подвести к забою наибольшее количество энергии, в силу чего вращательно-ударное бурение отличается высокой производитель­ностью. В машинах вращательно-ударного действия мощность ме­ханизма вращения значительно больше мощности механизма удар­ного. Для такого вида бурения справедливо соотношение Nв>Nу. Вращательно-ударное бурение применяют для пород с f=6…14.

При бурении пород более высокой крепости разрушение проис­ходит преимущественно за счет ударной нагрузки. На вращение инструмента при этом затрачивается меньшая мощность, а осевое усилие приходится уменьшать, так как большое осевое усилие в таких породах не способствует внедрению в них инструмента и вызывает повышенный его износ. Таким образом, в крепких поро­дах целесообразно применять ударно-вращательное и ударное бу­рение.

При ударно-вращательном бурении буровой инструмент благо­даря энергии вращения производит очистку забоя от разрушен­ных, но не отделившихся от массива частиц породы и разрушение небольшой части породы резанием.

Физические способы разрушения горной породы относятся к но­вым методам бурения и в настоящее время находятся в процессе ис­следований, промышленных экспериментов и внедрения отдельных типов машин.

Из электрофизических способов разрушения породы наиболее из­вестны: ультразвуковой, электроимпульсный и высокочастотный.

Огневой (термический) способ бурения получил наибольшее распространение из всех физических способов и применяется для прожигания скважин диаметром до 300 мм и глубиной до 30 м. Разрушение породы происходит за счет термонапряжений, возни­кающих при нагреве породы 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 скважины 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 в промывочной жидкости. При ультразвуковом способе горная порода разрушается за счет вы­сокочастотных колебаний, которые создаются магнитострикционным вибратором.

Гидравлический способ бурения основан на действии струй воды (небольшого диаметра — 0,8…1 мм), подаваемой на забой под высоким давлением (до 2000 кгс/см²) и со сверхзвуковой скоростью для разрушения горной породы.

Электроимпульсный способ – в основе способа лежит использование электро­гидравлического эффекта, который позволяет превращать энергию электрического разряда в механическую. Электроимпульсный 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 канале искры в зависи­мости от параметров разрядного контура достигает 6000— 15 000 кгс/см². Расположение искрового канала в непосредствен­ной близости от породы приводит к ее разрушению.

При высокочастотном способе разрушения создаются электричес­кие или магнитные поля высокой частоты, под действием которых горная порода нагревается и растрескивается с отделением тонких чешуек, что и может быть использовано для бурения скважин.

Взрывобурение может осуществляться с помощью патронов, жидких или твердых взрывчатых веществ и струйным способом. В первом случае в промывочную жидкость, циркулирующую по опущенным до забоя скважины трубам, с определенной частотой подаются патроны с жидкими или твердыми ВВ, взрывающиеся от удара о 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.    

Термомеханическое бурение относится к комбинированному способу разрушения горной породы. Сущность этого 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). Проводимые промышленные испытания станков комбинированного бурения дали увеличение производи­тельности на 30…50% по сравнению с чисто шарошечным буре­нием.

Области применения различных способов бурения.

Вращательный способ бурения. Вращательное бурение резанием реализуется бурильными головками вращательного действия, к ко­торым относятся сверла и станки. Указанное оборудование изго­тавливают с электрическим, пневматическим или гидравлическим приводами. Наибольшее распространение получили электрические приводы. Электрическая энергия, как более дешевая (в 15— 20 раз), предпочтительнее пневматической. Однако применение пневматического привода оправдано в шахтах, опасных по вне­запным выбросам угля или газа. В особо опасных условиях, на­пример при добыче нефти подземным способом в случаях необхо­димости бурения глубоких скважин, применяют станки с гидравли­ческим приводом. Воду к таким станкам под давлением подают по трубам от насосов, которые устанавливают в местах, опреде­ляемых правилами безопасности.

Электрические вращательные головки используют для бурения пород слабой и средней крепости (f<8). Ведутся исследования по применению указанных машин для бурения в более крепких породах. Машины для бурения шпуров резцами в соединении с ви­тыми штангами называют сверлами.

По виду применяемой энергии сверла подразделяют на электри­ческие (электросверла), пневматические и гидравлические.

Электросверла подразделяют на ручные и колонковые. Колон­ковые электросверла имеют механическую или гидравлическую подачу. Заводы выпускают все электросверла во взрывобезопасном исполнении. Наибольшее распространение в горной промышленно­сти получили ручные электросверла, которые применяют для бу­рения шпуров глубиной 1,5—3 м по углю и слабым породам с f<3 (каменная соль, сланцы). Диаметр шпуров 40—45 мм. Руч­ные электросверла выпускают массой 12—24 кг, частота вращения шпинделя 5—20 с^-1. Мощность электродвигателя не превышает 1,6 кВт. При бурении ручным электросверлом подача инструмента на забой осуществляется рабочим вручную, величина усилия по­дачи при этом составляет 200—250 Н. Скорость бурения 0,2— 1 м/мин.

Для бурения шпуров и скважин большей глубины (до 10 м) или в более крепких углях (антрацитах) и породах применяют колонковые электросверла. Масса таких электросверл 28—140 кг (без колонн и бурового инструмента). Мощность электродвигателя 1,4—4,8 кВт. Частота вращения шпинделя сверла при наличии сменных шестерен варьирует в широких пределах (1—17 с^-1). Современные подающие устройства развивают усилия подачи до 16 кН.

Заводы выпускают также пневматические сверла массой 10— 15 кг мощностью на шпинделе 1,5—2 кВт и вращающим момен­том 25—50 Н·м. Сверла выпускают для бурения с руки и пневмодержки.

Для бурения скважин в породах с f ≤ 8 применяют станки вра­щательного действия, выпускаемые с электрическим и пневмати­ческим приводами. Масса станка 200—400 кг. Частота вращения шпинделя 2,5—3 c^-1. Мощность двигателя 3—8 кВт. Осевое уси­лие 0,5—1,5 кН. Глубина бурения скважин диаметром 60—80 мм равна 60—70 м.

Для бурения резцами в мягких породах может быть применен любой станок, предназначенный для дробового или алмазного бу­рения.

Для бурения алмазами применяют специальные станки. Ко­ронка для сплошного или кернового бурения, армированная алма­зами, при вращении разрушает породу забоя скважины, которая потом выносится на поверхность водой. Алмазную коронку подают на забой с помощью буровых штанг, вращение и осевое переме­щение которым передается от станка. Станки для алмазного бу­рения отличаются портативностью, большой частотой вращения (7—50 с-¹). Мощность двигателя 2,5—12 кВт. Масса станка 50— 300 кг. Такими станками бурят скважины диаметром 33—93 мм и глубиной до 100 м.

На открытых горных работах при вращательном бурении ре­занием используют инструменты из резцовых коронок со шнековым буровым ставом. Диаметр скважины 115—160 мм. Для буре­ния скважин диаметром 115 мм применяют легкие станки массой до 2 т с ходовым устройством шагающего типа. Скважины диа­метром 125—160 мм бурят станками 2СБР-125-30, СБР-160А-24 (ГОСТ 20078—74). Станки оборудованы гусеничным ходом. Масса станка до 12 т. Мощность вращателя 40 кВт. Частота вращения бурового инструмента 2—3 с^-1.

Станки для бурения долотами шарошечного типа с воздушной очисткой скважин нашли наибольшее распространение в горной промышленности. На открытых горных работах такими станками бурят скважины диаметром 160—320 мм, глубиной до 40 м. Ча­стота вращения долота 1—3 с^-1. Масса станка 20—130 т. Такие станки применяют для бурения взрывных скважин по породам f=6…18.

Ударный способ. В практике разработки рудных месторожде­ний полезных ископаемых наибольшее распространение имеет ударное бурение переносными перфораторами с пневмодержками и телескопными перфораторами (ГОСТ 18093—79). Переносными перфораторами бурят шпуры диаметром 30—55 мм, глубиной до 4 м, а телескопными—скважины диаметром 40—85 мм, глубиной до 25 м. Перфораторами бурят скважины в породах с f=6…20 и выше.

Вращательно-ударный способ. Машины вращательно-ударного действия появились в последние двадцать лет. Из-за необходи­мости создания высокого осевого усилия машины этого типа имеют большую массу и высокую стоимость. Бурение такими машинами ведут с колесных или гусеничных установок. Бурят шпуры диа­метром 40—65 мм, глубиной до 4 м. Глубину бурения шпуров определяют длиной податчика, так как бурение производят цель­ными штангами. Опыт показывает, что машины этого типа целе­сообразно применять для бурения в породах с f=6…12.

Ударно-вращательный способ. При отбойке руды методом глу­боких скважин в подземных условиях бурят скважины глубиной до 50 м, диаметром 85—160 мм. Бурят такие скважины буровыми станками с погружными пневмоударниками. Станок состоит из механизма вращательного действия и пневмоударника, подавае­мого в скважину с помощью штанг. Благодаря тому, что ударное бурение не требует больших силовых нагрузок, указанные станки имеют небольшую массу. Станки просты в изготовлении, удобны в эксплуатации. Их широко применяют при бурении скважин диа­метром 85—125 мм.

На открытых разработках широко используют станки ударно-вращательного действия для бурения скважин диаметром 105— 160 мм и глубиной до 40 м в породах с f=10…20. Станки с погружными пневмоударниками выполняют как на колесном, так и на гусеничном ходу.

К машинам ударно-вращательного действия относят и мощные колонковые перфораторы с независимым вращением бура. Та­кими перфораторами бурят глубокие взрывные скважины диа­метром 46—85 мм, глубиной до 30 м в породах с /=6—20. Ко­лонковые перфораторы устанавливают на колонках или передвиж­ных установках.

В соответствии с изложенным области применения способов бурения шпуров и скважин можно подразделить следующим об­разом:

Р- осевое усилие на инструмент, Мкр- крутящий момент,

Nв- мощность на вращение, Nу – ударная мощность.

Nв=f [Mкр(Р)]   

Nу=0 — вращательный;

Nв>Nу — вращательно-ударный;

Nу>Nв — ударно-вращательный;

Ny  ≥ 10Nв—ударный.

 Общие сведения о буровых машинах. Конструктивные схемы буровых машин вращательного (шнекового), ударного (ударноканатного, шарошечного, пневмоудрного), ударно-вращательного (с погружным пневмоудаником) термического и комбинированного бурения. Производительность буровых станков.

Шахтные бурильные установки предназначены для бурения шпу­ров в породах различной крепости при проведении горных вырабо­ток, строительстве тоннелей, а также при ведении очистных работ в рудниках. Шпуры бурят вдоль оси выработки, в кровлю, бока и поч­ву выработки. Бурильные установки полностью механизируют про­цесс бурения, улучшают санитарно-гигиенические условия работы и частично механизируют процессы заряжания шпуров и крепления, вы­работки.

Бурильные установки разделяют на фронтальные и радиально-фронтальные. Фронтальными установками шпуры бурятся только вдоль оси выработки, радиально-фронтальными — вдоль оси выработки и пер­пендикулярно к ней.

 

 

 

 

По типу бурильных головок бурильные установ­ки подразделяют на оборудованные бурильными головками вращатель­ного (f < 8), вращательно-ударного (f = 8-14) и ударно-вращатель­ного (f= 12-20 и более) действия.

Бурильные установки подразделяют по роду пот­ребляемой энергии - на пневматические, электрические и комбини­рованные; по типу ходовой части – пневмошинные, колесно-рельсовые и гусеничные, а также по числу бурильных головок - 1 -3.

Шахтная бурильная установка состоит из следующих основных сборочных единиц: бурильной головки с податчиком, манипулятора, рамы с ходовой частью, привода, пульта и сис­темы управления.

 

 

Рис. 1. Шахтная бурильная установка:

1 — ходовая часть; 2 — привод хо­довой части; 3 — гидросистема; 4 — система управления; 5 — пози­ционер; 6 — манипулятор; 7 — бурильная машина

В настоящее время выпускает­ся большое разнообразие конструктивного исполнения самоход­ного бурового оборудования. В целях его унификации ГОСТ 20785-83 предусмотрен выпуск шести типоразмеров установок типа УБШ (Установка бурильная шахтная). Первая цифра после букв - означает размерную группу машин, последующие цифры - означа­ют порядковый номер модификации конструкции.

 

Размерная группа машин	Зона бурения, м
	высота	ширина
УБШ1	2.0	2.2
УБШ2	2.5	3.3
УБШЗ	3.6	4.5
УБШ4	5.0	6.0
УБШ5	7.0	8.4
УБШ6	10.0	9.4

 

Установка бурильная УБШ-221П

 

 

Гидравлическая буровая установка StopeMaster

Бурильные машины шахтных установок

 

Бурильная машина представляет совокупность бурильной головки и податчика, объединенных конструктивно. В шахтных самоходных бурильных установках в качестве бурильных головок широко используют колонковые пневматические перфораторы ПК-60А и ПК-75А с независимым вращением бура, гидравлические перфораторы, а также бурильную голов­ку БГА-1М.

Податчики предназначены для перемещения бурильных головок совместно с буровым инструментом с рациональным осевым усили­ем подачи на забой во время бурения шпуров и возврата их в исход­ное положение после окончания бурения.

Различают податчики постоянной длины, применяемые на буриль­ных установках фронтального и радиально-фронтального типов, ког­да линейные размеры выработки превышают длину податчика, и телескопические податчики, которыми обуривают забой выработки с полной раздвижностью податчика, а кровлю и боковые стенки — уко­роченными шпурами с помощью сложенного податчика.

В конструктивном плане податчики могут быть винтовыми, цеп­ными, канатными и канатно-поршневыми.

По типу привода различа­ют податчики с приводом от двигателя и от цилиндра, по применяе­мой энергии — пневматические и гидравлические.

Податчики характеризуются следующими основными парамет­рами: длиной подачи 2—4,5 м; усилием подачи 1,5—20 кН; массой 30-850 кг (обычно 350 кг); скоростью подачи бурильной головки при бурении до 0,3 м/с, а при обратном ходе — от 0,2 до 0,4 м/с.

    Рис.2. Винтовой податчик постоянной длины: 1- двигатель, 2 – ползун, 3 – тяги, 4 – амортизатор, 5 – бурильная головка, 6 – направляющие салазки, 7 –подвижный люнет, 8 – буровая штанга, 9 – неподвижный люнет, 10 – упор, 11 – гайка, 12 – винт, 13 – рама.

Телескопный податчик состоит из двух направляющих балок: нижнейи верхней. В процессе бурения бурильная головкаперемещается по верхней балке. Суммарный ход подачи складывается из хода подачи головки по верхней балке и хода верхней балки по ниж­ней. При бурении укороченных шпуров верхнюю балку соединяют с нижней фиксатороми длинную буровую штангу заменяют уко­роченной. Оба люнетажестко соединены каждый со своей балкой.

Имеются аналогичные конструкции телескопических податчиков с винтовым, цепным и гидравлическим приводами.

Рис.6. Схема телескопного гидравлического податчика: 1- верхняя направляющая балка, 2 – нижняя направляющая балка, 3 – гидроцилиндр.

Важный элемент бурильной установки — манипулятор, который предназначен для перемещения бурильной головки с податчиком в пространстве и ее фиксации в нужных точках для бурения шпуров.

Основными элементами современных манипуляторо в являются: основание, стрела и позиционер. Основание служит для крепле­ния манипулятора к раме установки. Стрела позволяет устанав­ливать бурильную машину в различные части забоя выработки. Позиционер служит для крепления бурильной машины на мани­пуляторе, придания ей нужного направления при бурении, а также для раскрепления ее в забое.

В качестве привода манипуляторов служат гидравлические ци­линдры, пневматические цилиндры или двигатели с червячными редукторами и винтами. Неоспоримыми преимуществами гидро­приводов являются быстрота действия, жесткость установки эле­ментов манипулятора и малые размеры.

Манипуляторы обеспечивают следующие движения бурильной машины:

- перемещение по горизонтали;

- перемещение по вертикали;

- изменение угловой координаты оси инструмента в вертикальной плоскости (наклон бурильной машины);

- изменение угловой координаты оси инструмента в горизонтальной плоскости (поворот бурильной машины);

- перемещение бурильной машины на забой (надвигание и распор);

- вращение бурильной машины, при котором она обращается к стенке выработки своим наименьшим габаритом, с целью максимального приближения оси шпура к контуру выработки.

Бурильные головки ударно-вращательного и вращательно-ударного действия. Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения предназначены для бурения скважин в породах средней крепости и креп­ких. Бурение этими машинами основано на комбинированном спо­собе разрушения породы, объединяющем основные свойства ударно­го и вращательного бурения. При этом буровой инструмент в породу внедряется в основном под действием удара, а лучшему скалыванию породы способствует значительный крутящий момент, непрерывно прикладываемый к буровому инструменту мощным вращателем. Вслед­ствие этого в этих режимах появляется возможность значительно умень­шить усилие подачи по сравнению с вращательным способом, что умень­шает истирание бурового инструмента. Кроме того, увеличивается скорость бурения, по сравнению с ударным способом. Машины удар­но-вращательного и вращательно-ударного бурения состоят из неза­висимо работающих ударного и вращательного механизмов, смонти­рованных соответственно в одном корпусе или в разных.

Основная отличительная особенность машин ударно-вращательного действия — наличие специально сконструированного погружного ударного механизма - пневмоударника, перемещаемого в скважине вместе с буровой коронкой и обеспечивающего ей внедрение в породу, в основном, за счет ударов, в то время как у машин вращательно-ударного бурения ударный механизм остается вместе с вращателем вне скважины и вы­полняет вспомогательную функцию по отношению к основному — вращательному механизму.

В большинстве ударно-вращательных и вращательно-ударных бу­ровых машин ударные механизмы используют пневматическую энер­гию, а вращательные и подающие — пневматическую, электрическую или гидравлическую. Основные преимущества ударно-вращательных буровых машин — сохранение энергии удара на буровой коронке не­зависимо от глубины скважины и возможность приложения к буро­вому инструменту большого крутящего момента. У машин ударно-вращательного бурения, которые обычно применяют для бурения глубоких эксплуатационных и разведочных скважин, ударным меха­низмом служит погружной пневмоударник, которому через штанги передаются крутящий момент и усилие подачи на забой.

Погружные пневмоударники по принципу работы аналогичны пер­фораторам, но выполняются без встроенного поворотного устройства, вращаются вместе со ставом штанг, вынесенным вращателем, и ра­ботают на воздушно-водяной смеси, что значительно упрощает их кон­струкцию.

Машины вращательно-ударного бурения применяются в основном при проведении выработок большого сечения для бурения шпуров и скважин и по принципу действия аналогичны тяжелым колонковым перфораторам с независимым вращением бурового инструмента. Не­обходимо отметить, что в последние годы в СССР и за рубежом наб­людается стремление использовать машины вращательно-ударного действия и для бурения эксплуатационных скважин. Основная отли­чительная черта этих машин - большой крутящий момент, развивае­мый так же как и у машин ударно-вращательного бурения специаль­ным вращателем, не зависящим от ударного механизма.

Бурильная машина вращательно-ударного действия, состоящая из вращательного и ударного механизмов, скомпонованных в одном корпусе, называется бурильной головкой.

Машины с погружными пневмоударниками

На рудниках получили распространение станки ударно-вращательного бурения с погружными пневмоударниками (БП) для бурения глубоких (до 50 м) скважин в породах средней крепости и крепких. Наибольшее распространение получили станки типа НКР (НКР-100МА, НКР-100МПА) оборудованные вращательным и подающим механизмами и погружным пневмоударником. Станки в конструктивном отношении выполняются обычно аналогично станкам вращательного бурения с пневматической подачей и при соответствующих режимах работы могут использовать­ся для бурения разведочных скважин резцовыми и алмазными корон­ками.

К машинам с погружными пневмоударниками относятся полуавтоматические буровые станки типа НКР и самоходные буровые станки для подземных разработок СБП-155/320, СБСП-56/320 и БП-160С (ГОСТ 26698-85). Станок НКР предназначен для бурения скважин в любом направлении по рудам и породам средней крепости, включая крепкие, диаметром 105-110 мм и глубиной до 50 м.

Полуавтоматический буровой станок НКР-100МА (главные конструкторы П. М. Емельянов и Э. Г. Чернилов) по­зволяет бурить скважины диаметром 85—105 мм, глубиной до 50 м. Двухшарнирное установочное приспособление станка позво­ляет бурить скважины в любом направлении.

 

Рисунок.1. Буровой станок НКР-100МА:

1—подающий патрон; 2 - пульт управления; 3 - ручная лебедка; 4 - распорная ко­лонка; 5-подающий цилиндр; 6-оградительный щиток; 7 - буровой став- 8—пневмоударник; 9 — электродвигатель; 10 — салазки с роликом; 11 — редуктор

При применении станка НКР-100МА механизируются спуск и подъем бурового става, развинчивание резьбовых соединений штанг. Буровые штанги диаметром 63,5 мм имеют большие проходные сечения для сжатого воздуха, что обеспечивает повышенную производительность, вследствие малого падения давления в бу­ровом ставе.

 

Рисунок 2. Принципиальная схема конструкции станка НКР —100:

1-редуктор с пневмозахватами; 2-буровая штанга; 3-погружной пневмоударник; 4-двигатель; 5—пневмоподатчик; 6-подающий патрон; 7-муфта для подвода сжатого воздуха.

Буровой станок НКР100МА (рис.2.) состоит из редуктора с пневмозахватами, подающего патрона с двумя пневмодатчика-ми, двигателя, бурового става, пневмоударника, распорной колон­ки. Пневмозахват удерживает и вращает буровой став, когда подающий патрон производит перезахват штанги. Подающий патрон предназначен для подачи и вращения бурового инструмен­та во время бурения или при выдаче его из скважины. При необходимости бурить глубокие восстающие скважины устанав­ливают два дополнительных подающих цилиндра (НКР-100МВА и НКР-100МПВА).

Распорная колонка служит для установки станка в рабочей камере и закрепления его для бурения скважин в нужном направлении. Применяют колонки для горизонтального и верти­кального бурения, которые различаются длиной трубной стойки.

Буровой став из отдельных свинченных между собой штанг (длиной 1.2 м каждая) предназначен для подачи пневмоударника в скважину, подвода к нему сжатого воздуха и крутящего момента.

 

Таблица 1. Техническая характеристика станков НКР-100

Тип станка	Диаметр скважины	Глубина бурения,	Усилие подачи,	Частота вращения	Крутящий момент,	Масса,
	мм	м	кН	с~1	Н.м
НКР100МА	105	50	6	1.3	330	425
НКР100МВА	105	80	12	1.3	330	450
НКР100МПА	105	50	6	2	330	420
НКР100МПВА	105	80	12	2	330	445

 

Для бурения станок НКР100МА устанавливают в камеры. Го­ризонтальные и слабонаклонные скважины бурят из камер высо­той 2,2 м и сечением 2,8х2,8 м. При бурении вертикальных сква­жин высота камеры должна быть 2,5—2,9 м. Если скважины бу­рят из выработок большой высоты, то колонка может быть уста­новлена горизонтально. При ударно-вращательном бурении буровой машиной явля­ется погружной пневмоударник. Пневмоударники изготовляются двух типов: с индексом П для открытых горных работ и с индексом ПП для подземных горных работ. Цифра, стоящая за буквами, указывает на диаметр скважины в миллиметрах, а следующая за ними — ударную мощность в киловаттах.

По ГОСТ 13879-73 погружные пневмоударники выпускают­ся четырех основных типоразмеров соответственно для бурения скважин диаметром 105, 125, 160 и 200 мм с ударной мощностью не менее 2.2; 3.1; 4.3 и 5.8 кВт при давлении сжатого воздуха 0.5 МПа. Технические характеристики пневмоударников приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Техническая характеристика пневмоударников

		Наружный						Масса
Тип пневмо-	Диаметр	диаметр	Масса	Ход	Число	Энергия	Ударная	пневмо-
ударника	долота, мм	пневмо-ударника, мм	ударника, кг	ударника, мм	ударов, с-1	ударов, Дж	мощность кВт	ударника, кг
М-29Т	85	68	1.75	76	25	54	1.73	10
ПП-105-2.4	105	92	2.8	72	28	93.2	2.4	16.8
ПП-105-2.2	105	92	3.2	55	32.5	73.5	2.2	15.5
П-105-2.6	105	96	3.0	—	27	96	2.6	22.6
П-155-4.1	155	140	5.5	70	30	140	4.3	40
П-200	200	175	19.3	—	10	420	7.9	110

 

Самоходные буровые станки предназначены для бурения скважин диаметром 155 мм с последующим расширением до 320 мм. Расширяют скважины с помощью расширителя как снизу вверх, так и сверху вниз.

Выпускается станок СБП-155/320 для буре­ния скважин диаметром 155 мм с последующим расширением до 320 мм. Станок смонтирован на ходовом устройстве, имеющем две бортовые передачи. Каждая передача имеет свой привод, состоящий из пневмодвигателя ДАР-14 и червячной пере­дачи. При необходимости буксировки станка колеса могут быть отсоединены от привода, в этом случае они свободно вращаются. В передней части станка есть кронштейн, на котором установлена рама податчика. Податчик поворачивается вокруг продольной оси станка на 360°, чем обеспечивается возможность бурения полного веера скважин. Податчик гидравлический, с удвоителем хода. Вращатель станка имеет двухступенчатый редуктор и два пнев­модвигателя ДАР-5.

В нижней части станка установлены гидрозажим и шламоуловитель. Гидроключ в средней части податчика применяется для страгивания резьбы при разборке бурового става. Штанги на станке диаметром 114 мм обеспечивают жесткость снаряда, бла­годаря чему скважины имеют минимальное отклонение.

Перед бурением скважины раму станка раскрепляют с по­мощью четырех домкратов. В транспортное положение податчик переводят с помощью цилиндра подъема. Высота станка 1500 мм.

Первоначально станком бурят пилотную скважину, диаметром 155 мм, а затем она проходится с помощью расширителя и получает диаметр 320 мм. Рас­ширяют скважины как снизу вверх (рис. 4, а), так и сверху вниз (рис. 4, б).

Рисунок 4. Схемы расширения скважин станком СБП-155/320

 

Горная промышленность вы­двинула требование создания станка для бурения скважин по кругу. Это связано с необходи­мостью проходить восстающие выработки взрывным способом без присутствия людей в забое. Первоначально бурят скважину в центре восстающего большого диаметра, а затем по кругам с различным радиусом—сква­жины меньшего диаметра. С этой целью спроектирован станок СБСП-56/320 (главный конструк­тор М. Г. Панков). Центральную скважину бурят в две стадии: вначале—диаметром 155 мм, а затем—диаметром 320 мм. Бу­рение производят с помощью пневмоударника. Отбойные скважины бурят радиально по контуру выработки. Параллельность бурения обеспечивается шарнирным устройством.

Проходка скважин станками шарошечного бурения.

В горной промышленности для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 160 — 320 мм и глубиной 32 — 60 м в породах с коэффициентом кре­пости f = 16-18 применяют станки шарошечного бурения. По массе Мс (т), развиваемому осевому усилию Рос (кН) и диаметру буримых скважин d (мм) станки шарошечного бу­рения подразделяют на три класса: легкие (Мс<40 т; Рос < 200 кН; dс < 215,9 мм), средние (Мc< 60 т; Рос <350кН; dc=2l6 - 269,9 мм), тяжелые (Мc> 85 т; Рос > 350 кН; dс > 269,9 мм).

Легкие станки применяют для бурения скважин по породам с ко­эффициентом крепости f = 6-16; средние — f = 10-16; и тяжелые — f до 18.

Принцип шарошечного бурения заключается в следующем - от станка через буровой став шарошечному долоту передаются крутящий момент и осевое усилие. При вращении шарошки (конусы или цилиндры с зубками), свободно сидящие на осях цапф долота, перекатываются по забою, при этом зубки внедряются в породу, и разрушают её. Удаление продуктов разрушения с забоя скважины производится водой или сжатым воздухом, поступаю­щими к забою через буровой став.

Рисунок 1. Станок шарошечного бурения БШ - 145 (П - 23)

 

Основными узлами станка являются: рама станка 1, в цапфах которой установлен вращатель для обуривания веера скважин, направленных под углом от 0 до 180°. Основание рамы выполнено в виде салазок. В выработке раму укрепляют при помощи распорных колонок. Вращатель 2 состоит из траверсы, служащей для крепления става штанг при наращивании и разбор­ке става, опорного узла, посредством которого осевое усилие от гидроцилиндров подачи передается на став штанг и долото, редуктора, передающего крутящий момент от электродвигателя на шпиндель. Гидроключ 3 служит для разборки става штанг.

Основные требования, предъявляемые к буровому станку для подземных горных работ, можно сформулировать следующим образом:

1. Высокая маневренность и транспортабельность;

2. Минимальные габариты для размещения в выработках небольшого сечения, отсутствие длинных деталей, затрудняющих транспортирование станка в выработках переменного направле­ния;

3. Обеспечение технологических требований отбойки: диа­метра, глубины и направления скважин при их минимальном искривлении;

4. Надежность станка, простота и удобство эксплуатации с минимальным количеством обслуживающего персонала;

5. Высокая производительность и относительно низкая стоимость бурения;

6. Технические данные станка должны обеспечивать бурение в наиболее эффективном режиме (усилие подачи, частота враще­ния, количество промывочного агента);

В настоящее время наметилось два направления в создании станков шарошечного бурения для подземных горных работ.

Первое направление — отделение от станка максимального числа узлов: маслостанции, оборудования промывки скважин, крана-укосины и т.п. Сам станок при этом осуществляет только вращение и подачу бурового инструмента;

Второе направление — создание самоходных станков на которых установлен весь комплекс основного и вспомогательного оборудования для бурения. Это направление оправдано только для условий, когда станок длительное время будет работать на одном горизонте, или наличии на руднике слепого ствола для транспортирования с одного горизонта на другой крупногабарит­ного тяжелого оборудования.

Буровой инструмент станков шарошечного бурения. Буровой породоразрушающий инструмент представляет со­бой шарошечное долото, выполненное из корпуса и шарошек, свободно вращающихся на цапфах. Шарошка является рабочей частью долота и представляет собой конус, на поверхнос­ти которого расположены зубки. Последние при перекатывании шарошек по забою скважины внедряются в породу под действием осевого усилия, прилагаемого к долоту. Разрушенная порода удаляется с забоя скважины сжатым воздухом или промывочным раствором.

 

 

Рисунок 2. Устройство шарошечного долота:

1 - резьбовой ниппель. 2 - канал для продувки, опор, 3-секция, 4 -обратный конус, 5 - цапфа, 6 -роликовый подшипник, 7 - шарошка, 8 - замковый шариковый подшипник, 9- твердосплавные зубья

Верхняя часть корпуса долота заканчивается резьбовым ниппелем, с помощью которого долото соединя­ется со ставом буровых штанг. При вращении бурового става вращается корпус долота и шарошки. Причем частота вращения шарошки во столь­ко раз больше частоты вращения долота, во сколько раз диаметр доло­та больше диаметра основания кону­са шарошек.

Величина сил, возникающих в зубьях, пропорциональна усилию подачи, создаваемому на долоте, и частоте вращения. Эта величина тем больше, чем дальше расположен зу­бок от оси скважины. Зубья, распо­ложенные на вершине шарошек, ра­ботают почти в безударном режиме и разрушают породу, благодаря смя­тию и срезу при проскальзывании. Зубья, расположенные у основания конуса шарошек, имеют наибольшую энергию удара и разрушают породу ударом и скалыванием.

Шарошки изготовляют из легированных малоуглеродистых сталей. Для увеличения твердости поверхность шарошек цемен­тируют на глубину 1.5-2 мм, а затем закаливают. Для уменьшения износа долот по диаметру тыльную сторону шарошек армируют трубчато-зернообразным сплавом ТЗ или цилиндрическими вольфрамо-кобальтовыми стержнями.