Классификация буровых машин

Буровые машины, применяемые на открытых разработках, классифицируются по:

• способу разрушения горной породы;

• способу приложения силовой нагрузки к буровому инструменту;

• способу удаления продуктов разрушения от забоя скважины;

• роду потребляемой энергии;

• способу расположения скважины;

• назначению.

По способу разрушения горной породы буровые машины подразделяются на осуществляющие механические и физические способы разрушения, а также сочетающие вышеупомянутые – комбинированные. К первым относят: машины ударно-вращательного и вращательного бурения шарошечными и резцовыми долотами, производящие разрушение горной породы инструментом в соответствии с прикладываемыми к нему силовыми нагрузками; ко вторым: машины термического, взрывного, гидравлического, электрогидравлического и ультразвукового бурения, воздействующие на горную породу через жидкую и газообразную среду.

Механический способ бурения скважин осуществляется за счет непосредственного воздействия рабочего инструмента на породу, при котором в последней возникают высокие напряжения, превышающие предел прочности минеральных образований и приводящие к разрушению породы в области контакта с инструментом.

По форме и характеру воздействия бурового инструмента на породу различают бурение: ударное, вращательное резанием, ударно-вращательное, шарошечное, вращательно-ударное и комбинированное инструментом (режуще-шарошечным, шарошечно-ударным и др.).

Физические или физико-химические способы бурения разрушают породу через жидкую или газообразную среду термическим, взрывным, гидравлическим, электрогидравлическим, ультразвуковым, плазменным, лазерным и др. способами воздействия.

При термическом способе бурения разрушение (шелушeниe) пород происходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления в ней термических напряжений, превышающих предел прочности минерального образования.

Взрывное бурение (взрывобурение) может осуществляться с помощью ампульных или твердых ВВ. Ампулы с жидкими компонентами ВВ (окислитель и горючее) периодически подаются к забою скважины по трубам с водой. Твердые заряды ВВ с детонатором накольного типа автоматически подаются через сопло взрывобура на забой. Удаление породы из скважины осуществляется сжатым воздухом.

Гидравлический способ бурения осуществляется тонкой высоконапорной струей воды, подаваемой на забой со сверхзвуковой скоростью, однако с весьма высокими удельными затратами энергии.

Несмотря на создание и внедрение новых физических и комбинированных способов бурения, механическое разрушение горных пород при бурении, в первую очередь станками шарошечного бурения, остается определяющим, но каждый из механических способов имеет свою область применения и поэтому не может быть полностью вытеснен другими.

По способу приложения силовой нагрузки к буровому инструменту буровые машины подразделяют следующим образом.

Ударное осуществляется за счёт последовательно наносимых по зубилу (долоту) последовательных ударов кувалдой с определенной энергией.После каждого удара зубило поворачивается на некоторый угол, чтобы следующий контакт его лезвия с породой в скважине произошел по другой линии.

При ударно-канатном бурении вращательный момент к долоту не прикладывается. Перед каждым следующим ударом (в момент отскока) инструмент поворачивается на некоторый угол, благодаря упругим силам закручивания каната, обеспечивая, таким образом, разрушение породы по всей площади забоя.

При ударно-поворотном бурении вращающий момент незначителен, но инструмент непрерывно вращается вокруг своей оси. Порода разрушается, в основном, при внедрении лезвия инструмента под действием удара. Благодаря вращению инструмента, производится срезание породы, оставшейся в гребешках после удара. Если коронку не поворачивать, то после нескольких ударов поверхность соприкосновения лезвия с разрушенной породой настолько увеличится, что внедрение лезвия и разрушение горной породы прекратятся.

Рис 3.2 Схемымеханических способов бурения:

1 – канат; 2 – долото; 3 – ударно-поворотный механизм; 4 – штанга; 5 – вращатель;

6 – ударный механизм; 7 – шарошки; Р _уд – ударное воздействие; Р _ос – осевое усилие;

М _вр – крутящий момент; ω – угловая скорость вращения шарошки

Вращательное бурение резанием (рис. 3.2, в) осуществляется резцовым долотом, непрерывно срезающим и скалывающим частицы породы с забоя по винтовой линии передней гранью под действием приложенных осевого усилия Р _ос и момента вращения М _вр. Вращательное бурение резанием применяют только по слабым углям и породам средней и ниже средней крепости. Вращательное колонковое бурение алмазными коронками в пределах кольцевой щели, когда в середине остается керн, выдаваемый из скважины крупными кусками, применяют при проведения разведочных скважин.

Ударно-вращательный способ (рис. 3.2, г) с очетает признаки ударного и вращательного бурения резанием. При этом способе удары высокой энергии по хвостовику долота осуществляются с определенной частотой погружным пневмоударником при наложении постоянного, относительно небольшого осевого усилия и момента вращения. Порода выкалывается ударом долота, а оставшиеся гребешки срезаются при его повороте. Способ бурения применяется по крепким, очень крепким и абразивным породам.

Вращательно-ударное бурение (рис. 3.2, д) объединяет признаки ударного и вращательного способов. По буровому инструменту, прижимаемому к забою с осевым усилием Р_ос и вращаемому независимым вращателем, непрерывно наносятся удары через хвостовик штанги. Разрушение породы происходит скалыванием и срезанием частиц с забоя. Способ применяется для бурения наклонных и горизонтальных скважин в крепких породах. Широко реализуется во многих конструкциях станков зарубежного производства, а также в ряде отечественных станков типа СБУ.

Шарошечное бурение (рис. 3.2, е) осуществляется перекатыванием шарошки по забою при вращении долота с высоким моментом и усилием прижатия к забою. Зубья шарошки, набегая на забой, разрушают его ударом и резанием. Способ универсален и весьма распространен. Внешне бурение протекает как вращательное, однако, зубья шарошки имеют кратковременный (ударный) контакт с забоем, а оставшиеся гребешки на забое частично срезаются зубьями (или штырями) шарошек, создавая в них напряжения сдвига.

По способу удаления продуктов разрушения от забоя: с непрерывным их удалением, осуществляемым сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью (при шарошечном, вращательном бурении резанием и при пневмоударном; парогазовой смесью (при термическом бурении) либо витыми штангами (шнеками) с одновременной подачей и сжатого воздуха, либо только шнеками (при вращательном бурении); с периодическим удалением шламовой смеси из скважины либо с помощью желонок (при ударно-канатном способе бурения), либо с помощью желонок, заполняемых буровой мелочью продувкой скважины сжатым воздухом (при бурении глубоких скважин погружными пневмоударниками больших диаметров 400÷700 мм).

По роду потребляемой первичной энергии буровые станки подразделяют на: электрические, тепловые (дизельные), пневматические и гидравлические.

Буровые машины с электроприводом получают питание для сетевого двигателя от линий электропередач, тепловые от дизеля. К буровым станкам с пневматическим (гидравлическим) приводом относят машины, получающие питание от автономных пневматических (гидравлических) сетей или компрессорных (насосных) станций.

По способу расположения скважины станки подразделяют на станки для бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин.

По назначению буровые машины делятся на машины для бурения шпуров и небольших скважин (колонковые и ручные бурильные молотки – перфораторы) и для бурения скважин среднего и большого диаметра (буровые станки).

Буровые машины, используемые на открытых горных разработках, классифицируют следующим образом.

1. Машины ударного бурения:

• пневматические бурильные молотки – перфораторы с зависимым вращением бура;

• станки ударно-канатного бурения.

2. Машины вращательного бурения:

• станки вращательного бурения шарошечными долотами;

• станки вращательного бурения режущими коронками.

3. Машины ударно-вращательного бурения:

• станки с погружными пневмоударниками (пневмоударного бурения);

• перфораторы с независимым вращением бура и внескважинным ударником.

4. Станки комбинированного бурения (используют сочетания различных способов разрушения горных пород).