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.