Классификация бурильных машин и способов бурения

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

 

 

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.

МАШИНЫ   УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО И   ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОГО   БУРЕНИЯ

Машины ударно-вращательного  и вращательно-ударного бурения предназначены для бурения шпуров и скважин в породах средней крепости и крепких. Бурение этими машинами основано на комбинированном способе разрушения породы, объединяющем основные свойства ударного и вращательного воздействия на породу. При этом внедрение бурового инструмента в породу происходит в основном под действием удара, а лучшему скалыванию или срезанию породы способствует значительный крутящий момент, непрерывно прикладываемый к буровому инструменту мощным вращателем. Благодаря этому появляется возможность значительно уменьшить усилие подачи по сравнению с вращательным режимом бурения, что уменьшает истирание бурового инструмента при одновременном увеличении скорости бурения по сравнению с ударно-поворотным бурением. В зависимости от крепости породы основной объем разрушения может происходить как под действием удара, так и благодаря вращению инструмента. Соответственно преобладанию затрат энергии на основное разрушение и принято различать ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение.

Машины вращательно-ударного и ударно-вращательного бурения состоят из независимо работающих ударного и вращатель ного механизмов, смонтированных п одним корпуса или в разных. Основной отличительной чертой машин ударно-вращательного действия является наличие специально сконструированного погружного ударного механизма – пневмоударника, уходящего в; скважину вместе с буровой коронкой и обеспечивающего ей внедрение в породу в основном за счет ударов. Машины вращательно-ударного бурения оборудуют ударным механизмом, остающимся вместе с вращателем вне скважины. При этом ударный механизм выполняет вспомогательные функции относительно основного вращательного механизма.

В большинстве  ударно-вращательных и вращательно-ударных буровых машин ударные механизмы используют пневматическую энергию, а вращательные и подающие–пневматическую, электрическую или гидравлическую. Основными преимуществами ударно-вращательных буровых машин являются сохранение энергии удара на буровой коронке независимо от глубины скважины и возможность приложения к буровому инструменту большого крутящего момента. Машины вращательно-ударного действия создают буровому инструменту высокий крутящий момент, однако поворот бура у них не согласован с движением поршня-ударника. Поэтому машины ударно-вращательного действия обычно применяют для бурения глубоких скважин, а машины вращательно-ударного действия – для бурения неглубоких эксплуатационных скважин или шпуров.

Машины  ударно-вращательного бурения. При ударно-вращательном бурении буровой машиной является погружной ппевмо-ударник, которому через штанги передаются вращение и подача м на забой от установленных вне скважины вращателя и податчика. По ГОСТ 13879–73 погружные пневмоударники выпускают 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.

Первые два типоразмера  пневмоударников рассчитаны на бурение пород с коэффициентом крепости   f = 6÷20, а другие два – с коэффициентом крепости f = 12÷20 при расходе воздуха на 1 кВт не более 2,3 м³/мин. Частота ударов в минуту составляет 1700—2500.

Рассмотрим  конструкцию и принцип работы машины ударно-вращательного действия на примере пневмоударника П1-75 (рис. 41, а). Он состоит из цилиндра 2, в котором перемещается поршень 3, передней головки 5, в которую вставляется буровая коронка 4, закрепляемая шпонкой 6, и задней головки 1. Воздухо-распределение в пневмоударниках осуществляется так же, как в перфораторах. В пневмоударнике П1-75 применено, например, самораспределение сжатого воздуха поршнем. При холостом ходе поршня 3 сжатый воздух поступает через заднюю головку и каналы 12 в переднюю полость 13 цилиндра. Из задней полости 7 цилиндра в это же время происходит выхлоп по проточке 11 и выхлопным отверстиям 10. При рабочем ходе поршня впуск сжатого воздуха в заднюю полость цилиндра происходит по каналам 9, в то время как из передней полости происходит выхлоп.

Продувка  скважин осуществляется отработанным воздухом через продувочный канал 8.

В качестве бурового инструмента пневмоударников наибольшее распространение получили долотчатые, крестовые и трехлег* вийные буровые коронки с опережающим лезвием (рис. IV.41, б).

Машины  вращательно-ударного бурения применяются в основном для бурения шпуров и скважин при проведении выработок большого сечения. Основной отличительной чертой этих машин является большой крутящий момент, развиваемый специальным вращателем, работающим независимо от ударного механизма, но смонтированным в одном корпусе с ним.

Комплект  из бурильной машины и автоподатчика  называют бурильными установками. Эти машины классифицируют на отдельные группы по следующим признакам:

Рис. IV.4). Пневмоударник П1-75 (а) с трехлезвийной буропой   коронкой (б)

 

по частоте  ударов — с частотой ударов в  минуту 5000—7000 и 2500—4000;

по энергии  удара — с энергией до 50 Дж и 60—80 Дж;

по числу скоростей привода вращателя — одно-, двух- и трех-скоростные;

по конструкции  привода подачи — с автоматическим регулированием осевого усилия и без регулирования последнего.

Остальные параметры  вращательно-ударных бурильных машин обычно следующие: давление сжатого воздуха 0,4—0,6 МПа, расход воздуха   10—14 м³/мин,  диаметр коронки 42  мм,  длина шпура до 4 м; способ очистки и расход промывочной жидкости практически одинаковы во всех конструкциях.

Вращательно-ударные  машины состоят из следующих основных частей: бурильной головки, механизма подачи, штанги и буровой коронки. Например, бурильная машина БУ1 (рис. IV.42) состоит из пневматического двигателя /, редуктора подачи 2, клапана 3, крана концевого выключателя 4, бурильной головки 5, подвижного люнета 6, распорного домкрата 7, буровой штанги 8 и буровой коронки 9. Бурильная головка 5 перемещается с помощью механизма подачи по направляющей балке и производит бурение шпура на заданную глубину, после чего автоматическим или ручным включением механизма подачи на обратный ход отводится в начальное положение.

Вода к  бурильному инструменту подводится через муфту боковой промывки.

Подвижной люнет 6 служит для поддержания прямолинейности штанги 8 в процессе бурения шпура.

Масса бурильных  установок вместе с ходовым колесным или гусеничным оборудованием   составляет 2—3  т.

В качестве рабочего инструмента применяют коронки, аналогичные коронкам для перфоратора и имеющие несимметричную заточку. При этом для бурения пород мягких и ниже средней крепости передний угол у заточки лезвия принимается равным 10—15°, а для крепких пород — 20—25°. Угол заточки задней грани р = 45 ч-60°.

Основными параметрами  бурильных машин этой группы являются энергия единичного удара, число ударов за один оборот бурового инструмента, частота вращения и величина усилия подачи бурового  инструмента.

При этом особое значение имеет правильный выбор энергии единичного удара, которая должна быть достаточна для обеспечения объемного разрушения породы. Так, для пород с коэффициентом крепости/= 10-г-12и/= 14-1-16 энергию единичного удара рекомендуется принимать равной соответственно 40—50 и 70—80 Дж. При увеличении коэффициента крепости породы более 12 рекомендуется увеличивать частоту ударов на один оборот бурового инструмента с 20 до 30, а величину усилия подачи уменьшать с 12 до 8 кН.

При уменьшении крепости породы основное внедрение инструмента и объемное разрушение породы происходят под действием крутящего момента и осевого усилия, а ударная нагрузка носит лишь   вспомогательный   характер.

Теория работы и основы расчета ударного механизма  в машинах ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения аналогичны описанным для перфораторного (ударно-поворотного) бурения (см. § 2 гл. 3).