Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок

Подождите немного. Документ загружается.

При указанных двух способах бурения порода разрушается в основном

в результате ударов. При вращательно-ударном бурении удары наносятся

по непрерывно вращающемуся под большим осевым усилием инструменту.

При вибрационном способе происходит погружение специального

забойного инструмента, обычно цилиндрической формы, в рыхлую по-

роду под действием вынужденных продольных колебаний – вибраций и

осевого усилия.

При способе задавливания происходит погружение породоразру-

шающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра,

в мягкую породу под действием осевого усилия. Разрушаемая порода в

этом случае уплотняется в стенках скважины.

При вибрационно-вращательном способе разрушение пород происхо-

дит при вращении специального инструмента и действии осевого усилия.

В результате взаимодействия

инструмента с породой наблюдаются

три основных типа разрушения.

Первый – разрушение под лезвием инструмента монолита в мелко-

дисперсную массу. Размеры частиц меньше глубины внедрения инстру-

мента и меньше первоначальных кристаллов и зерен породы.

Второй – скалывание по краям зоны дробления, которое за счет не-

однородности и начальных дефектов в породе приводит к

тому, что

размеры зоны разрушения несколько отличаются от правильных. Раз-

меры частиц значительны.

Третий – образование трещин в породе под зоной (ядром) измель-

чения, позволяющих при повторных воздействиях увеличивать зону

разрушения.

§ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО

БУРЕНИЯ ШПУРОВ

В геологоразведочной практике применяются машины ударно-

поворотного действия, в основном работающие на пневмоэнергии.

Электрические бурильные машины по ряду причин широкого распро-

странения не получили.

Характер процесса внедрения лезвия бура в породу зависит от фи-

зико-механических свойств породы, состояния поверхности в забое

шпура, от величины и формы инструмента и механических

свойств ма-

териала, из которого изготовлен инструмент, мощности бурильной ма-

шины и режима ее работы.

Лезвие бура при внедрении должно преодолеть силы сцепления

частиц породы ниже поверхности самого забоя и по поверхности ци-

линдра шпура (в стенках). Для внедрения лезвия в породу ниже поверх-

ности забоя необходимо преодолеть сопротивление, соответствующее

прочности породы, находящейся в условиях объемного напряженного

состояния, при котором временное сопротивление, как известно, боль-

ше, чем при одноосном нагружении.

Дополнительно часть энергии при ударе затрачивается на преодо-

ление сил трения между инструментом и кусочками отбитой породы и

частично теряется на деформацию инструмента.

После

каждого удара бур поворачивается вокруг своей оси на неко-

торый угол β. Для эффективной работы инструмента последующие уда-

ры бура следует производить по забою с таким углом поворота β, при

котором горизонтальная составляющая силы удара инструмента, а так-

же вращательный момент бура (холостого хода) преодолевали бы со-

противление сколу по

плоскости сектора ВОВ

и СОС

(рис. 10) и по

цилиндрической поверхности стенок шпура ВВ

и СС

Рис. 10. Схема внедрения

инструмента в горную породу

(по Н.С. Успенскому)

При повороте лезвия бура на

180° порода забоя шпура разруша-

ется на глубину h

за число ударов

п = 180 / β.

Если число ударов в минуту

равно п

, то углубление шпура

(мм) в минуту будет h

min

– h

/n,

величины n

и п даются в паспорте

машины или определяются путем

замеров на стенде, h

min

можно оп-

ределять замером при бурении, a h

для каждой породы можно полу-

чить расчетом.

Угол β в существующих кон-

струкциях перфораторов изменя-

ется от 15° до 30°.

При одиночном ударе лезвия

бура о породу в ней образуются

след и углубление в виде эллипса.

При последовательных ударах объ-

ем воронки выкола (при повороте

бура) увеличивается в том случае,

когда расстояние

между следами двух последовательных ударов по дуге

круга диаметра не превышает 1,5–2 малой полуоси эллипса, т. е. при

правильно выбранной полуоси эллипса удельный расход энергии в два-

три раза меньше удельного расхода энергии при одиночном ударе.

С увеличением диаметра шпура d

шп

скорость бурения уменьшается.

При бурении шпуров машинами ударно-поворотного дейcтвия по-

родоразрушающий инструмент подвергается одновременному действию

нескольких нагрузок:

• динамических, периодически и с большой частотой воздействую-

щих на буровой наконечник, что способствует эффективности раз-

рушения породы и снижению износа лезвий по сравнению с враща-

тельным бурением;

• статического осевого усилия, заглубляющего в

забой режущую

кромку лезвий долота;

• вращающего момента, вызывающего скол породы, находящейся

впереди заглубленных резцов.

Общая схема механизма разрушения пород при бурении погруж-

ными пневмоударниками в значительной мере зависит от крепости гор-

ных пород и может иметь два вида.

Первая схема разрушения наблюдается при бурении пород средней

крепости, когда

статическая нагрузка и момент вращения достаточны

для вдавливания лезвий долота в породу, а также раздавливания и скола

ее гребешков между ударами. Глубина внедрения лезвий в породу и

объем зоны разрушения складываются из суммы глубин и объемов от

действия динамической и статической нагрузок.

Угол поворота бурового долота или расстояние между смежными

ударами не имеют большого значения и могут быть увеличены, по-

скольку порода между смежными ударами разрушается в результате не-

прерывного действия статического осевого усилия и момента вращения.

Вторая схема разрушения характерна при бурении крепких и весьма

крепких пород, когда величина осевого усилия, ограничиваемая условиями

прочности и износостойкости лезвий долота, недостаточна

для их вдавли-

вания в породу и разрушения ее гребешков, остающихся между ударами.

§ 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

Для бурения шпуров в породах мягких, реже средней крепости и

крепких, но малоабразивных применяют вращательные бурильные ма-

шины (электрические или пневматические). В последние годы разрабо-

таны вращательные бурильные машины с гидроприводом.

При вращательном бурении разрушение горных пород производит

резец (рис. 11), который под действием осевого усилия Р внедряется в по-

роду,

вращаясь производит разрушение ее по площади забоя шпура и с

каждым оборотом перемещается поступательно под действием силы Q.

Толщина снимаемой стружки h. Таким образом, резец движется по винто-

вой поверхности (сочетание поступательного и вращательного движения).

Рис. 11. Схема разрушения породы при вращательном бурении

Скорость бурения резцовым инструментом подсчитывается по

формуле υ = птδ, где п – частота вращения, с

–1

; m – число лезвий резца;

δ – толщина срезаемого слоя породы, м.

Исследованиями процесса резания породы при вращательном буре-

нии, проведенными в ИГД им. А.А. Скочинского, установлено, что ме-

жду толщиной срезаемого слоя породы и частотой вращения резца су-

ществует линейная зависимость вида δ = δ

– an, где δ

– величина вне-

дрения резца при n = 0; a – эмпирический коэффициент, равный танген-

су угла наклона прямой к оси x.

Подставив значение δ, получим:

т(δ

– ntg

) n,

где

– угол приострения лезвия резца, градус.

Дифференцируя уравнение по n, получаем:

/dn

тδ

– 2mntg

Приравняв d

/dn к нулю, определим оптимальную частоту вращения:

ОПТ

/2tg

Подставив n

ОПТ

, получим:

00 0 0

max

2(2)

4tg 4tg

mm m m

δδ δ

αα

−−

Максимальная производительность бурения

max

прямо пропор-

циональна числу одновременно действующих лезвий резца при посто-

янном удельном давлении лезвия на породу.

Из уравнения для n

ОПТ

следует: δ

= 2n

ОПТ

В конечном виде

max

= mn

ОПТ

(l – n

ОПТ

Механизм разрушения пород при вращательном бурении носит ха-

рактер периодического скола с резкими колебаниями усилий на лезвии

инструмента от максимума до минимума. Это объясняется тем, что эле-

ментарный цикл разрушения характеризуется двумя периодами.

Первый период – период формирования перед режущей гранью

главной величины давления без существенного продвижения резца.

В этот период

усилия на лезвии и потребляемая мощность станка уве-

личиваются до максимума.

Второй период – период скола главного объема элемента разрушае-

мой породы. При этом сопротивление породы и потребляемая мощность

резко снижаются до минимума. Резец проходит некоторый участок

встречи с ненарушенной породой, нанося при этом по ней удар. Сопро-

тивление движению резца

снова быстро увеличивается до максимума, и

цикл разрушения повторяется. Для каждой породы характерны опти-

мальные величины осевого усилия и частоты вращения инструмента, при

которых разрушение происходит с наибольшей эффективностью.

Теоретические расчеты сводятся к определению величин осевого

усилия и глубины внедрения или скорости бурения, предполагая движе-

ние резца при разрушении породы

по винтовой линии. Под действием

осевого усилия инструмент внедряется в породу. Дальнейшее разрушение

породы происходит под действием крутящего момента и осевого усилия.

Для вертикального перемещения резца необходимо приложить силу (Н)

F = σS,

где σ – критическое сопротивление породы внедрению резца;

S = (D – d)δlg

– площадь участка породы, который подвергается раз-

рушению при внедрении резца; D – диаметр резца, см; d – диаметр рас-

твора перьев резца, см;

– угол приострения лезвия резца, градус; δ –

величина внедрения, см.

Величину критического сопротивления породы внедрению резца

профессор В.Г. Михайлов предлагает определять по формуле

σ = kσ

см

где k = 0,5…0,7 – коэффициент, учитывающий хрупкость бурильного

материала; σ

см

– сопротивление материала смятию, Па.

Контрольные вопросы

1. Классификация способов бурения шпуров и скважин.

2. Принципы механического разрушения пород.

3. Механизм разрушения пород при ударно-поворотном бурении шпуров.

4. Механизм разрушения пород при вращательном бурении.

ГЛАВА 5. МАШИНЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ

Машины для бурения шпуров классифицируются:

1. По роду потребляемой энергии – электрические, пневматические,

гидравлические, от двигателей внутреннего сгорания.

2. По устройству и принципу действия – ударно-поворотные, вра-

щательные, ударно-вращательные и вращательно-ударные.

3. По углу наклона шпуров – для бурения горизонтальных и нисхо-

дящих шпуров (ручные, колонковые) и

для бурения шпуров по восста-

нию (телескопные).

4. По мощности и способу установки – ручные и колонковые.

§ 2. МАШИНЫ ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ

Вращательное бурение шпуров и скважин применяется в мягких

полускальных породах с f < 8.

Для бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 3 м в по-

родах мягких и средней крепости предназначены ручные электросверла

массой до 20 кг. Общий вид и конструкция электросверла СЭР-19М по-

казаны на рис. 12.

Сверло состоит из литого

алюминиевого корпуса 4 с двумя рукоят-

ками, покрытыми слоем резины, передней крышки 2 с двухступенчатым

редуктором, промежуточной перегородки 3, обеспечивающей взрывобе-

зопасность корпуса, шпинделя 1, предназначенного для установки в нем

хвостовика буровой штанги, вентилятора (крыльчатки) 8, затыльной

крышки 7 с изолирующим покрытием, устройства 11 для ввода гибкого

кабеля. Сквозь колодку из

негорючей пластмассы 12 проходят болты

для присоединения жил гибкого кабеля и соединительных концов от

обмотки статора 6 и пускового устройства. Вводится кабель с помощью

патрубка 13, заглушки 14, которая закреплена гайкой 15. Цепь, присое-

диненная к хомуту 16 и корпусу сверла, предотвращает выдергивание

кабеля из вводного устройства и его чрезмерные перегибы.

В отдельной небольшой камере корпуса, закрытой крышкой 10,

смонтировано пусковое устройство 9, которое срабатывает при нажатии

клавиши, расположенной в правой рукоятке. Для лучшего охлаждения

электродвигателей 5 корпус сверла снаружи ребристый. Затыльная

крышка 7, под которой расположен вентилятор, образует вместе с реб-

рами корпуса каналы для прохода охлаждающего воздуха.

Рис. 12. Ручное электросверло СЭР-19М: а – общий вид; б – конструкция сверла

У электросверла СЭР-19М редуктор двухступенчатый, у других

сверл он может быть одноступенчатым или планетарным. Электросверло

СЭР-19М комплектуют сменными шестернями Z

– Z

редуктора, что и

позволяет получить три частоты вращения шпинделя при бурении шпуров

в менее или более крепких (f ≤ 4) породах. Модификация сверла СЭР-19М

обеспечивает возможность бурения шпуров с боковой промывкой.

Электросверла ЭР14Д-2М и ЭР18Д-2М в конструктивном отноше-

нии аналогичны рассмотренному, но имеют в отличие от

него односту-

пенчатый редуктор, другую частоту вращения шпинделя и мощность

электродвигателя.

Сменная производительность бурильщика при бурении ручными

электросверлами по углю средней крепости 80…120 м шпуров (макси-

мальная – 250 м).

При бурении в породах с f = 3…5 применяют ручные электросверла

с принудительной (механической) подачей. Для этого вблизи забоя ус-

танавливают распорную колонку.

К ней прикрепляют конец стального

каната диаметром 3 мм, второй конец которого закреплен на барабане,

встроенном в корпусе редуктора электросверла. При включении меха-

нической подачи барабан, вращаясь, натягивает канат, создавая допол-

нительное усилие на буровую штангу и резец до 2,2 кН.

Техническая характеристика и типоразмеры электросверл приведе-

ны в табл. 11. Заводы-изготовители: Томский

электромеханический за-

вод им. В.В. Вахрушева; Конотопский электромеханический завод.

В соответствии с типажом предполагается выпуск 3 типов и 13 типо-

размеров СЭГ (сверло электрическое горное).

Таблица 11

Электросверла

Показатель

ЭР14Д-2М ЭР18Д-2М ЭРП18Д-2М СЭР-19М СЭГ-19М

Эффективная

мощность элек-

тродвигателя, кВт

1 1,4 1,4 1,2 1,6

Частота вращения

шпинделя, с

–1

14,3 10,7 5 10; 12,5;

10; 12,5;

Способ подачи

сверла на забой

Ручной Ручной Механический Ручной Ручной

Усилие подачи на

забой, кН

– – 3 – –

Крутящий момент

на шпинделе, Н·м

10,82 20,21 40,82 11 –

Масса, кг 15,4 17 24,5 16,5 15,5

Ручные пневмосверла предназначены для бурения шпуров в усло-

виях, опасных по взрыву газа или пыли.

Для бурения шпуров по углю и слабым сланцам применяют ручные

пневмосверла с приспособлением для установки на пневмоподдержке.

Сверла СР-ЗМ и СР-ЗБ имеют приспособление для бурения с промыв-

кой. Пневмосверло состоит из корпуса, двигателя,

пускового устройст-

ва, ротационного двигателя, планетарного редуктора со шпинделем.

Гидросверла применяются в шахтах или на участках с гидродобы-

чей для бурения шпуров по углю и мягким породам. Гидросверло со-

стоит из корпуса с рукоятками, рабочего колеса или турбины, направ-

ляющего аппарата, пускового устройства, двухступенчатого редуктора

со шпинделем и патроном, направляющей

сливной воронки. Гидросвер-

лом можно бурить шпуры с углом наклона к горизонту ±40°. Для под-

ключения к водопроводу применяют высоконапорный бронированный

гибкий шланг внутренним диаметром не менее 16 мм. Вода подается

под давлением 3000 кПа.

Колонковые электросверла применяют для бурения шпуров и скважин

в горизонтальных и наклонных выработках в углях и породах с

f < 12.

Колонковые сверла в отличие от ручных электросверл для создания

осевого усилия имеют винтовые (ЭБК-2В, ЭДШ-2, ЭДП-20 и СЭВ-1) или

гидравлические (ЭБК-5, ЭБГ, ЭБГП-1) механизмы подачи. Осевое усилие

и подача шпинделя назад в электросверлах с дифференциально-винтовой

подачей осуществляются за счет гайки, промежуточного валика, шестер-

ни и кулачковой муфты.

Гайка вращается быстрее шпинделя и заставляет

его выдвигаться вперед. Для подачи шпинделя назад оттягивают ручку,

выводят кулачковую муфту переключателя из зацепления и затормажи-

вают. Вращение валика и гайки прекращается, а шпиндель, продолжая

вращаться, подается назад, так как нарезка резьбы левая.

Частота вращения шпинделя от 1,7 до 5,1 с

–1

, скорость подачи – от

0,88 до 0,86 мм на один оборот шпинделя. Максимальная длина хода

шпинделя 870 мм.

Асинхронный электродвигатель имеет две скорости с частотой вра-

щения 24 и 48,3 с

–1

, работает от трехфазного тока напряжением 380 В.

С боков электросверл прикреплены две цапфы, служащие для закрепле-

ния их на колонке, манипуляторе или буровой каретке.

Вращение шпинделю с патроном от электродвигателя передается

через систему шестерен (рис. 13) и втулку.

В электрическом буре ЭБГП-1М (с гидроподачей и перехватом) после

углубки шпура на

длину хода гидроподатчика (900 мм) раскрепляют за-

жимной патрон, высвобождая буровую штангу, поршни с траверсой и

шпинделем подают назад, снова закрепляют зажимным патроном штангу

и продолжают бурение. Максимальная глубина бурения без замены штан-

ги 2,2 мм. Мощность на шпинделе 2,5 кВт. Усилие подачи регулируется

плавно в диапазоне 0…15 кН на ходу. Производительность на 20–25 %

выше, чем при бурении электросверлом СЭК-1.

Рис. 13. Кинематическая схема колонкового электросверла: 1 – шестерни;

2 – втулка; 3 – шпиндель; 4 – гайка; 5 – патрон; 6 – промежуточный валик;

7 – электродвигатель; 8 – кулачковая муфта; 9 – узел переключения; 10 – ручка

Электросверло с длинноходовым податчиком ЭДП-20 по устройству

подобно ручному электросверлу, но оснащено механической подачей. Ход

сверла на податчике 2 м. Применяется при бурении в мягких породах.

§ 3. БУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО ДЕЙСТВИЯ

(ПЕРФОРАТОРЫ)

Принцип работы перфораторов: в стальном цилиндре (диаметром

60…100 мм) под давлением сжатого воздуха совершает поступательно-

возвратное движение поршень из стали с частотой ударов 28,3…43 с

–1

Шток поршня в конце переднего хода наносит удар по торцу бура, за-

ставляя буровую коронку разрушать породу в забое шпура.

При обратном ходе поршень-ударник посредством механизма по-

ворота поворачивает бур на 15–30°. Возвратно-поступательное движе-

ние поршня осуществляется с помощью воздухораспределительного

устройства.

Техническая характеристика ручных бурильных машин (перфора-

торов)

приведена в табл. 12. Основными частями пневматической бу-

рильной машины (рис. 14) являются цилиндр, поршень-ударник, ствол,

поворотные муфты, пусковая рукоятка, воздухораспределительный ме-

ханизм, поворотный механизм, буродержатель, крышка.