Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы

Подождите немного. Документ загружается.

, (1.29)

где d – диаметр ведущей звездочки, м; п – число оборотов ведущей

звездочки в 1 мин.

Вибрационный автоподатчик (рис. 1.15, ж) использует собствен-

ные колебания перфоратора, возникающие вследствие действия в ма-

шине знакопеременных сил. При этом механизм погашает одно направ-

ление колебаний, оставляя свободным второе направление. Сумма ко-

лебаний в одну сторону создает движение подачи перфоратора.

В практике известно несколько конструкций вибрационных ав-

топодатчиков, применявшихся при перфораторном бурении. Парой,

фиксирующей колебания перфоратора, может быть упор и рейка,

винт и гайка с несамотормозящейся резьбой, система клиньев и др.

Величина усилия подачи виброподатчика

ηС FP

′

, (1.30)

где F

– площадь поршня перфоратора, на которую давит воздух при

ходе назад, см

; P' – среднее рабочее давление воздуха перфоратора,

МПа; η – КПД механизма.

Скорость подачи, развиваемая механизмом, равна скорости буре-

ния. Скорость реверсирования

υη

, мм/мин, (1.31)

где и – частота ударов поршня в 1 мин; т

– масса поршня; М

– масса пер-

форатора и держателя его (вместе); η – коэффициент потерь, η = 0,7…0,8.

Дифференциально-винтовой автоподатчик использует вращение по-

воротной буксы перфоратора или поворотного винта, которое передает

на подающую гайку (рис. 1.15, з ). Одна из цапф подающего винта

зажата тормозом с силой, обеспечивающей нормальную работу перфора-

тора при бурении.

Усилие подачи дифференциально-винтового автоподатчика

кр

tgα

= , (1.32)

где M

– крутящийся момент, развиваемый перфоратором, Н · см; r

–

средний радиус подающего винта, см; α – угол подъёма резьбы подающе-

го винта; η – КПД механизма. Скорость подачи

п 12

υ ()tn n

−

, мм/мин, (1.33)

где t – шаг винта, мм; п

– число оборотов подающей гайки в 1 мин;

– число оборотов подающего винта в 1 мин.

При малых скоростях бурения число оборотов гайки снижается

и приближается к скорости вращения винта.

Автомаслёнки обеспечивают смазку всех трущихся элементов пнев-

матического перфоратора. Автоматическая подача масла осуществляется

за счет всасывания масла из резервуара, которое создается за счет пе-

репада давления в струе сжатого воздуха, проходящего по каналу, имею-

щему сужения или расширения. Засасываемое масло подхватывается

струей воздуха и, поступая в перфоратор, производит смазку.

Качественную смазку обеспечивают магистральные автомаслёнки,

имеющие объём масла, достаточный для восьмичасовой работы перфора-

тора. Смазочные масла, соответствующие условиям работы пневматиче-

ских ударных машин, должны обладать прочностью слоя смазки не ниже

60 МПа, малой кислотностью, отсутствием механических примесей, тем-

пературой застывания не выше рабочей температуры машины (– 10°С) и

способностью деэмульсироваться с водой. Такими качествами обладают

средние индустриальные масла 12, 20, 30 и 45. Консистентные смазки ре-

комендуются для трущихся пар, имеющих невысокие скорости движения.

1.1.5. Ударный буровой инструмент

При ударном перфораторном бурении рабочим инструментом яв-

ляются буры, изготовляемые из шестигранной или круглой пустотелой,

инструментальной углеродистой стали марок У7А и УЗА или из стали

марки 55С2. При мелком бурении (до 2…5 м) применяются цельные бу-

ры, при более глубоком бурении – составные, собранные из отдельных

штанг, соединяющихся на резьбе с помощью муфт. Рабочим элемен-

том бура является головка или съёмная буровая коронка. Наиболее

широкое распространение получили буровые коронки, армированные

пластинками металлокерамического твёрдого сплава ВК-15 и ВК-11.

Наиболее часто применяют буровые коронки долотчатой, кресто-

вой и ступенчатой форм, реже – коронки звёздчатой, кольцевой и дру-

гих форм.

Качество бурового инструмента, а особенно его рабочей части –

лезвия, которое выполняет работу разрушения породы, – является од-

ним из основных факторов, влияющих на эффективность буровых ра-

бот. Увеличение износостойкости коронки в два раза ведёт к увеличе-

нию производительности труда при бурении не менее чем в полтора

раза, при этом стоимость бурения снижается также в полтора раза.

Основными показателями ударного бурового инструмента при

прочих равных условиях являются:

1. Механическая скорость бурения, измеряемая при одинаковых

диаметрах коронок в мм/мин, а при разных диаметрах выбуренного

объема шпура или скважины в мм

/мин.

2. Стойкость буровой коронки, измеряемая в шпурометрах или в

выбуренного объёма породы на одну заточку коронки и на все заточ-

ки до полного износа коронки.

3. Величина суммы от стоимости коронки на принятую единицу

стойкости коронки в руб/м или руб/м

4. Удельный расход энергии при бурении см

разрушенной по ро-

ды в Дж/м

Затраты энергии при разрушении горных пород пропорциональ-

ны суммарной площади поверхностей частиц, образовавшихся после

разрушения, минус площадь поверхностей, которые были до разруше-

ния. Следовательно, разрушение горных пород при бурении более

крупными кусками ведёт к уменьшению удельных затрат энергии на

единицу объёма скважины, увеличивая скорость бурения, снижая запы-

ленность атмосферы.

Создание конструкций буровых коронок, разрушающих породу

крупными кусками, является главным мероприятием, повышающим

механическую скорость бурения и улучшающим санитарно-гигиени-

ческие условия труда бурильщика, ведущим к значительному повыше-

нию технико-экономических показателей буровых работ.

Работоспособность буровых коронок, т. е. их производитель-

ность и стойкость, может быть повышена за счёт:

• уменьшения общей длины лезвий при сохранении диаметра;

• центрирования коронки при бурении;

• расположения лезвий по отношению к поверхности забоя в

соответствии с количеством работы, затрачиваемой при раз-

рушении породы на различных его участках;

• уменьшения диаметра коронки;

• оптимальной величины угла приострения;

• применения оптимальных режимов бурения;

• полного удаления буровой мелочи сразу же после отделения

её от забоя;

• охлаждения лезвий и всего корпуса коронки;

• повышения надежности и стойкости материала лезвий и кор-

пуса коронки.

Зависимость скорости бурения от общей суммарной длины

лезвий буровой коронки можно определить по формуле

υυ

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

, (1.34)

где υ

– скорость бурения (мм/мин) при суммарной длине лезвий

коронки λ

, мм; υ

– скорость бурения (мм/мин) при суммарной длине

лезвий коронки λ

, мм; x – величина, характеризующая физико-

механические свойства пород, в которых производится бурение

(табл. 1.6).

Наиболее производительными буровыми коронками являются

коронки долотчатой формы, имеющие по сравнению с крестовой

и звёздчатой формами наименьшую суммарную длину лезвий. Ве-

личина отношения между скоростями бурения различными формами

коронок в зависимости от физико-механических свойств горных

пород меняется.

За счёт уменьшения суммарной длины лезвий буровой коронки мож-

но получить увеличение скорости бурения на 20…30 % без снижения её

износостойкости.

Таблица 1.6

Порода

Временное сопро-

тивление сжатию

сж

, МПа

Буримость,

мм/мин

Значения х

Железная руда

Гранит серый, крупнозер-

нистый

Гранит серый, плотный

мелкозернистый

Роговик плотный

40…80

80…100

100…120

120…160

150

100

2,0…2,25

1,5…1,6

1,25…1,4

1,0…1,10

При бурении коронками долотчатой формы шпур выбуривается

не круглого, а трёхгранного сечения (рис. 1.16, а, б). Бурение происходит

не вокруг центра шпура, а по дугам, вокруг перемещающихся мгновенных

центров вращения А, В, С. Такое явление объясняется отсутствием второй

точки опоры у бура (как вала, опирающегося только одним концом на

подшипник). У бура таким опорным концом является хвостовик, находя-

щийся в гнезде поворотной буксы перфоратора. При вращении бура меж-

ду гранью лезвия и стенкой шпура возникают силы трения, вследствие

воздействия которых коронка поворачивается относительно центра А до

тех пор, пока грань лезвия не упрется в стенку шпура в точке В, во-

круг которой начнется дальнейший поворот коронки до встречи

грани лезвия со стенкой шпура в точке С и т. д. В такой же последо-

вательности работает и четырехлезвийная (крестовая) коронка. При бу-

рении этой коронкой сечение шпура имеет пятигранную форму. Число

граней у шпура всегда больше на единицу числа лезвий у коронки.

Последнее объясняется тем, что при бурении коронкой долотчатой

формы (двухлезвийной) величина угла поворота вокруг центров А, В,

С может быть только 60°, а при бурении коронкой крестовой формы

(четырехлезвийной) величина угла поворота вокруг центров А, В, С,

D, Е может быть только 36°.

Углы поворота A, В, С являются вписанными в окружность, сле-

довательно, длины дуг, на которые они опираются, равны удвоенной

величине значений углов, т. е. при бурении двухлезвийной коронкой

длина дуги будет равна 2·60° = 120°, а при бурении четырёхлезвийной

коронкой 2·36° = 72°. Возможное число поворотов за один оборот у

коронки долотчатой формы будет 360°: 120 = 3, а у коронки кресто-

вой формы 360°: 72 = 5. Шпур будет иметь сечение трехгранное, пя-

тигранное и т. д, число граней у него будет всегда равно числу лез-

вий коронки плюс единица.

Чем больше ширина лезвия коронки, тем больше скругляются уг-

лы поворота и тем ближе к форме круга сечение шпура. Круглый шпур

получится, если угол поворота вокруг мгновенных центров вращения

будет равен нулю и вращение коронки будет происходить вокруг ее

геометрического центра. Этого можно достичь, если ширина лезвия

ко-

ронки, взятая по окружности, будет не менее длины дуги, стягивающей

стороны угла поворота коронки. Для коронок долотчатой формы, угол

поворота которых равен 120°, ширина лезвия должна быть не менее

πd

; для коронок крестовой формы, имеющих угол поворота 72°, шири-

на лезвия должна быть не менее

πd

. На рис. 1.16, в приведены буро-

вые коронки долотчатой и крестовой форм, при бурении которыми

можно получить шпуры круглого сечения.

Круглую форму шпура можно также получить при наличии вто-

рой опоры у бура в виде центрирующего элемента (выступающего лез-

вия или же выреза в центре). Шпур в этом случае выбуривается кругло-

го сечения, при этом скорость бурения увеличивается на 10…15 %.

Рис. 1.16. Формы сечений шпуров при перфораторном

бурении (а, б) и формы сечений буровых коронок (в),

обеспечивающих круглое сечение шпура

Мощность, развиваемая пневматическим перфоратором, расходу-

ется при ходе поршня вперед на работу удара, передаваемую на лезвие

коронки и производящую разрушение породы, а при ходе поршня назад –

на поворот бура. Уменьшение сопротивления вращению бура при его

центрировании ведет к уменьшению затрат мощности на поворот бура,

вследствие чего увеличивается доля мощности, расходуемой на разру-

шение породы, что в результате приводит к увеличению скорости буре-

ния. При замере вибрографом частоты ударов поршня перфоратора при

бурении без центрирования и с центрированием коронки было отмече-

но, что во втором случае частота ударов больше на 12 %.

Наиболее удачно центрирование бура при бурении идет за счёт соз-

дания на самой коронке центрирующего выступающего лезвия. Последнее,

создавая как бы вторую опору для бура, центрирует коронку при бурении,

выбуривая передовой шпур. Как показали исследования, наличие передово-

го шпура определенных размеров облегчает работу разрушения породы за

счёт создания дополнительных плоскостей обнажения на забое шпура.

На основании анализа данных эксплуатации коронок ступенчатой

формы было определено оптимальное соотношение основных парамет-

ров ступенчатой буровой коронки, обеспечивающее наибольшую про-

изводительность при бурении.

При заданном наружном диаметре буровой коронки d

(рис. 1.17)

диаметр опережающего лезвия d

можно определить по формуле

dd=

, (1.35)

где λ

– суммарная длина лезвий опережающего элемента коронки; λ

– сум-

марная длина всех лезвий коронки. В случае λ

= d

, λ

= λ

+ λ'

+ λ''

+ λ'''

Рис. 1.17. Буровая коронка ступенчатой формы

При таком отношении диаметров d

и d

количество породы, раз-

рушаемой опережающими и периферийными лезвиями, будет равно-

мерно распределяться между ними. Последнее обеспечивает более рав-

номерный и одновременный износ всех лезвий коронки, в результате

увеличивает шпурообъём, пробуриваемый на каждую заточку коронки.

Чем больше длина выступающего лезвия, тем больше площадь

обнажения забоя шпура. Однако на скорости бурения положительно

сказывается увеличение длины выступающего лезвия до определенной

величины. Объясняется это тем, что скалывание периферийной части

забоя шпура при бурении большинства пород происходит под углами

40…55°. Рекомендуется принимать величину h

= 0,5 d

. Остальные па-

раметры коронки ступенчатой формы принимаются в соответствии с

условиями работы.

Скорость бурения горных пород в значительной степени зависит

от величины диаметра скважины. При бурении работа разрушения рас-

ходуется по двум направлениям. Одна часть а расходуется на раздроб-

ление породы в объёме скважины, а вторая часть в расходуется на от-

рыв, отделение этого же объёма от массива.

Наибольшее количество работы расходуется в области отрыва по-

роды у стенок скважины, где она находится в зажатом состоянии.

Меньшее количество работы затрачивается на разрушение породы на

участках у центра забоя.

При увеличении диаметра затраты работы на разрушение породы в

объёме скважины растут пропорционально площади забоя, а затраты на от-

рыв этого объёма породы от массива растут пропорционально длине окруж-

ности скважины, т. е. затраты работы первого рода растут пропорционально

, а второго рода – пропорционально bd. При постоянном количестве энер-

гии, передаваемой на лезвие бурового инструмента, и прочих равных усло-

виях увеличение диаметра скважины приводит к уменьшению скорости бу-

рения пропорционально увеличению периметра скважины и её забоя.

На буровых работах одним из основных факторов, снижающих

скорость бурения, является неравномерный износ (затупление) лезвий

буровой коронки. Наиболее интенсивно изнашиваются концы лезвия, в

то же время центральная часть его остаётся незатупившейся. В прак-

тике чаще всего бурение прекращают из-за изношенных концов лез-

вия, так как буровую коронку начинает клинить и её заменяют новой.

Время, затрачиваемое на замену затупившихся коронок, составляет

от 30 до 50 % от общего времени смены.

Создание буровых коронок с равномерным износом всех участ-

ков лезвия позволит повысить сменную скорость бурения в полтора раза.

При разрушении (дроблении) хрупких материалов, в том

числе горных пород, затраты энергии пропорциональны разрушаемому

объему материала. При бурении затрачиваемая работа пропорцио-

нальна объёму выбуриваемого шпура, а также объёму, теряемому лез-

вием коронки вследствие затупления.

Рис. 1.18. Схема к анализу буровой

коронки

При перфораторном бурении, кроме затрат на разрушение поро-

ды, имеются затраты на преодоление сил трения лезвия о забой при по-

воротах бура. Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения на уча-

стках лезвия, будет пропорциональна средней длине дуги, описываемой

участком лезвия. Относительные затраты работы на преодоление сил

трения будут пропорциональны радиусам вращения.

Общую суммарную работу, выполняемую на каждом участке лез-

вия, условно принимаем равной сумме работ, затрачиваемых на раз-

рушение горной породы и преодоление сил трения.

Объём лезвия коронки, теряемого при бурении вследствие затуп-

ления, пропорционален количеству работы, выполненной лезвием. По-

этому затупление лезвия будет иметь форму, приведенную на

рис. 1.18 (секторы АОВ и СОD).

Буровую коронку равного износа можно создать, если лезвия ко-

ронки расположить в соответствии с распределением затрат работы

при бурении на забое шпура или скважины.

Практикой ударного перфораторного бурения установлены

углы а приострения лезвий буровых коронок, при которых наблюдаются

наиболее высокие скорость бурения и стойкость:

• при бурении мягких пород (f < 5) 80…90°

• при бурении пород средней крепости (f < 10) 90…100°

• при бурении крепких пород (f <15) 100…110°

• при бурении весьма крепких пород (f >15) 110…120°

При бурении пород мягких и средней крепости и наличии

лыски на лезвии шириной 1…2 мм (площадки) вместо острия наблю-

дается некоторое увеличение объема на одну заточку.

Повышение их износостойкости – одна из основных задач гор-

ного производства.

Рис. 1.19. Коронки для бурения шпуров:

а – твёрдосплавные коронки; б – коронка типа КПД; в – коронка типа

БКПМ-36; г – коронка типа БКПМ-40; д – коронка БКПМ-36Ф; е – коронка

БКПМ-40Ф; ж – коронка ККП; з – коронка КТШ; и – коронка К-52;

к – коронка БКПМ-КМ; л – коронка БКР

Для бурения неглубоких шпуров диаметром 35…65 мм применя-

ются долотчатые и крестовые коронки со сплошным и прерывистым

лезвиями (рис. 1.19).