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

Подождите немного. Документ загружается.

подачей, обычно не превышает 500 кг. Бурение ведётся дробью, твёрдо-

сплавными коронками и долотами (возможно бурение алмазными ко-

ронками). Удаление разбуренной породы из скважины производится с

помощью промывки водой.

1.2.7. Перспективы вращательного бурения

Главной перспективой в области вращательного бурения – повы-

шение производительности труда и снижение себестоимости буровых ра-

бот. Решение этой задачи возможно по следующим основным направ-

лениям:

• изыскание и применение более эффективных режимов бурения, по-

вышающих механическую скорость проходки взрывных скважин;

• увеличение потока энергии, передаваемой на рабочий инструмент

бурового снаряда;

• механизация и автоматизация основных и вспомогательных опе-

раций при бурении, обеспечивающих возможность многостаноч-

ной работы; разработка многошпиндельных агрегатов для парал-

лельного бурения веера взрывных скважин;

• повышение стойкости породоразрушающего инструмента, созда-

ние самозатачивающегося инструмента;

• применение для вращательного бурения взрывных скважин по-

гружных буровых машин.

Увеличение механической скорости бурения и повышение изно-

состойкости бурового инструмента может быть достигнуто при вклю-

чении в систему факторов, действующих на забое скважины при враща-

тельном бурении, дополнительного действия вибраций и увеличенного

усилия подачи (осевого усилия), действующих на рабочий наконечник

бурового снаряда. При вращательном бурении горных пород существу-

ет ряд источников возбуждения колебаний, которые, согласно принципу

суперпозиции, будут складываться. Как показали наблюдения за рабо-

той снаряда ВКС-1, основными источниками крутильных колебаний яв-

ляются: неоднородность механических свойств породы на забое сква-

жины, наличие остаточных деформаций породы, неоднозначность ко-

эффициента трения в зависимости от скорости движения сопряженных

поверхностей (релаксационные явления). Поэтому при передаче крутя-

щего момента через упругий элемент от вращателя, движущегося с по-

стоянной угловой скоростью к породоразрушающему инструменту, по-

следний будет совершать пульсирующие движения. При этом изменяет-

ся характер воздействия резцов на забой. Реактивный момент сил со-

противления забоя вызывает вначале крутильную деформацию упругого

звена с накоплением в нём потенциальной энергии. Вследствие хрупко-

го разрушения забоя режущая кромка в начальный период будет сколь-

зить по забою с угловой скоростью, большей, чем угловая скорость

вращателя. По мере нарастания сил сопротивления скорость её будет

уменьшаться. Как показали опыты, даже при смоченных поверхностях

твёрдого сплава и породы между силой трения и относительной скоро-

стью перемещения существует нелинейная зависимость – с увеличени-

ем скорости сила трения уменьшается. После перехода положения рав-

новесия скорость резца начнёт уменьшаться, а крутящий момент увели-

чиваться за счёт возрастания сил сопротивления и сил трения при

уменьшении скорости. Упругое звено начнет закручиваться, накапливая

потенциальную энергию, после чего процесс повторится и снаряд будет

совершать крутильные колебания. Экспериментальная проверка вибро-

силового режима при бурении пород крепостью f = 10…12 с примене-

нием виброколонкового снаряда ВКС-1 на станке с винтовой подачей

ВСЗ, развивавшем осевое усилие до 3 т, была установлена возможность

повышения скорости бурения в два раза, а стойкости буровой коронки –

в полтора раза по сравнению с силовым режимом бурения.

Количество горной породы, разрушаемой в единицу времени при

бурении, прямо пропорционально количеству энергии, которая поступа-

ет на лезвия резцов в зону приложения разрушающих сил за это же вре-

мя. Поэтому одним из основных направлений повышения скорости бу-

рения можно считать максимально возможное увеличение потока энер-

гии, направляемого на породоразрушающий инструмент.

Увеличение мощности вращающего и подающего механизмов буро-

вых станков ведёт к увеличению их производительности. Однако при этом

увеличиваются масса и габаритные размеры узлов машины, бурильных

труб и вспомогательного инструмента. Последнее требует решения вопро-

сов, связанных с механизацией, а в дальнейшем и с автоматизацией всех

основных и подготовительно-заключительных операций при бурении.

Механизация и автоматизация работы станков создаёт возможность па-

раллельного обслуживания одной бригадой двух и более станков. Опыт

многостаночного обслуживания, имеющийся в Криворожском бассейне,

Лениногорском полиметаллическом комбинате и на Уральских рудниках,

свидетельствует о возможности повышения производительности труда на

буровых работах за счёт этого не менее, чем в два-три раза.

При конструировании станков для проходки взрывных скважин

должна учитываться возможность одновременной работы бригады на

двух, трёх и более станках.

При современных системах очистной выемки полезных ископаемых

с применением глубоких взрывных скважин чаще всего приходится бу-

рить веер скважин, расположенный в вертикальной плоскости, от направ-

ленных вниз до направленных вверх (от 180 до 360°). Иногда веер сква-

жин может быть расположен в горизонтальной или наклонной плоскости.

Бурение всех скважин веера в основном производится с одного места. Та-

ким условиям наиболее соответствовали бы станки с двумя, тремя и более

шпинделями, работающими независимо друг от друга. Первые работы по

созданию таких станков начаты институтом Гипрорудмаш.

Наиболее нуждаются в механизации подготовительно-заключитель-

ные операции (смена бурового инструмента, наращивание штанг, переста-

новка на новую скважину и другое), удельный вес которых в общем вре-

мени работы бригады занимает 40…60 %. Увеличение механической ско-

рости бурения станка в два раза увеличивает производительность труда

только в 1,2…1,3, а механизация вспомогательных операций, разрешаю-

щая обслуживание хотя бы двух станков (двух шпинделей), приведёт к

повышению производительности труда примерно в два раза.

Установкой станка на самоходную тележку механизируется опе-

рация транспортировки. Перспективными, отвечающими условиям гор-

ных работ являются гусеничные тележки с индивидуальным приводом

для каждой гусеницы. Такая конструкция разрешает делать поворот во-

круг вертикальной оси гусеничного хода на самой минимальной пло-

щадке.

При бурении взрывных скважин, в большинстве случаев пересе-

кающих породный или рудный массив на глубине 20…30 м, физико-

механические свойства горных пород изменяются в сравнительно не-

больших пределах. Соответственно оптимальные значения величин,

слагающих режим бурения, – усилие подачи, крутящий момент, окруж-

ная скорость, интенсивность промывки (продувки) – не потребуют осо-

бенно точной корректировки при бурении.

Режим бурения должен существенно меняться при изменении диа-

метра скважины и при переходе на другой тип породоразрушающего ин-

струмента. Этим условиям наиболее отвечает принцип разработки и из-

готовления специализированных конструкций буровых станков, предна-

значенных на определенный тип бурового инструмента (твёрдосплавный,

алмазный, шарошечный), с учётом требований эксплуатации в заданных

горнотехнических условиях. Однако любой современный буровой станок

должен разрешать хотя бы в небольшом диапазоне регулировку величин:

усилия подачи, развиваемого механизмом подачи; скорости вращения

бурового снаряда и крутящего момента, развиваемых вращателем. При

таком положении работы, выполняемые в области создания аппаратуры,

автоматически поддерживающей заданный оптимальный режим бурения,

получат правильное и более эффективное решение.

Повышение качества бурового инструмента, его надежности и

долговечности, при умеренной стоимости, является основой перспек-

тивного развития вращательного способа бурения горных пород. Значи-

тельный интерес представляют новые материалы, обладающие высокой

сопротивляемостью абразивному износу. Перспективным является

дальнейшее совершенствование алмазного бурового инструмента, в том

числе импрегнированных алмазных коронок. При проходке скважин

малого диаметра (36…59 мм) более высокие показатели получают при

бурении сплошным забоем. Экономический эффект можно получить

при условии разработки специализированного алмазного инструмента,

конструкция которого рассчитана на горные породы, имеющие опреде-

лённые физико-механические свойства, и увязана с параметрами опти-

мального режима бурения, создаваемого специализированной буровой

машиной. Производительность твёрдосплавного бурового инструмента

определяется качеством материала и конструкцией резцов буровой ко-

ронки (долота). Нужны новые более износостойкие твёрдые сплавы и

материалы, обладающие высокими и стабильными технико-эксплуата-

ционными качествами в соответствии с требованиями установленных

стандартов, более совершенные конструкции буровых коронок, которые

разрушали бы большую часть породы более крупными кусками. Этого

можно достичь при нарезании на забое скважины отдельных узких ка-

навок с оставлением гребешков породы, сламываемых потом крупными

кусками. Количество прорезаемых канавок определяется в зависимости

от крепости породы и диаметра коронки.

Резцы из твёрдого сплава марки ВК наиболее надежно работают

при условии действия разрушающей силы по направлению, создающе-

му в теле резца деформацию сжатия. Таким условием наиболее отвеча-

ют резцы с отрицательным передним углом. Чем крепче порода, тем

ниже должна быть окружная скорость вращения бурового снаряда,

больше осевое усилие и толще сминаемый слой породы.

Наличие значительных сил трения, действующих при вращатель-

ном бурении, вызывает интенсивный износ – затупление резцов корон-

ки, смена которой ведёт к большим потерям рабочего времени.

Разработка мероприятий, замедляющих затупление резцов, а воз-

можно и использующих силы трения для самозатачивания лезвий рез-

цов, является перспективной.

Значительное влияние на коэффициент трения резцов буровой ко-

ронки оказывает шлам или штыб, образующийся при бурении.

При промывке скважины водой характер взаимодействия её с раз-

рушаемой породой определяет свойства шлама. При бурении гранитов

разрушенная порода образует с водой механическую взвесь, при этом

коэффициент трения буровой коронки подчиняется законам сухого тре-

ния. При бурении гематитовых пород и руд образуется как бы коллоид-

ный раствор, коэффициент трения буровой коронки в этом случае, в за-

висимости от величины окружной скорости и усилия подачи, подчиня-

ется законам жидкого или полужидкого трения. Некоторые породы

вступают в химические реакции с промывочной жидкостью, соответст-

венно влияя на характер и величину коэффициента трения. Выбор про-

мывочной жидкости должен производиться с учётом возможного влия-

ния на силы трения и износ бурового инструмента.

Продувка скважин сжатым воздухом обеспечивает некоторое по-

вышение стойкости твёрдосплавного бурового инструмента за счёт бо-

лее интенсивного охлаждения, однако этот способ удаления разбурен-

ных частиц породы ещё недостаточно исследован.

Перспективными являются погружные вращательные буровые

машины. Перенос машины в скважину, непосредственно к её забою,

имеет следующие преимущества:

1. Отпадает потребность вращения длинной колонны труб, за счёт

чего снижается расход энергии на вращение труб.

2. Создаётся возможность более гибкого, направленного бурения

скважин.

3. Улучшаются условия труда на рабочем месте, после спуска буро-

вой машины в скважину значительно снижается уровень шума.

4. Упрощается конструкция бурового оборудования. Создаётся воз-

можность конструирования многошпиндельных машин.

5. Меньшая нагрузка на колонну бурильных труб значительно уве-

личивает срок их службы.

Создаются условия для применения гибких, цельных штанг-

канатов, наматываемых на барабан. Пустотелый канат-штанга будет

служить для спуско-подъёмных операций, а также для подачи энергии к

приводу погружного вращателя и воды или воздуха для удаления разбу-

ренной породы. Технико-экономические показатели, полученные при

электробурении, свидетельствуют о перспективности проходки взрыв-

ных скважин погружными буровыми машинами.

1.3. Вращательно-ударное бурение

Вращательно-ударный способ бурения является комплексным.

Разрушение породы на забое скважины при этом способе происходит за

счёт суммарного действия условно статических, постоянно действую-

щих сил, осевого и окружного усилий и периодически действующей

динамической силы удара. Разрушение породы на забое скважины за

счёт суммирования динамических и статических сил возможно только

при условии их действия на буровой инструмент, если его конструкция,

особенно его рабочих лезвий, в полной мере учитывает направление,

величину и характер действия указанных сил. Конструкция рабочей

части бурового инструмента для вращательно-ударного бурения должна

сочетать элементы конструкций ударного и вращательного (режущего)

бурового инструмента.

На рис. 1.32 показаны ориентировочно углы приострения α

, α

при ударном, вращательном и ударно-вращательном способах бурения.

Если при ударном бурении угол приострения равняется 100…120° и

имеет форму симметричного клина, а при вращательном бурении форму

однобокого клина с углом приострения 60 ± 10°, при этом передний

угол γ равен (–10…15°), то при ударно-вращательном угол приострения

увеличивается до 80…100°, а передний угол γ'

до (–30…35°). Для опре-

деления оптимальных значений углов приострения и передних углов

при ударно-вращательном бурении требуется выполнение значительно-

го объёма исследовательских работ. Очевидно для горных пород от-

дельных категорий крепости будут оптимальными определенные режи-

мы бурения, сочетающие работу динамических и статических сил в оп-

ределенном соотношении, и соответствующие им конструкции рабо-

чих лезвий бурового инструмента.

Рис. 1.32. Углы приострения резцов

при различных способах бурения

При большем переднем угле сминание слоя породы за счёт осевого

и окружного усилий становится затруднительным, а в некоторых случаях

невозможным. В последнем случае осевая сила и окружное усилие рас-

ходуются на создание трения, обусловливая быстрый износ и затупление

бурового инструмента. Проблема создания работоспособного бурового

инструмента, использующего качества высокоэффективного вращатель-

но-ударного способа бурения, в полной мере ещё не решена.

Применяемый в настоящее время при вращательно-ударном и удар-

но-вращательном бурении породоразрушающий инструмент не в полной

степени учитывает характер и направление сил, прилагаемых к нему.

Этим объясняется ограниченность применения вращательно-

ударного бурения при проходке шпуров и скважин в породах с f = 5…14

(по шкале профессора М.М. Протодьяконова).

Комплексный вращательно-ударный способ бурения положен в ос-

нову целого класса буровых машин, которые чаще всего называют буро-

выми установками. Первая буровая установка, сочетавшая элементы

ударного и вращательного способов бурения, была создана в СССР в 1934

г. кафедрой разведочного бурения Днепропетровского горного института

под руководством Е.Ф. Эпштейна. Установка состояла из электродвигате-

ля, редуктора и ударного механизма кулачкового типа, смонтированных

на общей площадке-каретке, которая могла перемещаться вперед и назад в

направляющих салазках. Последние крепились на винтовой распорной ко-

лонке. Буровой инструмент представлял собой трубу, на рабочем конце

которой на резьбе крепилась кольцевая коронка, армированная резцами-

пластинками из твёрдого сплава ВК-8. Углы приострения имели форму

одностороннего клина при отрицательном значении переднего угла в пре-

делах (–15…–20°). Задний угол равнялся 20…30°. Испытания установки

подтвердили перспективность этого способа бурения.

Буровые установки вращательно-ударного бурения разработаны

несколькими фирмами ФРГ («Хаусхерр», «Зальцгитер», «Нюссе и Гре-

фер» и др.). Разработку конструкций вращательно-ударных машин ведут

институты ЦНИИПодземшахтострой, УКРНИОМШС, Гипрорудмаш и

заводы. Основные технические данные буровых установок следующие:

Вид энергии Пневматическая, электрическая

Энергия удара, кДж 5…15

Частота удара, мин

-1

2 000…5 000

Крутящий момент, кН·м 1 500…5 000

Вращение бура, мин

-1

50…150

Усилие подачи, кН 800…2 000

Длина подачи, м 2…3

Давление воздуха, МПа 5…7

Габаритные размеры, м:

высота 1,2…4

ширина 1,2…3

длина 2…8

Масса, т 2…8

1.3.1. Конструкция буровой установки

Вращательно-ударная буровая установка (рис. 1.33) состоит из

ударного, вращательного и подающего механизма, а также установочно-

транспортного оборудования, включающего один или несколько мани-

пуляторов и ходовую тележку колёсного или гусеничного типа. Управ-

ление всеми механизмами сосредоточено на одном пульте.

Рис. 1.33. Схема вращательно-ударной буровой установки:

1 – ходовая тележка; 2 – пульт управления; 3 – узел вращения стрелы;

4 – стрела манипулятора; 5 – салазки; 6 – буровая машина;

7 – ходовой винт; 8 – бур; 9 – распорное устройство; 10 – механизм поворота сала-

зок в вертикальную плоскость; 11 – механизм поворота салазок

в горизонтальную плоскость; 12 – кронштейн;

13 – механизм подъёма и опускания буровой машины

1.3.1.1. Ударно-вращательные механизмы

Ударный и вращательный механизмы буровых установок распо-

лагаются компактно в общем корпусе или же в двух корпусах, жёстко

соединяющихся. Предпочтительнее второе решение, разрешающее в

случае поломок замену только одного механизма, а также облегчающее

изготовление и ремонт машины. Однако второй вариант требует более

тщательной сборки отдельных узлов конструкции.

Ударные механизмы буровых установок в принципе повторяют

конструкции пневмоударников, представляя собой цилиндро-

поршневую систему, у которой поршень выполняет роль ударного эле-

мента. Воздухораспределение производится обычно отдельно клапан-

ным или золотниковым устройствами или сам поршень является возду-

хораспределителем.

Вращательные механизмы обычно состоят из пневматического

двигателя и редуктора.

На рис. 1.34 представлены конструктивные варианты ударно-

вращательных механизмов буровых установок.

На рис. 1.34, а ударный механизм состоит из поршня-ударника (3),

движущегося в цилиндре (2) и воздухораспределительного устройства (1)

клапанного типа. При ходе вперед поршень наносит удары по хвостовику

буровой штанги (8). Хвостовик, имея четырёх- или шестигранное сечение,

вставляется в гнездо такого же сечения, находящееся в поворотной буксе

(7). Последняя через редуктор 6 получает вращательное движение от пнев-

матического двигателя шестерёнчатого типа. На буровой штанге крепится

буровая коронка (5) и водоподающее устройство осевого типа.

На рис. 1.34, б ударный механизм представляет собой двухпорш-

невую систему. В цилиндре (3), имеющем перегородку (5), разделяю-

щую его на две отдельные камеры, движутся поршни. Поршень (4а) на-

носит удары по торцу буродержателя (6), а поршень (4б) – по заплечи-

кам буродержателя. Буродержатель подвижно через скользящую шпон-

ку, шлицы или грани сопрягается с вращающей буксой (8). Вращающая

букса получает вращательное движение от двигателя (2) через редуктор

(7). В конусном или винтовом гнезде поворотной буксы крепится буро-

вая штанга (9), на которой находится коронка (1).

Двухпоршневая система ударного механизма, у которой поршни в

отдельные отрезки времени движутся в противоположном направлении,

разрешает почти полностью устранить колебательные движения корпу-

са машины, т. е. отдачу, что повышает ее работоспособность. Промы-

вочная жидкость подается радиальным водоподающим устройством.

На рис. 1.34, в ударный и вращательный механизмы расположены

по одной оси, последовательно один за другим. Пневмодвигатель (1)

передаёт вращательное движение через планетарный редуктор (2) на

шлицевой вал (4). Последний подвижно соединён со шпинделем (8),

имеющим конусный или резьбовой замок для крепления буровой штан-

ги (9), на конце которой находится буровая коронка (10). После редук-

тора в тыльной полости цилиндра (6) расположено воздухораспредели-

тельное устройство (3), питающее сжатым воздухом ударный механизм

двухпоршневого типа. Цилиндр имеет перемычку (7), разделяющую его

на две отдельные камеры, в которых движутся поршни-ударники (5),

наносящие удары по заплечикам, имеющимся на корпусе шпинделя.

Подача промывочной жидкости осуществляется осевым или радиаль-

ным водоподающим устройством.

На рис. 1.34, г ударный и вращательный механизмы расположены

один над другим, как бы в два этажа. Ударный механизм бесклапанного

типа состоит из цилиндра (2) и поршня-ударника (3), выполняющего

также функцию воздухораспределителя. Сжатый воздух, поступая в вы-

точку а, имеющуюся на корпусе поршня, через окна b и с поступает по-

очередно в переднюю или заднюю полости цилиндра, создавая соответ-

ствующее движение поршня-ударника.

Рис. 1.34. Схемы ударно-вращательных механизмов:

а – однопоршневой с червячным редуктором; б – двухпоршневой с цилиндро-

шестерёнчатым редуктором; в – двухпоршневой с планетарным редуктором;

г – бесклапанный, однопоршневой с цепным редуктором

Выход отработанного воздуха происходит через выхлопные окна,

имеющиеся в стенках цилиндра. При ходе вперёд поршень-ударник на-