1.ПодэрниР.Ю.Горныемашиныикомплексыдляоткрытыхработ.М.:Недра,1985

Лекция№3

Буровой инструмент

План занятия

1. Требования,предъявляемыек буровомуинструменту.

2. Материалы,применяемыедляизготовлениябуровогоинструмента.

3. Инструментдляперфораторов.

4. Инструментдляпневмоударногобурения.

5. Инструментдляшарошечногобурения.

6. Инструментдлявращательного(шнекового)бурения.

Опорныесловаитермины

Прочность,износостойкость,коррозионнаястойкость,стойкостьквысокимтемпературам,достаточнаявязкость,ковкость,хорошаязакаливаемость,легированные стали,армировка,металлокерамическиетвердыесплавы,штыри,пластины,электродные,трубчатозерновыесплавы,буры,коронки,муфты,ниппели,штанги,долота,пневмоударники,шарошечныедолота, шнеки.

Эффективностьработыбуровыхмашиниихпроизводительность,износоборудованияирасходэнергии,стоимостьработвбольшойстепенизависятотбуровогоинструмента.Наизготовлениеинструментаидутдорогостоящиесталитвердыесплавы.Буровойинструментработаетвтяжелыхусловиях,такихкак:

• большиеипеременныепохарактерунагрузки;

• изменчивые свойстваразрушаемыхпород;

• повышенныетемпературы(в крепкихпородахдо 600°С).

Приэтомнадзорзасостояниеминструментавесьмазатруднителен.Поэтомукбуровомуинструментупредъявляютсяследующие требования:

• эффективноеразрушениегоройпородысменьшимизатратамиивысокойпроизводительностью;

• прочностьиизносостойкость,особенноармировкиирабочихкромок;

• соответствиеформы,размеровигеометрическихпараметровсвойствамразрушаемыхпород,конструкциибуровоймашиныи типубурения;

• простое,надежноеижесткое креплениенаштангеи в опорномузлемашины;

• возможностьбыстройзаменыприизносе;

• удобстводляремонта,восстановленияизаточки,атакженевысокаястоимостьизготовленияиэксплуатации.

Всвязисэтимматериалы,изкоторыхизготовленыинструменты,должныотвечатьтребованиям:бытьвысокопрочнымиидостаточновязкими,износостойкими,особенноврабочейчасти;обладатьвысокойтеплопроводностьюиминимальнымкоэффициентомтепловоголинейногорасширения;иметьширокийинтервалковкиихорошуюзакаливаемость,хорошуюсмачиваемостьприпоями.

Материалы,применяемыеприизготовлениибуровогоинструмента,приведенывтабл. 1 и2.

Таблица4.1.Стали,применяемыедляизготовлениябуровогоинструмента

Маркистали	Областьприменения
35ХГСА,20Х2Н4А,18Х2Н4МА	Корпуса коронок длябурения	перфораторного
45ХН,40ХН,40ХН2МА	Корпуса коронок для	пневмоударного

	бурения
20ХН3А	Лапышарошечныхдолот
17Х3МА,18ХН3МА,18ХН2ВА	Шарошки
35Л	Коронкидл шнековогобурения
12ХН3А,30ХГСА,55С2, 28ХГН3М	Буровойставдляперфораторов
35, 40Х,40ХН,30ХГСА	Штанги для шарошечного ипневмоударногобурения
35	Штангидляшнековогобурения

Таблица4.2.Маталлокерамические твердые сплавы,применяемыедля армирования

Буровогоинструмента

Маркатвердогосплава	Крепостьгорных пород	Областьпримененияармировки
ВК4В	f <8	Шарошечныедолота
ВК6	f <8	Резцовые коронкидляабразивныхпород
ВК8	f <8	Резцовыекоронкидляабразивныхтрещиноватыхпород,распиловка мрамора,известняка
ВК8ВК	f <18	Шарошечные долота для крепких и оченькрепкихпород
ВК8В	f <14	Коронки перфораторов и станков СБУ длякрепкихпород,обработка гранита
ВК10КС	f <18	КоронкиперфораторовистанковСБУдляпородсреднейкрепостиикрепких
ВК11ВК	f <10	Шарошечныедолотадлявязкихпородсреднейкрепостиикрепких
ВК11В	f <18	КоронкиперфораторовистанковСБУдляоченькрепкихпород
ВК15	f >8	КоронкиперфораторовистанковСБУдлявнекатегорийныхпород,шарошечныедолотадляоченькрепкихпород

Легированныесталипридаютинструментамболеевысокуюпрочностьиизносостойкость.Вцеляхповышенияизносостойкостибуровогоинструментаегорабочуючастьармируюттвердымисплавамиилиалмазами.Инструмент,армированныйалмазамиприменяютвосновномвгеологоразведочномбурении.Изтвердыхсплавовприменяютметаллокерамическиетвердыесплавыввиде пластин,штырей,электродов,трубчатозерновыеизерновые сплавы.

НаибольшеераспространениеполучилиметаллокерамическиевольфрамокобальтовыесплавытипаВК.ТрубчатыйзерновойсплавРэлитприменяютдляупрочнениякорпусашарошечныхдолототистиранияостенкискважины.Крометого,этотсплавприменяютдлянаплавкизубьевковшейэкскаваторов,ножейбульдозеров,ковшейпогрузчиков.

Буровыминструментомдляперфораторовявляютсябуры.Бурсостоитизштанги,хвостовикаикоронки.Различаютсплошные исоставныебуры.Усплошныхбуровкоронкаоткованазаодностеломбура,аусоставных-коронкасъемная.Дляглубокогобурениябурыизготавливаютсоставными,изотдельныхштанг,соединенныхмуфтамиилиниппелями.

Вкомплектинструментавходятнесколькобуров:забурник,длиной0,5÷0,8м;несколькоштанг,каждаяпоследующаядлиннеепредыдущейна0,3÷0,7м.Диаметркоронкикаждогопоследующегобурана1–3ммменьшепредыдущего.Суммарнаядлинасоставногобураможетдостигать9м.

Бурыизготавливаютизпрутковогостальногопрофиляшестигранногоиликруглогосечениядиаметром22,25,4и32мм.Бурпоосиимеетканалдиаметром6ммдляпродувкиили

промывкишпура.Длясоединенияштангмеждусобойиликоронкисоштангойприменяютспециальнуюкруглуюрезьбу,котораялучшевоспринимаетударныенагрузкиипредохраняетинструментотсамопроизвольногоразвинчивания.Наибольшеераспространениедлякреплениякоронкинаштангуполучилоконусноекрепление.Коронкадержитсясиламитрения.Уголконусности– 3,5°.

Коронкибываютпростымиисложными.Кпростымотносяткоронкидолотчатойформы.Наибольшеераспространениеполучилидолотчатыеикрестовыекоронки.Лезвиякоронокзатачиваютсяподуглом90 ÷ 120° (взависимостиоткрепостипород).

Потипуармированиякоронкимаркируются:

• КДП,КДШ –долотчатые;

• КТП, КТШ –трехпёрые;

• ККП, ККШ –крестовые;

• КХП,КХШ –Х-образные;

• КОШ–коронкиодноразовогоиспользования.

Комплектбуровогоинструментадляударно-вращательногобурениясостоитизбуровыхштанг,переходника,пневмоударникаикоронки.

Буроваяштангасостоитизтрубы,муфтыиниппеля.Переходниксоединяетставштангспневмоударником.Различаюттривидасоединенияштанг:замковоесконуснойрезьбой,муфтовоеиниппельное.

Буровыекоронкиклассифицируют:

• почислуразрушающихлезвий–долотчатые,трехперые,крестовые,Х-образные,многолезвийные;

• порасположениюразрушающихлезвий–одноступенчатые,двухступенчатые(сопережающим лезвием),многоступенчатые.

Коронкимаркируются:К-105К, К-125К, К-100В,БК-155.

Погружныепневмоударникиявляютсяодновременноибуровыминструментомиударныммеханизмом.

Вкомплектбуровогоинструментадляшарошечногобурениявходятштанги,шарошечныедолота,переходникииинструментдляликвидацииаварийвскважине.

Штангиимеютконструкцию,аналогичнуюконструкцииштангдляударно-вращательногобурения.

Шарошечноедолотосостоитизкорпусаишарошек.Шарошкаявляетсяразрушающимэлементомдолота.Почислушарошекразличаютодно-,двух-,трех-,четырех-имногошарошечныедолота.Многошарошечныедолотаприменяютприбурениискважинболее600ммдиаметром.Наибольшеераспространениедлябурениявзрывныхскважинполучилитрехшарошечныедолота.

Трехшарошечныедолота,применяемыевгорноруднойпромышленности,состоятизтрехсварныхсекций(лап),накоторыхмонтируютшарошки.Опорышарошеквзависимостиотразмеровдолотвыполняютпоразличнымсхемам.Вгорнойпромышленноститрехшарошечныедолотаприменяютсопорами(Р—Ш—Р),имеющимидвасиловыхроликоподшипникаимеждунимиодиншариковый(замковый).Надолотахмалыхдиаметровнижнийподшипникможетбытьшариковым(Р—Ш—Ш)илискользящеготипа.Долота,предназначенныедлятяжелыхусловийэксплуатации,снабжаютупорнымподшипникомскольжения (УПС).

Шарошкиилапыдолот,восновном,изготовляютизхромоникелевоймалоуглеродистой(12ХН2),(20ХНЗА)иникель-молибденовой(17НЗМА)сталей,иподвергаютхимико-термическойобработке.

Типшарошечногодолотавыбираютвзависимостиотназначения,конструкции,формышарошек,расположенияпоследнихотносительноосидолотаизабоя,числаиразмеразубьев,абразивнойстойкостизубьевиспособаочисткиот,буровоймелочи(воздухомиливоздушнойсмесью).

Длябурениягорныхпородвзависимостиотихкрепостиприменяюттрехшарошечныедолотатринадцатиразличныхтипов(табл.4.3).

ДлябурениявзрывныхскважиннакарьерахгорноруднойпромышленностинаиболееширокоиспользуюттрехшарошечныедолотатиповК,ОКиТсдиаметрами146;161;215,9;244,5и320 ммимассой12—90 кг.

Зубьяшарошек(вооружение)долотМЗ,МЗС,СЗ,ТЗ,ТКЗ,КиОКвыполняютввидефрезерованныхнателеилизапрессованныхвпояскителашарошектвердосплавныхизкарбидавольфрамавставок(штырей)склиновидными(МЗ,СЗиТЗ)илисферическими(КиОК)рабо-чимиповерхностями.ДолотатипаТКЗимеютчередующиесяклиновыеисферическиештыри,атипаТК—комбинированноевооружение,состоящееизчередующихсятвердосплавныхзубьевсполусферическимиголовками,запрессованныхвтелошарошки,ивыфрезерованныхвнейзубьев,наплавленныхзерновымтвердымсплавом.Шарошкидолот С,Т,СТ,М,МС иМЗСимеюттолькофрезерованныезубья,наплавленныезерновымитвердымисплавами.

Таблица4.3.Типышарошечныхдолот(поГОСТ20692—75)

Тип	Областьприменения	Вооружениедолота
М МЗ МС МЗС	Мягкие Мягкиеабразивные Мягкиеспропласткамисреднейтвердости Мягкиеабразивныеспропласткамисреднейтвердости	ФрезерованныеТвердосплавныеФрезерованные Фрезерованныеиливставные
С СЗ СТ	Среднейтвердости АбразивныесреднейтвердостиСреднейтвердостиспропласткамитвердых	ФрезерованныеВставныеФрезерованные
ТТЗТК ТКЗ	Твердые Твердыеабразивные Твердыеспропласткамикрепких Твердые абразивные с пропласткамикрепких	ФрезерованныеВставныеФрезерованныеиливставные Вставные
КОК	Крепкие Оченькрепкие	ВставныеВставные

Затылкилапдолотазащищаютсяотабразивногоизносатвердосплавнымивставкамиилиштырямиизкарбидавольфрама.

Длявнешнегоопределениятипасцельюудобствавыборадолотаокрашиваютвразличныецветаимаркируютнаторцовойчастиниппелядолота.Кдолотуприкладываютпаспортсшифром,напримерШ269,9К-ПГВ,означающим,чтоэтотрехшарошечное(Ш)диаметром269,9мм,долотодлябурениякрепких(К)пород,имеющеецентральную(П)и периферийную (Г)продувку,атакжеподшипникикачения.Надолотеобозначаюттакженомеридату(обычномесяци год)выпускасзавода.Нумерациядолот назаводахобычноведетсяежегодно,начинаяспервогономера.

Основныезаводы—изготовителишарошечныхдолот длягорноруднойпромышленности

—Верхне-Сергинский,ДрогобычскийиКуйбышевскийдолотныезаводы,ВостокмашзаводиПоваровскийопытныйзаводМинтяжмаша.

Эффективностьшарошечногобурениявзначительнойстепенизависитотэксплуатационныхсвойствбуровогоинструментаирежима егоработы.Практика эксплуатациишарошечныхдолотдиаметром161—381 ммпоказывает,чтонаилучшаястойкостьвооружения

долотаиегоподшипниковобеспечиваетсяприосевыхнагрузкахсоответственнонеболее,0,8—1,35 МН/м(табл.4.4).

Таблица4.4.Типышарошечныхдолотипредпочтительныесредние режимныепараметрыихэксплуатации

Характеристикапороды	Тип породы	Коэффи-циенткрепости, f	Тип долота	Осеваянагрузканадолото, МН/м	Частотавращениядолота, с-1
Мягкие (снизкимиабразивностьюисопротивляе-мостьюбурению)	Вскрышныепороды,глинистые сланцы,суглинки, известняки	≤6	М,МС,МЗ,	0,2—0,6	1,5—2,5
Среднейкрепости	Твердыесланцы,песчаникимягкие,твердыесуглинки,кремнистыеизвестняки	≤8	С,СЗ,СТ	0,4—0,8	1,33— 1,66
Твердые	Полуабразивныеизвестняки, песчаники,доломиты, выветрелыеграниты, медь содер-жащиепорфиры	8—14	Т,ТКТЗ,ТКЗ	0,7—1,4	1–1,5
Крепкие	Абразивныебазальты,гранит,кварциты,железныеруды	≥ 12	К. ОК	0,9–1,8	1,66 – 1,17

Одно изосновныхусловийуспешнойработыдолотаявляетсяподачакнемудостаточногоколичествавоздухатребуемогодавления.Благодаряподаче воздухаповоздушномуканалунаподшипникиобеспечиваютсяих охлаждениеипредотвращение поступлениякнимтонкогоабразивногоматериала,образующегосяприбуренииназабоескважины. Величинавоздушногопотока,поступающегонаподшипники,регулируетсясменнымидроссельныминасадками,выборкоторыхпроизводитсяизрасчета подачинаподшипникиоколо 20 %общегорасходавоздуха.

Остальнаячастьвоздуха подаетсячерезпериферийные насадкиназабойскважиныдляегоочисткиотпродуктовразрушения.Сухойвоздух—наилучшаярабочаясреда,обеспечивающаядолговечностьподшипников.

Однаковбольшинствеслучаевприбурениивзрывныхскважинтребуетсяподавлениепыли,чтоосуществляетсяинжекциейводывместесподаваемымвоздухом.Длязащитыподшипниковдолотаотабразивногошлама,попадающеговнихглавнымобразомизпродувочныхмагистралейбуровойколонки,кудаонзаливаетсяизскважинпривременномпрекращениипродувки,вниппельустанавливаютдиффузорсовстроеннымсетчатымвоздушнымфильтром,водоотделителемиобратнымклапаном.

Припоступлениивканалдолотаводовоздушнойсмесиболееплотнаяводаоттесняетсякпериферииинаправляетсячерезнасадки,втовремякакпрактическиобезвоженнаячастьпотокавоздухаизменяетнаправлениедвиженияипоступаетвканал,подводящийвоздухкподшипникам.Приподачесжатоговоздухакдолотуобратныйклапаноткрывается,пропускаявоздухкканаламопор.

Сувеличениемкоэффициентакрепостипородfот6до20расходынабуровойинструментвстоимостибурения1мскважинывозрастаютот15до75%.Большинствозубчатыхдолотв

породахспоказателемП_б>8выходитизстрояиз-занизкойстойкостивооружения(средняястойкостьдолотнепревышает120—170 м).

ШтыревыедолотаприбурениипородспоказателемП_б>13—14восновномвыходятизстрояиз-зазаклиниванияподшипниковопор.Стойкостьопоррезковозрастаетиврезультатепримененияпринудительнойихсмазкивпроцессеработы.Смазкаопордолотаосуществляетсяспомощьюмасляно-воздушноголубрикатора,устанавливаемогонаддолотом.

Комплектбуровогоинструментадлястанковвращательногобурениярежущимикоронкамисостоитизрезцовыхкоронок ишнековыхштанг.

Резцовыекоронкиразличаютсячисломлезвий(перьев),способомихзакрепления,формойрежущейкромки,способомармированиятвердымсплавомирасположениемрезцовнакорпусе.Существуюткоронкикаксосплошной,такиспрерывистойрежущейкромкой.Впоследнемслучаемогутприменятьсясъемныерезцы.

Резцовыекоронкисосплошнойрежущейкромкой(рис.4.1,а)армируютсяпластинками3твердогосплава,напаянныминепосредственнонакорпус2,отлитыйсовместносхвостовиком/.Прибурениисравнительнобольшаядлинарежущейкромкинепозволяетразвиватьвысокихудельныхусилий.Коронкапредназначенадлябуренияпопородеирассчитананапериодическуюзаточку.Наличиерассечкииразводперьевпредо-храняютееотзаклиниванияв трещинах.

Резцовыекоронкисрежущейкромкойступенчатойформы(рис.4.1,б),обеспечивающейразрывсплошностиконтактакромкисзабоем,снижаютэнергоемкостьбурения.Ониимеютсъемныепериферийные1ицентральные2резцы,закрепляемыевкорпусе3шплинтами4.

Дляармированиябуровогоинструментаприменяютметаллокерамические(ВК)твердыесплавы.

СтойкостькороноктипаДР-160Швпородахс/<5составляет1600—2000м,приэтомудельныйрасходтвердогосплаванепревышает0,7—0,9 г/м.

ВКузПИразработаныбуровыекоронкиКПБ-1сосмен-нымирезцамиотпроходческихкомбайнов.Коронкаимеетканалыдляподводасжатоговоздухаипредназначенадлябурениясошнекопневматическойочисткойскважиныотбуровоймелочи.

Шнековыйбуровойставслужитдляпередачикрутящегомоментадолоту,атакжеочисткискважины.Онсоставляетсяиз

Рис.4.1.Резцовыекоронкидлявращательногобурения

секций,каждаяизкоторыхсостоитизтрубы(рис.4.2)спривареннойкнейспиралью2 изполосовойсталиихвостовиков3и4.Соединение

Рис.4.2.Шнековые буровые штангисоспиралью:

а-сплошной;б-полойкоробчатой;в-полойуступчатой;г-ленточной;д-срадиальнымиотверс-тиямивтрубе;е-секционной

секций(неимеющихпродувки)междусобойпроизводитсяспомощьюваликов,продеваемыхсквозьотверстияхвостовиков.Аналогичнымобразомверхнийшнекставасоединяетсяспереходником шпинделявращателя, а книжнейштанге присоединяетсядолото.

Штангидляшнекопневматическойочисткиимеютсквозноевнутреннееотверстие,резьбовоесоединениеиразличнуюформуспирали.

Длястанковшнековогобурениявосновномприменяюттритипаштангдиаметромпоспиралиот107до155мм,длинойот1800до8190ммимассойот20до270кг.Долговечностьштангидоразрушениясоставляет3—4тыс.м(взависимостиотабразивностиикрепостипороды).

Наружныйдиаметршнекадляуменьшениятренияостенкискважиныдолженбытьна10%меньше диаметрадолота.

Уштангспродувкойсжатыйвоздухподаетсянетолькокзабоюскважины,ноичерезрадиальныеотверстиявтрубештангикмежвитковомупространствушнека,чтопозволяетсмещатьбуровуюмелочькперифериискважины—кзонеболееинтенсивногодвижениявоздушногопотока.