Станки вращающего бурения с режущим инструментом: общие сведения, принцип действия, основные механизмы, буровой инструмент.

Станки вращательного бурения получили широкое применение на карьерах. Принцип действия станка вращательного бурения с режущим инструментом состоит в том, что буровое долото, которому от бурового става передаётся крутящий момент и осевое усилие подачи, своими режу- щими кромками производит непрерывное скалывание породы на забое. Продукты разрушения выдаются с забоя к устью скважины шнековой штангой, работающей как винтовой конвейер. Ввиду непрерывности ска- лывания породы режущей кромкой бурового долота станки вращательного бурения с режущим инструментом обеспечивают высокую производитель- ность. Станками вращательного бурения с режущим инструментом на ка- рьерах обуривают около 20 % взрываемой горной массы. Перспективность вращательного бурения обуславливается большими объёмами пород с ко- эффициентом крепости до 7 по шкале М.М. Протодьяконова, при бурении которых режущие долота имеют наиболее высокие технико-экономические показатели

Однако развитие вращательного бурения сдерживается из-за недостаточной стойкости режущего инструмента и ввиду отсутствия режущего инструмента, работающего в сочетании с продувкой скважины воздухом.

Работы по созданию станков вращательного бурения в России и дру- гих странах начались в 40-х гг. прошлого столетия, когда получил уско- ренное развитие открытый способ добычи полезных ископаемых, особенно на угольных месторождениях. Первые опытные образцы станков и приспо- соблений для вращательного бурения были созданы на угольных разрезах Урала. В 1947 г. начат выпуск простейших станков ПБС-110 для бурения по углю и мягким породам скважин диаметром 110-125 мм на глубину до 25 м.

Конструкция станка СБР-160 (рис. 6.1) постоянно совершенствуется. Так, в станке СБР-160А-24 предусмотрен компрессор для шнеко- пневматического удаления буровой мелочи из скважины, а в станке СБР- 160Б-32, который представляет собой модернизированный станок СБР- 160-24, в целях повышения технического уровня и надёжности работы улучшены узлы, в том числе ходовой части. В 1990 г. прошёл испытания станок 2СБР-160-24 и по их результатам рекомендован для серийного из- готовления. В отличие от предшествующих моделей, в этом станке подача бурового става на забой, создание осевого усилия и спускоподъёмные опе- рации осуществляются канатно-гидравлическим механизмом подачи.

Для повышения производительности при бурении в сложнострук- турных породах с коэффициентом крепости от 2 до 12 различными спосо- бами (режущий, шарошечный, пневмоударный) разработаны станки ком- бинированного бурения, рассчитанные на шнеко-пневматический и пнев- матический способы удаления буровой мелочи из скважины.

Разработана конструкция и освоено изготовление комбинированного станка БТС-150 для бурения вертикальных и наклонных скважин в поро- дах крепостью до 12 (рис. 6.2).

Станок осуществляет бурение режущими долотами со шнековой очисткой или шарошечными долотами с продувкой сжатым воздухом с пе- редвижной компрессорной установкой Применение этот станок получил в сложных горногеологических условиях и при удалённости участков от ли- ний электрификации. Привод основных механизмов станка БТС-150 про- изводится от дизельного двигателя.

Специальное конструкторское бюро института горного дела им. А.А. Скочинского и институт открытых горных работ разработали станок ком- бинированного бурения СБШК-200 (рис. 6.3).

Этот станок предназначен для бурения глубоких взрывных скважин диаметром 190,5 и 215,9 мм режу- щим, шарошечным и комбинированным режуще-шарошечным инструмен- том, станок оснащён двумя комплектами буровых штанг, размещённых в различных кассетах. Витые штанги предназначены для бурения со шнеко- вой или шнеко-пневматической очисткой скважины, а гладкие штанги ис- пользуются для бурения с воздушной очисткой. Для приводов гусеничного хода, вращателя и лебёдки подъёма бурового става на станке применён объёмный гидропривод с высокомоментными гидродвигателями.

Крутящий момент на буровой став и барабан лебёдки передаётся от безредукторных приводов вращателя и лебёдки.

Несмотря на разнообразие конструкций, станки вращательного буре- ния с режущим инструментом состоят из следующих основных узлов: хо- довой базы, мачты для размещения бурового снаряда и направления пода- чи буровых штанг при бурении скважины, механизма подъёма и опускания мачты, вращателя бурового става, механизмов наращивания и подъёма бу- рового става, выравнивания станка перед бурением, подачи бурового става на забой.

Кроме того, станок вращательного бурения может снабжаться ком- прессорной установкой и устройством для улавливания и сбора продуктов разрушения в случае использования шнеко-пневматической очистки сква- жины от буровой мелочи

Механическое оборудование станков

Станок режуще-вращательного бурения СБР-160Б-32 предназначен для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 160 мм и глу- биной 32 м. В пе- редней части станка установлена мачта, угол наклона которой изменяется с помощью специальных гидроцилиндров, вращатель станка движется по направляющим мачты и имеет рабочий ход 8 м. Для механизации наращи- вания и укорачивания бурового става предусмотрена кассета с комплектом штанг. Оборудование станка монтируется на специальной сварной раме, которая служит несущим основанием. На раме установлены кабельный ба- рабан, домкраты горизонтирования станка, кабина с пультом управления и кузов машинного отделения. В машинном отделении размещены масло- станция, компрессорная установка, сварочный трансформатор и привод механизма подачи, который обеспечивает принудительное регулирование подачи бурового става и быстрый подъем его по окончании процесса бу- рения. Маслостанция обеспечивает работу гидродвигателя рабочей подачи, гидроцилиндров подъёма и опускания мачты, горизонтирования станка, а также гидроцилиндров центратора и поворота кассеты. Компрессорная установка станка используется при варианте шнеко-пневматической очистки скважины от буровой мелочи. Привод станка – электрический, от карьерной сети переменного тока. В качестве вторичного привода приме- нён гидропривод (гидроцилиндры и гидродвигатель подачи).

Станок режуще-вращательного бурения СБР-160Б-32 предназначен для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 160 мм и глу- биной 32 м. Станок смонтирован на многоопорном гусеничном ходу. В пе- редней части станка установлена мачта, угол наклона которой изменяется с помощью специальных гидроцилиндров, вращатель станка движется по направляющим мачты и имеет рабочий ход 8 м. Для механизации наращи- вания и укорачивания бурового става предусмотрена кассета с комплектом штанг. Оборудование станка монтируется на специальной сварной раме, которая служит несущим основанием. На раме установлены кабельный ба- рабан, домкраты горизонтирования станка, кабина с пультом управления и кузов машинного отделения. В машинном отделении размещены масло- станция, компрессорная установка, сварочный трансформатор и привод механизма подачи, который обеспечивает принудительное регулирование подачи бурового става и быстрый подъем его по окончании процесса бу- рения. Маслостанция обеспечивает работу гидродвигателя рабочей подачи, гидроцилиндров подъёма и опускания мачты, горизонтирования станка, а также гидроцилиндров центратора и поворота кассеты. Компрессорная установка станка используется при варианте шнеко-пневматической очистки скважины от буровой мелочи. Привод станка – электрический, от карьерной сети переменного тока. В качестве вторичного привода приме- нён гидропривод (гидроцилиндры и гидродвигатель подачи).

По кинематической схеме вращение буровому ставу станка СБР- 160Б-32 (рис. 6.4) передаётся от вращателя 1 с трёхскоростным асинхрон- ным двигателем М2 (А02-92-8/6/4) и двухступенчатым редуктором. Изме- нение частоты вращения бурового става производится ступенчато – пере- ключением числа пар полюсов двигателя.

Рис. 6.4. Кинематическая схема станка СБР-160Б-32

При спуске и подъёме бурового става вращение от асинхронного двигателя М5 (4АС1804) через втулочно-пальцевую муфту 9 передаётся на быстроходный вал редуктора (РМ-Ц2У-315), тихоходный вал которого че- рез зубчатую муфту связан с барабаном 10. При этом гидродвигатель МП (МР-0,16/10), соединённый с быстроходным валом редуктора посредством электромагнитной муфты 7 (ЭТМ121АС), отключён и не работает. При бу- рении вращение от гидродвигателя МГ1 через электромагнитную муфту передаётся быстроходному валу редуктора, а затем на барабан лебёдки. При этом тормоз 8 (ТКГ-200) расторможен, и ротор асинхронного двигате- ля вращается вхолостую с частотой вращения, равной частоте вращения гидродвигателя. Тормоз ТКГ-200 сблокирован с обоими двигателями и при включении любого из них растормаживается, а при выключении обоих двигателей – затормаживается и удерживает буровой став на весу.

Кроме принудительной подачи на забой механизм подачи обеспечи- вает возможность бурения под действием собственного веса бурового става, для чего должно быть подано питание на катушку электромагнитного тормоза. Регулирование скорости подачи при бурении производится с по- мощью дросселя с регулятором, установленным на пульте управления. Подъёмный канат 4 идёт от барабана 10 через направляющий блок 6, ниж- ний блок 3, средний блок 2, блоки 21 и далее через блок 22 на вращателе, возвращается наверх мачты на блоки 21 и к месту крепления его непо- движных концов. Напорный канат 5 проходит от барабана 10 через направляющий блок 6, нижний блок 3 и далее через средний блок 2, про- межуточные блоки 12, блоки 23, 20 на вращателе и блоки 15 к месту креп- ления неподвижных концов. При сматывании одного каната другой нама- тывается и укладывается на место смотанного. Это обеспечивает мини- мальную длину барабана. Принятая схема запасовки создаёт автоматиче- ское натяжение ненагруженного каната. Для компенсации вытяжки кана- тов на каждом неподвижном конце предусмотрено натяжное устройство 18, 19.

Подача буровых штанг на ось вращения осуществляется кассетиру- ющим механизмом 16 состоящим из барабана и двух поворотных крон- штейнов. Поворот барабана кассеты производится посредством храпового механизма 17 с приводом от гидроцилиндров, а вывод барабана кассеты на ось бурения – двух гидроцилиндров. При сборке и разборке буровой сна- ряд удерживается вилкой 14 с гидроприводом.

Гусеничный ход станка имеет два независимых привода на каждую гусеницу. Привод каждой гусеницы состоит из электродвигателя М3, М4, редуктора, муфты, переходника, колодочного тормоза 11 (ТКГ-200).

Редуктор – четырёхступенчатый прямозубый эвольвентный, имеет механизм отключения приводного двигателя при буксировке станка на по- сторонней тяге.

Компрессор (ПК-3,5М) и вентиляторы машинного отделения приво- дятся от электродвигателей соответственно М10, М8, М9. Кабельный ба- рабан предназначен для автоматической навивки и размотки кабеля при передвижении станка. Он приводится во вращение от гидродвигателя МГ2 через редуктор и цепную передачу. Ёмкость барабана 350 м. Для удаления штыба от устья скважины станок снабжён штыбоотбрасывателем 13. Ло- пасти штыбоотбрасывателя приводятся во вращение через двухступенча- тый редуктор от электродвигателя М6 мощностью 1,5 кВт. Для привода насоса H1 маслостанции станка используется электродвигатель М7 мощ- ностью 7,5 кВт.

На станке СБР-160Б-32 полностью механизированы операции по сборке и разборке бурового става. Удержание бурового става на весу и размыкание замковых соединений при разборке обеспечивается специаль- ным устройством (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Установка для разборки бурового става станка СБР-160Б-32

1 – вилка, 2 – гидроцилиндр размыкания защёлки штанг,

3 – плита с направляющими, 4 – гидроцилиндр привода вилки

При разборке бурового става шнек фиксируется вилкой 1 и масло подаётся в поршневые полости цилиндров 2. Штоки цилиндров выдвига- ются и, воздействуя на толкатели шнеков, утапливают защёлки и размы- кают замок.

Для бурения сложноструктурных пород созданы станки комбиниро- ванного бурения, в которых буровым инструментом являются режущие, шарошечные и комбинированные долота. Буровой станок 2СБР-125-30 предназначен для бурения направленных скважин по углю и породам с ко- эффициентом крепости до 10 и глубине не более 30 м. Станок имеет гидравлические приводы вращателя и механизма подачи, что позволяет бес- ступенчато регулировать частоту вращения бурового става и скорость по- дачи, а также пылеулавливающую установку с трёхступенчатой очисткой. Станок состоит из ходовой части, рамы с кузовом и мачты с рабочим орга- ном, основные части которого – вращательно подающий механизм, кассе- ты, люнет и центратор.

Вращательно-подающий механизм станка 2СБР-125-30 (рис. 6.6) со- стоит из вращателя и двух механизмов подачи, оси которых перпендику- лярны оси шпинделя.

Рис. 6.6. Схема вращательно-подающего механизма станка 2СБР-125-30

Вращение от гидродвигателя МТ1(МН-250/100) через планетарный редуктор и муфту 11, соединяющую шлицевой вал редуктора и шпинделя 10, передаётся буровому ставу. Гидродвигатель МГ2 (Г15-23) через плане- тарный редуктор 3 передаёт крутящий момент ведущим звёздочкам 9. Ве- дущие звёздочки входят в зацепление с втулочно-роликовыми цепями 5, проходящими вдоль направляющих мачты станка 6. Постоянное сцепление ведущих звёздочек с цепями обеспечивают отклонение звёздочки 4. Концы цепей закреплены на нижних и верхних связях мачты с помощью пружин- ных амортизаторов. Натяжение цепей производят регулировочным винтом

7. Редукторы вращательно-подаюшего механизма смонтированы на сталь- ной раме в общем литом корпусе 2. Для перемещения рамы по направля- ющим мачты рама снабжена роликами 8. Механизм подачи создаёт осевое усилие до 40 кН, скорость подачи 1,5 м/мин. В гидравлическую систему станка 2СБР-125-30 входят маслобак, гидроаппаратура, три шестерённых насоса с приводом от одного электродвигателя. Функции гидропривода – обеспечение горизонтирования станка; подъем и опускание мачты; пово- рота и выдвижения барабана кассеты; привод основных и вспомогатель- ных механизмов.

Привод ходовой части осуществляется от двух высокомоментных лопастных гидродвигателей ВЛГ-400.

Буровой станок БТС-150 (см. рис. 6.2) предназначен для бурения скважин диаметром 160 мм в сложноструктурных породах с использовани- ем режущего, шарошечного или пневмоударного бурового инструмента. При бурении режущим инструментом удаление буровой мелочи из сква- жины производится шнеками, а при шарошечном бурении – сжатым воз- духом от передвижного компрессора. Буровая мачта станка крепится шар- нирно к раме ходовой тележки и с помощью специальных гидроцилиндров может изменять наклон. По направляющим мачты посредством силового гидроцилиндра с рабочим ходом 2155 мм перемещается вращатель. Для передачи крутящего момента буровому ставу используется одноступенча- тый цилиндрический редуктор и полый шпиндель, который служит также для подачи на продувку сжатого воздуха. Станок изготавливается на базе трактора Т-100М или T-130.

Подача буровых штанг на ось скважины производится с помощью кассетирующего механизма, состоящего из барабана и гидроцилиндра. Ба- рабан вокруг своей оси поворачивается вручную. В ячейках барабана уста- навливается восемь буровых штанг. Горизонтирование станка производит- ся тремя гидродомкратами. Установка переднего домкрата под углом 15° к вертикали придаёт устойчивость станку при бурении наклонных скважин и

предохраняет штоки домкратов от изгиба. Станок оборудован пылеулавливающей установ- кой, состоящей из отсасываю- щего вентилятора, пылесбор- ника и бункера осадительной камеры. Управление станком осуществляется через вынос- ной пульт с блокировкой, ис- ключающей самопроизвольное движение станка.

Самоходный буровой станок СБШК-200-50 (рис. 6.7) предназначен для комбиниро- ванного бурения и комбиниро- ванной очистки направленных взрывных скважин. Ходовая часть 1 станка состоит из двух гусеничных тележек.

Рис. 6.7. Самоходный буровой станок СБШК-200-50

Независимое управление гусеницами осуществляется благодаря ин- дивидуальному приводу от высокомоментных гидромоторов МРРФ-4. На раме 2 станка монтируется рама 6 с рабочим органом 7, кабина машиниста 9 с пультом управления, кузов 4, пылеулавливающая установка 11, гидро- домкраты горизонтирования 3, 16. В машинном отделении монтируются винтовой компрессор 20 (ВК11), маслостанция 12 и лебёдка подъёма 13, безредукторный привод которой осуществляется от регулируемого высо- комоментного гидромотора МРРФ-4.

Крутящий момент на буровой став передаётся от шпинделя безре- дукторного вращателя 10, соединённого через опорный узел с гидродвига- телем МРРФ-4. Подача бурового инструмента на забой осуществляется по- средством двух трехкулачковых гидропатронов, соединённых со штоками, двух гидроцилиндров подачи. Гидропатроны производят периодические захваты за направляющие струны мачты, что обеспечивает шагающий спо- соб подачи с автоматическим перехватом.

Установка мачты в вертикальное, наклонное и транспортное поло- жение производится двумя гидроцилиндрами подъёма 8, а фиксация мачты в рабочем положении – телескопическими подкосами 5. Станок оборудо- ван пылеулавливающей установкой с трёхступенчатой очисткой, состоя- щей из осадительной камеры 19, циклона 18 (ЦК-15У), фильтрационной камеры 17, вентилятора 14 (ВВД-8У) и механизма встряхивания 15.

Применение для привода вращательно-подающего механизма, ле- бёдки подъёма бурового става и гусеничного хода безредукторного объём- ного гидропривода с вымокомоментными гидродвигателями позволило уменьшить массу станка и повысить долговечность узлов за счёт снижения динамических нагрузок. Установленные на станке гидродвигатели позво- ляют бесступенчато регулировать скорость в широком диапазоне и облег- чают пусковые режимы. Опыт эксплуатации станка на Ирша-Бородинском разрезе ПО "Красноярскуголь" свидетельствует о высокой эффективности его применения. При использовании режущих долот конструкции ИрГТУ его среднесменная производительность составила 187 м.