книги из ГПНТБ / Эстеров, Я. Х. Буровзрывные работы на транспортном строительстве учебник

Поэтому толщина слоя породы разрушаемого за один оборот бура может быть выражена формулой

где кб — коэффициент, зависящий от свойств породы (коэффициента и угла внутреннего трения), определяемый непосредственно при бурении.

В транспортном строительстве вращательное бурение широко применяют при взрывном рыхлении мерзлых грунтов. В этом случае наиболее полно реализуются положительные стороны такого бурения, лучшие санитарно-гигиенические условия, простота способа транс­ портировки бурового шлама из шпура, простота, легкость и дешевизна средств бурения, использование одного вида энергии и подвижных (самоходных) ее источников. Механический привод рабочего органа возможен От двигателя легкого трактора. Все это позволяет выполнять вращательное бурение в условиях строительства при наименьшей стоимости и трудоемкости по сравнению с другими способами.

С семидесятых годов вращательное бурение скважин получило так­ же распространение на карьерах, обслуживаемых Всесоюзным тре­ стом Трансвзрывпром, при работах в некрепких и слабоабразивных скальных породах V и VI групп.

Для вращательного бурения шпуров и скважин применяют буро­ вые машины БТС-60, БТСМ, БТС-150, станки СВБ-2М и др.

Физические основы и закономерности ударного бурения

Основой современного ударного бурения — перфораторного и пневмоударного — является динамическое внедрение инструмента в гор­ ную породу. Такое бурение характеризуется относительно плавным внедрением инструмента по сравнению с шарошечным и вращатель­ ным способом бурения скальной породы, когда скорости удара не пре­ вышают 2 м/с, Единичное динамическое внедрение инструмента в гор­

20

носит циклический характер, критические напряжения возникают последовательно в каждом очередном слое.

. При перфораторном бурении рабочий орган остается на поверх­ ности, а с углублением шпура увеличиваются потери энергии, переда­ ваемой долоту через штангу, и уменьшается скорость бурения. Одна­ ко передача удара может быть осуществлена путем возбуждаемых при соударении действующих масс ударника и элементов составной штанги волновых процессов. В таких случаях при бурении в хрупких породах потери энергии будут минимальны.

При пневмоударном бурении скважин рабочий механизм находится в конце штанги, у забоя, и продвигается в скважине по мере ее углуб­ ления. Энергия удара передается от ударника породоразрушающему инструменту в количестве, практически не зависимом от глубины скважины.

Работу указанных пневматических бурильных механизмов, не­ смотря на описанные различия в их конструкции и способах передачи энергии удара, характеризует один и тот же принцип внедрения ин­ струмента в породу —- динамический удар и одинаковые факторы, опре­ деляющие эффективность бурения: величина энергии удара и скорость' движущейся массы поршня и штока в момент удара; число ударов штока поршня в минуту; скорость вращения бура и крутящий момент, раз­ виваемый механизмом поворота; давление и расход сжатого воздуха.

Пневмоударные бурильные механизмы имеют небольшие размеры, что ограничивает также массу т движущихся и ударяющих частей. Увеличение энергии удара в них достигается за счет большой скорости v движения поршня в момент удара. При этом число ударов штока доведено до 1800—2600 в минуту (в высокочастотных машинах до 3000 ударов в минуту и более).

Вращательному действию бура при пневмоударном -бурении отво­ дится вспомогательная роль. Углубление инструмента в забой проис­ ходит только при ударе по породе. При повороте после внедрения в по­ роду прижатого к забою лезвия долота происходит некоторый его подъем на неразрушенный участок без отрыва от забоя. Это позволяет несколько увеличить, угол поворота (окружную скорость) инструмента по сравнению с принимаемыми при перфораторном бурении и снизить число ударов бура за один оборот при неизменной эффективности бурения.

Угол приострения (заточки) инструмента оказывает значительное влияние на эффект разрушения. В тех случаях, когда он меньше угла, образующегося в породе скола, инструмент погружается глубже, скалы­ ваемые частицы имеют более крупные размеры, коэффициент полез­ ного действия бура повышается. То же происходит в хрупких породах с малым коэффициентом вязкости.

Исследования работы бурильных машин показывают, что повы­ шение давления сжатого воздуха с 7 до 10—12 кгс/см3 увеличивает скорость бурения.в 2 раза.

Увеличение работы удара в бурильных машинах практически пря­ мо пропорционально давлению Р сжатого воздуха и в некоторых пределах увеличивает пропорционально объем разрушаемой породы.

Рис. 4. Схема шарошки:

а— цилиндрической; 6 — конической

сзубцами или штырями в виде цилиндров, один конец которых имеет сферическую форму. При катании такая шарошка поворачивается во­ круг оси тп, обрабатывая зубцами площадь 5 круга с радиусом, рав­ ным длине образующей конуса.

Опытом установлено, что скорость шарошечного бурения в преде­ лах практически применяемых осевых давлений Р прямо пропорцио­ нальна осевому давлению. Для эффективного бурения величина этого давления должна превосходить сопротивление породы сжатию по площади контакта долота с породой и составлять 600—800 кгс/см при бурении зубчатыми и 800—1200 кгс/см при бурении штыревыми долотами в зависимости от свойств породы и диаметра долота. Во всех случаях осевое давление должно быть не менее 400 кгс на 1 см диамет- ' ра долота. При постоянных осевом давлении и расходе воздуха ско­ рость бурения vm с увеличением скорости вращения бурового става до 60—100 об/мин увеличивается. Дальнейшее повышение скорости вращения долота не дает практически прироста скорости бурения.

Скорость бурения достигает максимума в том случае, когда зубцы при катании шарошки не попадают в одни и те же точки забоя, не переизмельчают частицы разрушенной породы, а достигают чистой поверх­ ности забоя скважины. Таким образом, на скорость бурения vm вли­ яет также конструкция долота и шарошек. Для соблюдения указан­ ных условий необходимо также, чтобы продукты бурения быстро удаля­

лись из забоя.

Хорошо удаляет буровой шлам струя сжатого воздуха, поступаю­ щая в забой через отверстие в шарошечном долоте. Вынос продуктов бурения из скважины происходит за счет большой плотности восхо­ дящего потока воздуха. Увеличение подачи воздуха в 2 раза по срав­ нению с практикуемой в дорожном строительстве (8—10 м3/мин для скважин диаметром 150 мм) увеличивает скорость бурения в 1,8— 2 раза при прочих неизменных параметрах бурения. Объясняется это существенным улучшением очистки забоя скважины. При бурении

23 '

Шарошечное бурение в транспортном строительстве ведут с приме­ нением машин БТС-150 и БТС-75 (преимущественно при сооружении железных и автомобильных дорог) и 2СБШ-200 и 2СБШ-200Н (в карь­ ерах щебзаводов).

Механизм разрушения породы при ударно-вращательном бурении

Осевое давление инструмента при ударно-вращательном способе бурения либо превосходит в отличие от давления при вращательном бурении сопротивление породы смятию под рабочей кромкой лезвия, либо достаточно для удержания инструмента при срезе слоя породы в уровне выкола. Поэтому глубина внедрения инструмента в породу увеличивается с каждым динамическим ударом (рис. 5). Эффект разру­ шения при этом больше, чем при простом суммировании разрушений от ударного и вращательного бурения.

Для вращения бура при этом необходимо значительно большее удельное окружное усилие. Внедрение инструмента в породу проис­ ходит со скоростью 0,3—0,5 м/мин и более.

Удельное давление лезвия на породу в забое скважины, отнесенное на единицу его длины, достигает при ударно-вращательном бурении 30 кгс/мм против 4—6 кгс/мм при пневмоударном бурении, что обес­ печивает постоянный контакт лезвия инструмента с породой.

Для пород ниже средней и средней крепости (VI и VII группы) такое давление инструмента с заостренным лезвием является разру­ шающим.

Вследствие высокого давления и большой частоты ударов (2000—4000 ударов в минуту) скорость при ударно-вращательном бу­

25

Гл ава (II

СРЕДСТВА ДЛЯ БУРЕНИЯ

§8. МАШИНЫ ДЛЯ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ

Втранспортном строительстве для шарошечного бурения применяют машины БТС-150 и 2СБШ-200. Такое бурение может выполняться так­ же с применением универсальных буровых машин БТС-75 и БТСМ.

Машина БТС-150 является усовершенствованной моделью первой

внашей стране шарошечной машины БТС-2 для бурения скважин при разработке скальных выемок, созданной ЦНИИсом и Главстроймеханизацией Минтрансстроя с участием треста Трансвзрывпром.

Буровая машина БТС-150 наиболее распространена в транспортном строительстве. Она представляет собой комплекс навесного оборудова­ ния на тракторе Т-100М (рис. 7), а в варианте 1974 г. — на тракторе Т-130.

Основой навесного оборудования служит рама в виде сложной фер­

мы 3, шарнирно опирающаяся на задние кронштейны 6 на раме тележ­ ки трактора и на кронштейны 1 переднего домкрата 2. В верхней части

косновной раме 3 шарнирно прикреплена буровая рама 5, положение

впространстве которой можно изменять при помощи гидроцилиндров 4 наклона, закрепленных на той же раме.

На буровой раме 5 помещается вращатель 7 с гидроцилиндром подачи става, левым 9 и правым редукторами привода, представляю

Рис. 7. Общий вид буровой машины БТС-150:

а — сбоку; б — со стороны рабочего органа

27

щими единое кинематическое звено. Гидроцилиндр подачи' может быть приведен в транспортное положение.

Привод коробки передач осуществляется от вала отбора мощности трактора механическим путем с получением двух рабочих скоростей вращения бурового става и обратного хода. В гнездо выходного вала правого редуктора помещен квадратный вал, от которого крутящий момент передается вращателю.

На буровой раме закреплено кассетное устройство 10 для механи­ зированной подачи буровых штанг при их наращивании и разборке. Перемещают кассету со штангами к буровому ставу и обратно при помощи поршня гидроцилиндра.

Работа гидросистемы, включающей гидроцилиндры подачи буро­ вого става и кассеты, гидроцилиндры домкратов и наклона буровой рамы, обеспечивается шестеренчатым гидронасосом, установленным в передней части трактора под капотом.

Разбуренная порода и пыль отсасываются из скважины вентиля­ тором (см. рис. 7) через пылесборник 13 и бункер 12. Буровой шлам оседает в бункере, а пыль удаляется в атмосферу через поворотный патрубок. Вентилятор приводится в действие от коробки передач клиноременной передачей.

Передача энергии от двигателя трактора к буровому ставу проис­ ходит через вал отбора мощности и коробку передач буровой машины и через систему привода гидронасоса. От коробки передач движение на буровой став передается через карданный вал, два редуктора с коническими шестернями, квадратный вал и вращатель; на венти­ лятор — через двухступенчатую клиноременную передачу.

Вынос бурового шлама и охлаждение шарошечного инструмента осуществляются сжатым воздухом, получаемым от передвижного комп­ рессора.

Управляют передвижением буровой машины из кабины трактора, в которой расположены также все контрольные приборы. При бурении работой машины управляют с пульта, расположенного в задней ее части.

Всеми операциями, связанными с гидроприводом, управляют при помощи рукояток двух гидрораспределителей.

Управление операциями, связанными с механическим приводом, выполняют при помощи рычагов, смонтированных на щите 14, при­ крепленном к основной раме машины на швеллерах.

Привод дублированного управления муфтой сцепления трактора исключает возможность передвижения трактора при управлении с пульта бурильщика.

Техническая характеристика машин БТС-150 и БТС-2 приведена ниже.

28

базовым трактором, конструкцией гидросистемы и наличием всего двух домкратов.

Недостатком машин БТС-150 и БТС-2 является невозможность регулирования осевого давления в процессе бурения без перерыва этого процесса. При послойной разработке глубоких выемок невоз­ можно также бурение наклонных откосных скважин при проходке второго и нижерасположенных слоев.

- Главстроймеханизацией Минтрансстроя готовится к выпуску буро­ вая машина СБШ-160, в которой по техническому заданию ЦНИИСа предусмотрено механизированное выполнение всех вспомогательных операций.

Буровой станок 2СБШ-200 предназначен для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин в породах преимущественно VI —

29