книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

сталь в процессе прокатки упрочняется, что благоприятно сказы­ вается на прочности инструмента.

В СССР холоднокатаную сталь в трубах из марок 12ХНЗА

(ГОСТ 4543-61, ЗОХМА (МПТУ 2164-49) и 28ХГНЗМ( ц ^иичм 1239—64^ производит Первоуральский новотрубный завод. Сталь

диаметром 38 мм имеет толщину стенки 10—12 мм.

В табл. 27 приведены данные о буровой стали, выпускаемой за рубежом. Кроме стали, указанной в таблице, в США применяют

При выборе стали придают большое значение ее усталостным характеристикам.

На рис. 66 показаны усталостные характеристики никельхроммолибденовой и молибденовой стали. Для первой стали предел выносливости равен 35,20 кгс/мм2 и для второй 32 кгс/мм2. Причем эти значения наступают при 106 циклах, что соответствует 10 ч работы перфоратора. Если в ударном импульсе величина напряже­ ний превосходит предельные усталостные напряжения (предел вы­ носливости), то штанга ломается через указанное время. Если они меньше, то штанга работает более длительный срок, определяемый износом.

При испытании гладкого образца сталь 55С2 имеет предел вы­ носливости 41—44 кгс/мм2 и сталь 28ХГНЗМ 55—64 кгс/мм2. При плохой поверхностной обработке предел усталости для сталей снижается в 2—2,5 раза.

Буры и буровые штанги

Буры служат для передачи импульса в породу и для передачи крутящего момента лезвию инструмента. Буры различают цельные и составные. Цельные буры могут быть со стальной закаленной головкой и головкой, армированной твердым сплавом (рис. 67). Большое распространение получили составные буры со съемными коронками. Применение съемных коронок исключает необходимость транспортировать большое количество буров для переточки.

101

Элементы составного бура соединяются с помощью конуса или резьбы. В СССР наибольшее распространение получили конусные соединения с углом посадочного конуса 7°. Централизованное изго­ товление буровых штанг организовано на Кузнецком машинострои­ тельном заводе, на металлургическом комбинате им. Серова и в Кри­ ворожском бассейне. Реставрация штанг производится в руднич­ ных мастерских.

В табл. 30 приведены данные о штангах, выпускаемых Кузнец­ ким машиностроительным заводом. Размеры хвостовиков буров

Всвязи с применением легированных сталей для. изготовления буров, буровых коронок и сложных резьбовых соединений, наборы бурового инструмента целесообразно изготовлять в заводских усло­ виях.

Впоследние годы проведено много экспериментальных работ по

конструированию резьбовых соединений коронок.

На рис. 70 показаны типы резьбовых соединений [152, 162] и этапы их развития. Резьбы профилей, показанных на рис. 70, а, б, в, г, имели существенные недостатки: быстрый износ, трудное разъединение штанг.

103

В результате длительпых исследований с применением методов фотоупругости и изучения передачи энергии удара через штанги и их соединения были выработаны определенные требования к кон­ струкции буров и их сопряжениям.

Р и с . 69. Хвостовики

буров для ручных перфораторов:

а — с центральной про­ мывкой; б — с боковой промывкой

Главные из них следующие:

округление профиля в местах, где меняется сечение: хвостовик, бурты, корпус коронки, переход от стержня к резьбе;

резьба должна иметь возможно большее живое сечение; резьба, наряду со свободным соединением, должна иметь доста­

точную жесткость;

104

плоскости, воспринимающие ударный импульс, должны отражать его внутрь тела штанги.

Перечисленным требованиям отвечает резьба веревочного про­ филя, которая в настоящее время широко применяется при изго­ товлении штанг и коронок.

Недостатком веревочной резьбы, показанной на рис. 70, д, является малая площадь соприкосновения винтовой плоскости, что

а г

Рис. 70. Схема изменения конструкции резьбовых соединений буровых штанг

приводит к сравнительно быстрому износу резьбы. Резьба, показан­ ная на рис. 70, е, не имеет этого недостатка. У этой резьбы большая контактная наклонная плоскость, которая воспринимает нагрузку от свинчивания; ударная нагрузка передается через поверхности соприкосновения торцов штанг. Профиль резьбы асимметричный. При асимметричной резьбе требуется иметь в соединительной муфте проточку для выхода резца, что ослабляет сечение муфты. В то же время симметричная веревочная резьба позволяет иметь муфту со сплошной нарезкой.

В 1968 г. появилось соединение фасонного профиля (рис. 70, ж). Это соединение имеет симметричную резьбу, но в то же время у нее

105

контакт происходит по винтовой плоскости, т. е. оно обладает пре­ имуществами резьб, показанными на рис. 70, д, е.

Дальнейшим развитием бурового инструмента с резьбой фасон­ ного профиля является применение совмещенных резьб (внутренней и внешней). По внешней нарезке шлам свободно проходит из забоя к устью скважины, это позволяет уменьшить зазоры между стенкой скважины и инструментом. Уменьшение внешних зазоров, в свою очередь, позволяет увеличить размеры штанг по резьбе, что приво­ дит к упрочнению всего бурового комплекта. Такой комплект назы­

легкость свинчивания и развинчивания соединений без приме­ нения ключей;

сокращение расхода буровой стали на изготовление штанг в дватри раза по сравнению с упорной резьбой.

Различают нормальный, облегченный и усиленный комплекты буровых штанг. Нарезка резьбы у нормального комплекта штанг производится на стали одинакового с резьбой диаметра. Для облег­ ченного комплекта берется сталь следующего меньшего диаметра, у штанг высаживаются концы и нарезка производится по диаметру нормального комплекта. Такие комплекты штанг имеют меньшую

106

массу. Нормальный комплект штанг применяют для бурения глубо­ ких скважин (более 15 м) мощными перфораторами.

Облегченный комплект штанг целесообразно применять при бурении скважин сравнительно коротких (до 15 м). К недостаткам облегченного комплекта следует отнести трудность промывки сква­ жин при бурении вследствие малого сечения промывочного канала. Поэтому облегченный комплект применяют при бурении скважин восходящих. При бурении нисходящих скважин, когда требуется

Рис. 72, Хвостовик для колонкового перфоратора

1 — хвостовик; г — манжета; з — резьба фасонного профиля

хорошая промывка, во всех случаях следует применять нормальный комплект штанг. На практике установлено, что производительность бурения при использовании нормального комплекта штанг на 22% выше, чем облегченного. Облегченный комплект штанг обычно при­ меняют при бурении ручными и телескопными перфораторами. При бурении колонковыми перфораторами с колонок и кареток чаще применяют нормальный комплект штанг. Нормальный комплект буров легче перенарезать в рудничных условиях, так как при этом не требуется высаживать концы штанг.

Усиленный комплект целесообразно применять для бурения весьма крепких пород, когда к инструменту предъявляются повы­ шенные требования к прочности. При бурении скважин усиленным комплектом штанг уменьшается число поломок и увеличивается скорость бурения.

107

На рис. 73 приводится комплектация бурового инструмента для бурения скважин диаметром 46 мм.

Упрочнению буровых штанг посвящено много исследований как в СССР, так и за рубежом [33, 140]. Установлено, что продолжитель­

ботку конца штанги следует производить на токарно-револь- верном станке, позволяющем с одной установки производить подрезку торца конуса, обточку и обкатку его роликами для упроч-

108

нения. Конус из углеродистой стали следует закаливать до твердости HRC 29—31, а из легированной стали до HRC 42—52. При изготов­ лении конуса необходимо обеспечить точность угла конуса и устра­ нять следы обработки резца шлифованием, так как такие следы являются концентраторами напряжений. Желательно, чтобы конус имел только положительный допуск конусности.

Излом основной части штанги между хвостовиком и коронкой происходит наиболее часто (48% общего числа поломок штанг). Поломки носят характер усталостного разрушения, которое в 80% случаев начинается от внутреннего капала.

Исследования показали, что усталостные разрушения объяс­ няются, главным образом, коррозионными действиями промывочной воды и влажностью шахтной атмосферы. Следующей причиной явля­ ются стоячие волны, которые возникают от изгибающих колебаний штанги и от интерференции прямых и обратных ударных волн, вызывая в местах их появления опасные местные напряжения. Если на поверхности штанги имеются неровности и углубления, образо­ вавшиеся в процессе прокатки или ковки, а также царапины и глу­ бокие следы от ключа, образовавшиеся при транспортировании и эксплуатации, то они могут быть местами активного коррозион­ ного разрушения материала и концентрации напряжений. Проведен­ ные исследования с углеродисто-хромистой сталью показали, что неглубокие следы от зуба ключа уменьшали предел усталости с 3150 до 700 кгс/см2.

В процессе изготовления штанг и буров образуются обезуглероженные участки, которые особенно подвержены влиянию корро­ зии. В этих местах структура металла представлена зернистым пер­ литом в основной ферритовой массе. Шарообразные его частицы имеют повышенную склонность к вибрации и способствуют образо­ ванию микротрещин, которые ведут к разрушению металла.

Существенное влияние на продолжительность срока службы штанги оказывают условия ее эксплуатации. При бурении крепких пород штанга испытывает значительно большее напряжение, чем при бурении мягких пород. Замечено, что при бурении крестовыми коронками в штанге возникают меньшие напряжения, чем при буре­ нии долотчатыми коронками.

При работе с буровой каретки, где перфоратор подается на забой по салазкам, а буровая штанга направляется с помощью люнетов, изгиб штанги меньше, чем при бурении с пневмоподдержки. Уста­ новлено, что в первом случае стойкость буровых штанг выше на 20% по сроку службы и на 38% по количеству пробуренных шпурометров. Усталостное разрушение штанги наступает при напряжениях, значи­ тельно меньших максимально допустимых для данной марки стали.

Эффективными способами повышения стойкости буровой стали являются: обработка дробью, обкатка роликами, оцинкование, поверхностная закалка.

Наилучшие результаты по износостойкости получены у буров с антикоррозийным покрытием промывочного канала и подвергнутых

109