книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

Глава V

СТАНКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Бурение скважин шарошечными долотами в настоящее время получило широкое распространение в горнорудной промышлен­ ности.

В 1950 г. в научно-исследовательском институте свинцово-цин­ ковой промышленности (НИГРИС)1 было разработано долото, у ко­ торого фрезерованные зубки шарошек, применявшиеся в нефтяной промышленности, заменены цилиндрическими вставками из твер­ дого сплава ВК15.

Двухшарошечное долото диаметром 125 мм, армированное зуб­ ками из твердого сплава, было испытано в 1951 г. в лабораторных условиях при бурении скважин в микрокварцитах с коэффициентом крепости 16—18. При сравнительно небольшой осевой нагрузке (1,5—1,8 тс) и скорости вращения шпинделя 150—200 об/мин ско­ рость бурения в три раза превысила скорость дробового бурения в аналогичных условиях. Зубки из твердого сплава затуплялись почти в 40 раз медленнее, чем фрезерованные зубки долота, приме­ няемого в нефтяной промышленности.

Первые долота типа ДШ-10 с вставными запаянными штырями были испытаны в промышленных условиях в 1950 г. на руднике Лениногорского комбината при бурении сначала станками типа ЗИВ-150, а в последующем — специализированными станками СБ-4.

С 1958 г. бурение скважин шарошечными долотами в крепких породах начинает интенсивно развиваться и на открытых горных работах. Стойкость выпускаемых в настоящее время штыревых шарошечных долот в три-четыре раза выше зубчатых долот.

Дальнейшее улучшение конструкций долот и создание специаль­ ных станков обеспечили широкое применение шарошечного способа бурения взрывных скважин в крепких и весьма крепких породах

ирудах.*

*Работы по армированию шарошечных долот твердыми сплавами для руд­ ной практики в СССР впервые выполнили Н. М. Бирюков п М. Ф. Надион.

221

Принцип шарошечного бурения заключается в следующем: при вращении долота шарошки (конусы плы цилиндры с зубками), свободно сидящие на осях цапф долота, перекатываются по забою, прп этом зубки внедряются в породу и ее разрушают. Внедрение зубков в породу происходит под действием осевого давления, раз­ виваемого станком п передаваемого через буровой став долоту. Удаление продуктов разрушения с забоя скважины производится сжатым воздухом или водой, последние подаются долоту по буро­ вому ставу [27; 78].

2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНКОВ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ

Станки шарошечного бурения выпускаются для открытых и для подземных разработок.

Станки для открытых разработок в зависимости от диаметра буримых скважин разделяют по массе на легкие, средние и тяжелые. Легкие станки массой до 25 т предназначены для бурения скважин диаметром до 200 мм, средние станки массой 25—40 т для бурения скважин диаметром до 230 мм и тяжелые массой 50—120 т для буре­ ния скважин диаметром до 400 мм.

Размеры станков определяются ГОСТ 13748—68 * [111]. Согласно ГОСТу основные параметры шарошечных станков (СБШ) должны соответствовать данным, приведенным в табл. 69 [88, 101, 110].

Несмотря на кажущееся разнообразие конструкций, станки ша­ рошечного бурения, как правило, состоят из следующих основных узлов: ходовой базы; мачты для размещения бурового снаряда; механизмов: для подъема и опускания мачты, подачи бурового инструмента на забой скважины, вращения бурового става, подъема инструмента, для наращивания и разборки бурового става, для установки станка в рабочее положение, устройства для очистки забоя скважины, пылеулавливания и кондиционирования.

Мачта станка может иметь центральное расположение либо консольное. В первом случае для создания осевого давления на за­

222

бой используется до 80% массы станка, во втором 50—60%. Консоль­ ное расположение мачты позволяет бурить скважины вблизи борта уступа. Станки с консольным расположением мачты могут выпол­ няться как для бурения только вертикальных скважин, так и для бурения вертикальных и наклонных скважин.

По типу конструкции вращательно-подающих механизмов станки подразделяются на станки с верхней и нижней подачей и нижним, верхним и погружным приводом вращения. Сочетание этих элемен­ тов позволяет иметь шесть конструкций вращательно-подающих механизмов.

Станки, выполненные по схеме верхняя подача — верхнее вра­ щение, имеют наибольшее распространение (СБШ-250, СБШ-320) [105]. Нижнее вращение имеют станки БАШ-250 (главный конструк­ тор В. И. Бекушев) [61]. Станки шарошечного типа для подземных горных разработок выпускаются самоходные и несамоходные. Наи­ большее распространение получили несамоходные станки типа БШ-145.

Для открытых горных разработок в настоящее время серийно выпускаются станки 2СБШ-200, 2СБШ-200Н, СБШ-250, СБШ-250МН и СБШ-320; для подземных горных работ — станки БШ145.

3. БУРОВЫЕ СТАНКИ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК

Самоходные станки 2СБШ-200 и 2СБШ-200Н спроектированы институтом Гипроуглеавтоматизация (главный конструктор Ю. А. Нанкин) (рис. 147). Первый станок изготовляется Барвенковским машиностроительным заводом для бурения только вертикаль­ ных скважин, а второй Бузулукским заводом [92] для бурения как вертикальных, так и наклонных скважин (под углом до 30° к вер­ тикали). Диаметр скважин 190, 214 и 243 мм глубина бурения 32 м.

Станки монтируются на тележках, с гусеничным ходом. Каждая гусеница имеет индивидуальный привод и тормозное устройство.

На платформе смонтированы все исполнительные системы станка. Перед бурением платформу станка устанавливают в горизонтальное положение с помощью трех гидродомкратов.

Мачта станка 2СБШ-200 состоит из двух частей: основания мачты и собственно мачты. На мачте монтируется рабочий орган станка, который состоит из ротора и механизма подачи штанг и механизма подъема бурового става с вертлюгом.

Кинематическая схема рабочего органа станка 2СБШ-200 пока­ зана на рис. 148. От вертикального фланцевого двигателя крутящий момент через передаточную коробку передается шестигранному пу­ стотелому шпинделю. На верхний конец шпинделя насажен трех­ кулачковый гидравлический патрон, производящий перехват бу­ рильных штанг.

Гидропатрон имеет траверсу, к которой прикреплены штоки поршней. Гидроци-линдры напорного механизма совмещены в одном блоке с коробкой передач.

223

на который навинчивается штанга. Во время развинчивания и свин­ чивания штанг вертлюг затормаживается пневматическим тормозом. Опускается вертлюг под действием собственного веса.

Буровой став состоит из комплекта буровых штанг и шарошеч­ ного долота. Буровой комплект имеет четыре основные рабочие

шечного долота на станках 2СБШ-200 применяется сжатый воздух, нагнетаемый винтовым компрессором 6ВКМ-25/8. Воздух из возду­ хосборника поступает по трубопроводу и гибкому шлангу в вертлюг, а затем по ставу штанг проходит через долото, охлаждает его и, за­ хватив буровую мелочь, выходит к устью скважины по зазору между стенкой скважины и штангой. На поверхности у устья скважины устанавливается пылеприемник.

рамы в задней ее части. Установка станка в горизонтальное поло­ жение перед бурением осуществляется с пульта управления, который расположен в кабине машиниста станка. Горизонтирование станка осуществляется по отвесу.

С задним домкратом станка блокируется гидроцилиндр подъема вентилятора «Проходка-500-2м», который устанавливается под стан­ ком для удаления буровой мелочи. Перед передвижением станка вентилятор перемещается в верхнее положение.

В машинном отделении станка расположены электрические шкафы управления, маслонасосная станция, насос для закачки воды в ем­ кость, насос для орошения забоя и другое вспомогательное обору­ дование.

Станок имеет винтовой компрессор, который располагается в ма­ шинном отделении. Для хранения запаса воды в передней части станка с правой стороны имеется бак емкостью 2,7 м3 с электриче­ ским подогревом. С левой стороны станка находится кабина управле­ ния механизмами.

В передней части станка на специальных опорах укреплена мачта. Опускание и подъем мачты в рабочее положение осуществля­ ются двумя гидроцилиндрами, шарнирно соединенными с опо­ рами мачты. Для крепления мачты в транспортном положении на ка­ бине машинного отделения имеются две опоры и трос с натяжным винтом, при помощи которого мачта прижимается к опорам. В рабо­ чем положении мачта крепится специальными болтами, располо­ женными в нижней части рамы.

Каркас мачты представляет собой пространственную ферму, внутри которой размещаются вращатель с буровым снарядом, сепа­ ратор с буровыми штангами, механизм подачи, механизм свинчива­ ния и разборки бурового снаряда, приспособления для наклонного бурения и другое оборудование.

На верхней обвязке мачты установлены опора блоков механизма подачи и балка с блоком для троса натяжной каретки гирлянды. В целях безопасности обслуживания этих узлов на верхней обвязке мачты имеется ограждение. На нижней обвязке мачты смонтированы два гидроцилиидра механизма подачи, механизм развинчивания штанг и верхний ключ.

К средней обвязке приварены полуоси, на которых поворачи­ вается мачта. К задней стороне мачты крепится на подшипниковых

опорах сепаратор.

С левой стороны, в нижней части мачты, установлен пульт упра­ вления по выполнению вспомогательных операций. Вдоль всей мачты проходят направляющие, по которым перемещается враща­ тель и натяжная каретка гирлянды.

Механизм подачи (рис. 150) состоит из двух гидроцилиндров 1 и двух четырехкратных канатно-полиспастных систем 4. При ходе штока цилиндра 2 м ход бурового снаряда равен 8 м, т. е. длине штанги.

При бурении опорный узел всегда находится в подвешенном со­ стоянии, что предотвращает передачу вибрации на электродвигатель.

Для натяжения гирлянды служит натяжная каретка 3 н двух­ кратная канатно-полиспастная система 2. Каретка перемещается за вращателем со скоростью, в два раза меньшей скорости вращателя, п соответственно расстояние, пройденное ею, в два раза меньше, нем расстояние, пройденное вращателем, вследствие чего гирлянда всегда находится в натянутом состоянии. При подаче снаряда вниз на забой скважины развивается усилие до 30 тс, при извлечении

СБШ-250

бурового снаряда из скважины усилие'равно 15 тс. Для регулиро­ вания натяжения канатов имеются регулировочные болты 5 и муф­ та 6.

Вращатель бурового снаряда (рис. 151) состоит из электродви­ гателя 1 типа А02-92-6, механизма переключения скоростей 2, редуктора 3, шинно-зубчатой муфты 4, опорного узла 5 и двух ка­ реток 6. Редуктор позволяет иметь две скорости вращения бурового снаряда: 81 и 157 об/мин. Шинно-зубчатая муфта 4 служит для пере­ дачи крутящего момента и предохранения электродвигателя с редук­ тором от толчков и вибраций.

Через опорный узел 5 осуществляется передача давления на долото, которое воспринимается пакетом из трех радиально-упорных

228

шарикоподшипников. Вес снаряда воспринимается одним радиальноупорным подшипником.

Вращатель бурового снаряда имеет две каретки 6, на которых он движется вверх и вниз но направляющим вышки 7. Опорный узел, в свою очередь, может перемещаться по кареткам 6. Давление на забой осуществляется канатами, прикрепленными к ползунам опорного узла, а электродвигатель с редуктором через каретки все время находится в подвешенном состоянии.

Ниже опорного узла расположено сальниковое устройство для подачи водо-воздушной смеси в буровой став. Смесь охлаждает долото и выносит буровую мелочь из скважины.

Для крепления буровых штанг и подачи их на центр скважины служит сепаратор. Сепаратор вращается с помощью гпдроцилиндра. Штанги фиксируются в сепараторе зацепками под действием массы штанг. Управление сепаратором может осуществляться как с пульта управления бурением, так и с пульта вспомогательных операций.

Механизм свинчивания и развинчивания штанг состоит из хра­ пового механизма, подвижного фиксатора, гидродвигателя с редук­ тором, ключа, цилиндра поворота, храпового механизма цилиндра подачи фиксатора и цилиндра подачи верхнего ключа. Управлять механизмом свинчивания и развинчивания штанг можно как из ка­ бины машиниста, так и с пульта вспомогательных операций.

Гидропривод станка питается от одной маслонасосной станции. Вся гидроаппаратура управления и распределения собрана в блоки и пмеет подогреватели для обеспечения ее работоспособности в зим­ них условиях.

Усилие на буровом ставе зависит от давления в цилиндрах по­ дачи, которое поддерживается регулятором давления и контроли­ руется манометром. Связь между усилием на забой п давлением следующая (с учетом веса бурового снаряда с одной штангой):

Система золотников н насосов позволяет управлять скоростью подъема и спуска бурового снаряда.

Все поддерживающие цилиндры имеют гидрозамки, обеспечи­ вающие надежную фиксацию положения исполнительных механиз­ мов.

Питание электрооборудования станка производится от карьерного трансформаторного блока, на низкой стороне которого напряжение 380—400 В, через два кабеля сечением 70 мм2. На станке установлено восемь электродвигателей. Мощность электродвигателя вращателя 70 кВт, винтового компрессора 200 кВт. Электрическая схема станка предусматривает: нулевую защиту от понижения напряжения в пи­ тающей сети; максимальную токовую защиту от коротких замыканий в цепи питания электродвигателей — приводов вращателя и компрес­ сора. В остальных цепях защита от короткого замыкания осущест­ влена воздушными автоматамп. Для тепловой защиты электродвига-

229

толей от длительных перегрузок имеются тепловые реле, встроенные в магнитные пускатели.

Для управления станком имеются три пульта управления. С пер­ вого пульта управления, расположенного в кабине машиниста, машинист может осуществлять управление непосредственно бурением и операциями, связанными с бурением. На этом пульте установлены основные контрольно-измерительные приборы. Второй пульт упра­ вления предназначен для дублирования пульта управления буре­ нием, когда необходимо управлять выполнением операции, находясь па мачте. Третий пульт переносной н предназначен для управления гусеничным ходом станка. Последнее облегчает установку станка на скважину перед бурением и позволяет производить более пра­ вильное движение станка по карьеру, а также повышает безопасность обслуживания станка.

Канатная подача имеет недостаток, связанный с большой упру­ гостью каната. В результате в процессе бурения возникают большие колебания бурового става при вхождении в резонанс всей колеба­ тельной системы. Колебания приводят к ударам долота о забой скважины п поломкам штырей долота, а иногда и лап долота. Ука­ занное обстоятельство не позволяет бурить скважины станком СБШ-250 в очень крепких породах, так как для вывода системы из резонанса необходимо изменять скорость вращения бурового става.

Такая возможность предусмотрена на станке СБШ-250МН (рнс. 152). Вращатель станка снабжен двигателем постоянного тока, что позволяет регулировать скорость вращения бурового става от 30 до 150 об/мин. Питание двигателю подается от малогабаритного тиристорного преобразователя тока.

Станком можно бурить также наклонные скважины (под углом 15 п 30°). Станок имеет механизированный люнет, который удержи­ вает в наклонном положении штангу при наращивании бурового става. Башмаки домкратов имеют специальный профиль, увеличи­ вающий сцепленне станка с почвой, что предотвращает станок от сдвига при бурении наклонных скважин.

На станке установлен винтовой компрессор 6ВКМ-25/8, позволя­ ющий улучшить очистку забоя скважины. Надежность ходовой части станка повышена за счет установки гусеничного хода УГ-60, име­ ющего мощные бортовые редукторы.

Кабина станка имеет виброизоляцию, антншумовую герметиза­ цию н хорошую приточную вентиляцию с подогревом и очисткой

воздуха.

Станок СБШ-320 (рис. 153) (главный конструктор И. Э. Нарипский, конструкторы В. Д. Чугунов, К. И. Круглов, В. К. Яковлев, А. М. Ципкис) смонтирован на гусеничном ходу экскаватора ЭГ-400 [96]. Особенностью хода является наличие индивидуальных осей ленивцев, снабженных гидроцилиндрами для натяжения гусеничных лент. Индивидуальные приводы гусеничных лент расположены в задней части станка, они имеют бортовые редукторы цилиндри­ ческого типа.

230