Горные машины

При указанных двух способах бурения порода разрушается в основном

врезультате ударов. При вращательно-ударном бурении удары наносятся понепрерывновращающемусяподбольшимосевымусилиеминструменту.

При вибрационном способе происходит погружение специального забойного инструмента, обычно цилиндрической формы, в рыхлую породу под действием вынужденных продольных колебаний – вибраций и осевого усилия.

При способе задавливания происходит погружение породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра,

вмягкую породу под действием осевого усилия. Разрушаемая порода в этом случае уплотняется в стенках скважины.

При вибрационно-вращательном способе разрушение пород происхо-

дит при вращении специального инструмента и действии осевого усилия.

Врезультате взаимодействия инструмента с породой наблюдаются три основных типа разрушения.

Первый – разрушение под лезвием инструмента монолита в мелкодисперсную массу. Размеры частиц меньше глубины внедрения инструмента и меньше первоначальных кристаллов и зерен породы.

Второй – скалывание по краям зоны дробления, которое за счет неоднородности и начальных дефектов в породе приводит к тому, что размеры зоны разрушения несколько отличаются от правильных. Размеры частиц значительны.

Третий – образование трещин в породе под зоной (ядром) измельчения, позволяющих при повторных воздействиях увеличивать зону разрушения.

§ 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ

В геологоразведочной практике применяются машины ударноповоротного действия, в основном работающие на пневмоэнергии. Электрические бурильные машины по ряду причин широкого распространения не получили.

Характер процесса внедрения лезвия бура в породу зависит от фи- зико-механических свойств породы, состояния поверхности в забое шпура, от величины и формы инструмента и механических свойств материала, из которого изготовлен инструмент, мощности бурильной машины и режима ее работы.

Лезвие бура при внедрении должно преодолеть силы сцепления частиц породы ниже поверхности самого забоя и по поверхности цилиндра шпура (в стенках). Для внедрения лезвия в породу ниже поверх-

51

ности забоя необходимо преодолеть сопротивление, соответствующее прочности породы, находящейся в условиях объемного напряженного состояния, при котором временное сопротивление, как известно, больше, чем при одноосном нагружении.

Дополнительно часть энергии при ударе затрачивается на преодоление сил трения между инструментом и кусочками отбитой породы и частично теряется на деформацию инструмента.

После каждого удара бур поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол β. Для эффективной работы инструмента последующие удары бура следует производить по забою с таким углом поворота β, при котором горизонтальная составляющая силы удара инструмента, а также вращательный момент бура (холостого хода) преодолевали бы сопротивление сколу по плоскости сектора ВОВ1 и СОС1 (рис. 10) и по цилиндрической поверхности стенок шпура ВВ2 и СС1.

При повороте лезвия бура на 180° порода забоя шпура разрушается на глубину h0 за число ударов

п = 180 / β.

Если число ударов в минуту равно п0, то углубление шпура

(мм) в минуту будет hmin – h0n0 /n, величины n0 и п даются в паспорте

машины или определяются путем замеров на стенде, hmin можно определять замером при бурении, a h0 для каждой породы можно получить расчетом.

Угол β в существующих конструкциях перфораторов изменяется от 15° до 30°.

При одиночном ударе лезвия бура о породу в ней образуются след и углубление в виде эллипса. При последовательных ударах объем воронки выкола (при повороте бура) увеличивается в том случае,

когда расстояние между следами двух последовательных ударов по дуге круга диаметра не превышает 1,5–2 малой полуоси эллипса, т. е. при правильно выбранной полуоси эллипса удельный расход энергии в дватри раза меньше удельного расхода энергии при одиночном ударе.

С увеличением диаметра шпура dшп скорость бурения уменьшается.

52

При бурении шпуров машинами ударно-поворотного дейcтвия породоразрушающий инструмент подвергается одновременному действию нескольких нагрузок:

•динамических, периодически и с большой частотой воздействующих на буровой наконечник, что способствует эффективности разрушения породы и снижению износа лезвий по сравнению с вращательным бурением;

•статического осевого усилия, заглубляющего в забой режущую кромку лезвий долота;

•вращающего момента, вызывающего скол породы, находящейся

впереди заглубленных резцов.

Общая схема механизма разрушения пород при бурении погружными пневмоударниками в значительной мере зависит от крепости горных пород и может иметь два вида.

Первая схема разрушения наблюдается при бурении пород средней крепости, когда статическая нагрузка и момент вращения достаточны для вдавливания лезвий долота в породу, а также раздавливания и скола ее гребешков между ударами. Глубина внедрения лезвий в породу и объем зоны разрушения складываются из суммы глубин и объемов от действия динамической и статической нагрузок.

Угол поворота бурового долота или расстояние между смежными ударами не имеют большого значения и могут быть увеличены, поскольку порода между смежными ударами разрушается в результате непрерывного действия статического осевого усилия и момента вращения.

Вторая схема разрушения характерна при бурении крепких и весьма крепких пород, когда величина осевого усилия, ограничиваемая условиями прочности и износостойкости лезвий долота, недостаточна для их вдавливаниявпородуиразрушенияеегребешков, остающихся междуударами.

§ 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

Для бурения шпуров в породах мягких, реже средней крепости и крепких, но малоабразивных применяют вращательные бурильные машины (электрические или пневматические). В последние годы разработаны вращательные бурильные машины с гидроприводом.

При вращательном бурении разрушение горных пород производит резец (рис. 11), который под действием осевого усилия Р внедряется в породу, вращаясь производит разрушение ее по площади забоя шпура и с каждым оборотом перемещается поступательно под действием силы Q. Толщина снимаемой стружки h. Таким образом, резец движется по винтовой поверхности (сочетание поступательного и вращательного движения).

53

Механизм разрушения пород при вращательном бурении носит характер периодического скола с резкими колебаниями усилий на лезвии инструмента от максимума до минимума. Это объясняется тем, что элементарный цикл разрушения характеризуется двумя периодами.

Первый период – период формирования перед режущей гранью главной величины давления без существенного продвижения резца. В этот период усилия на лезвии и потребляемая мощность станка увеличиваются до максимума.

Второй период – период скола главного объема элемента разрушаемой породы. При этом сопротивление породы и потребляемая мощность резко снижаются до минимума. Резец проходит некоторый участок встречи с ненарушенной породой, нанося при этом по ней удар. Сопротивление движению резца снова быстро увеличивается до максимума, и цикл разрушения повторяется. Для каждой породы характерны оптимальные величины осевого усилия и частоты вращения инструмента, при которых разрушение происходит с наибольшей эффективностью.

Теоретические расчеты сводятся к определению величин осевого усилия и глубины внедрения или скорости бурения, предполагая движение резца при разрушении породы по винтовой линии. Под действием осевого усилия инструмент внедряется в породу. Дальнейшее разрушение породы происходит под действием крутящего момента и осевого усилия.

Длявертикальногоперемещениярезцанеобходимоприложитьсилу(Н)

F = σS,

где σ – критическое сопротивление породы внедрению резца; S = (D – d)δlgα – площадь участка породы, который подвергается разрушению при внедрении резца; D – диаметр резца, см; d – диаметр раствора перьев резца, см; α – угол приострения лезвия резца, градус; δ – величина внедрения, см.

Величину критического сопротивления породы внедрению резца профессор В.Г. Михайлов предлагает определять по формуле

σ = kσсм,

где k = 0,5…0,7 – коэффициент, учитывающий хрупкость бурильного материала; σсм – сопротивление материала смятию, Па.

Контрольные вопросы

1.Классификация способов бурения шпуров и скважин.

2.Принципы механического разрушения пород.

3.Механизмразрушенияпородприударно-поворотномбурениишпуров.

4.Механизм разрушения пород при вращательном бурении.

55

ГЛАВА 5. МАШИНЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ

Машины для бурения шпуров классифицируются:

1.По роду потребляемой энергии – электрические, пневматические, гидравлические, от двигателей внутреннего сгорания.

2.По устройству и принципу действия – ударно-поворотные, вра-

щательные, ударно-вращательные и вращательно-ударные.

3.По углу наклона шпуров – для бурения горизонтальных и нисходящих шпуров (ручные, колонковые) и для бурения шпуров по восстанию (телескопные).

4.По мощности и способу установки – ручные и колонковые.

§2. МАШИНЫ ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ

Вращательное бурение шпуров и скважин применяется в мягких полускальных породах с f < 8.

Для бурения шпуров диаметром до 46 мм и глубиной до 3 м в породах мягких и средней крепости предназначены ручные электросверла массой до 20 кг. Общий вид и конструкция электросверла СЭР-19М показаны на рис. 12.

Сверло состоит из литого алюминиевого корпуса 4 с двумя рукоятками, покрытыми слоем резины, передней крышки 2 с двухступенчатым редуктором, промежуточной перегородки 3, обеспечивающей взрывобезопасность корпуса, шпинделя 1, предназначенного для установки в нем хвостовика буровой штанги, вентилятора (крыльчатки) 8, затыльной крышки 7 с изолирующим покрытием, устройства 11 для ввода гибкого кабеля. Сквозь колодку из негорючей пластмассы 12 проходят болты для присоединения жил гибкого кабеля и соединительных концов от обмотки статора 6 и пускового устройства. Вводится кабель с помощью патрубка 13, заглушки 14, которая закреплена гайкой 15. Цепь, присоединенная к хомуту 16 и корпусу сверла, предотвращает выдергивание кабеля из вводного устройства и его чрезмерные перегибы.

В отдельной небольшой камере корпуса, закрытой крышкой 10, смонтировано пусковое устройство 9, которое срабатывает при нажатии клавиши, расположенной в правой рукоятке. Для лучшего охлаждения электродвигателей 5 корпус сверла снаружи ребристый. Затыльная крышка 7, под которой расположен вентилятор, образует вместе с ребрами корпуса каналы для прохода охлаждающего воздуха.

56

57

Рис. 12. Ручное электросверло СЭР-19М: а – общий вид; б – конструкция сверла

48

У электросверла СЭР-19М редуктор двухступенчатый, у других сверл он может быть одноступенчатым или планетарным. Электросверло СЭР-19М комплектуют сменными шестернями Z1 – Z4 редуктора, что и позволяет получить три частоты вращения шпинделя при бурении шпуров в менее или более крепких (f ≤ 4) породах. Модификация сверла СЭР-19М обеспечивает возможность бурения шпуров с боковой промывкой.

Электросверла ЭР14Д-2М и ЭР18Д-2М в конструктивном отношении аналогичны рассмотренному, но имеют в отличие от него одноступенчатый редуктор, другую частоту вращения шпинделя и мощность электродвигателя.

Сменная производительность бурильщика при бурении ручными электросверлами по углю средней крепости 80…120 м шпуров (максимальная – 250 м).

При бурении в породах с f = 3…5 применяют ручные электросверла с принудительной (механической) подачей. Для этого вблизи забоя устанавливают распорную колонку. К ней прикрепляют конец стального каната диаметром 3 мм, второй конец которого закреплен на барабане, встроенном в корпусе редуктора электросверла. При включении механической подачи барабан, вращаясь, натягивает канат, создавая дополнительное усилие на буровую штангу и резец до 2,2 кН.

Техническая характеристика и типоразмеры электросверл приведены в табл. 11. Заводы-изготовители: Томский электромеханический завод им. В.В. Вахрушева; Конотопский электромеханический завод. В соответствии с типажом предполагается выпуск 3 типов и 13 типоразмеров СЭГ (сверло электрическое горное).

58

Ручные пневмосверла предназначены для бурения шпуров в условиях, опасных по взрыву газа или пыли.

Для бурения шпуров по углю и слабым сланцам применяют ручные пневмосверла с приспособлением для установки на пневмоподдержке. Сверла СР-ЗМ и СР-ЗБ имеют приспособление для бурения с промывкой. Пневмосверло состоит из корпуса, двигателя, пускового устройства, ротационного двигателя, планетарного редуктора со шпинделем.

Гидросверла применяются в шахтах или на участках с гидродобычей для бурения шпуров по углю и мягким породам. Гидросверло состоит из корпуса с рукоятками, рабочего колеса или турбины, направляющего аппарата, пускового устройства, двухступенчатого редуктора со шпинделем и патроном, направляющей сливной воронки. Гидросверлом можно бурить шпуры с углом наклона к горизонту ±40°. Для подключения к водопроводу применяют высоконапорный бронированный гибкий шланг внутренним диаметром не менее 16 мм. Вода подается под давлением 3000 кПа.

Колонковые электросверла применяют для бурения шпуров и скважин вгоризонтальныхинаклонныхвыработках вугляхипородахсf < 12.

Колонковые сверла в отличие от ручных электросверл для создания осевого усилия имеют винтовые (ЭБК-2В, ЭДШ-2, ЭДП-20 и СЭВ-1) или гидравлические (ЭБК-5, ЭБГ, ЭБГП-1) механизмы подачи. Осевое усилие и подача шпинделя назад в электросверлах с дифференциально-винтовой подачей осуществляются за счет гайки, промежуточного валика, шестерни и кулачковой муфты. Гайка вращается быстрее шпинделя и заставляет его выдвигаться вперед. Для подачи шпинделя назад оттягивают ручку, выводят кулачковую муфту переключателя из зацепления и затормаживают. Вращение валика и гайки прекращается, а шпиндель, продолжая вращаться, подается назад, так как нарезка резьбы левая.

Частота вращения шпинделя от 1,7 до 5,1 с–1, скорость подачи – от 0,88 до 0,86 мм на один оборот шпинделя. Максимальная длина хода шпинделя 870 мм.

Асинхронный электродвигатель имеет две скорости с частотой вращения 24 и 48,3 с–1, работает от трехфазного тока напряжением 380 В. С боков электросверл прикреплены две цапфы, служащие для закрепления их на колонке, манипуляторе или буровой каретке.

Вращение шпинделю с патроном от электродвигателя передается через систему шестерен (рис. 13) и втулку.

В электрическом буре ЭБГП-1М (с гидроподачей и перехватом) после углубки шпура на длину хода гидроподатчика (900 мм) раскрепляют зажимной патрон, высвобождая буровую штангу, поршни с траверсой и шпинделем подают назад, снова закрепляют зажимным патроном штангу

59

и продолжают бурение. Максимальная глубина бурения без замены штанги 2,2 мм. Мощность на шпинделе 2,5 кВт. Усилие подачи регулируется плавно в диапазоне 0…15 кН на ходу. Производительность на 20–25 % выше, чем при бурении электросверлом СЭК-1.

Рис. 13. Кинематическая схема колонкового электросверла: 1 – шестерни; 2 – втулка; 3 – шпиндель; 4 – гайка; 5 – патрон; 6 – промежуточный валик; 7 – электродвигатель; 8 – кулачковая муфта; 9 – узел переключения; 10 – ручка

Электросверло с длинноходовым податчиком ЭДП-20 по устройству подобно ручному электросверлу, но оснащено механической подачей. Ход сверла на податчике 2 м. Применяется при бурении в мягких породах.

§ 3. БУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО ДЕЙСТВИЯ (ПЕРФОРАТОРЫ)

Принцип работы перфораторов: в стальном цилиндре (диаметром 60…100 мм) под давлением сжатого воздуха совершает поступательновозвратное движение поршень из стали с частотой ударов 28,3…43 с–1. Шток поршня в конце переднего хода наносит удар по торцу бура, заставляя буровую коронку разрушать породу в забое шпура.

При обратном ходе поршень-ударник посредством механизма поворота поворачивает бур на 15–30°. Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется с помощью воздухораспределительного устройства.

Техническая характеристика ручных бурильных машин (перфораторов) приведена в табл. 12. Основными частями пневматической бурильной машины (рис. 14) являются цилиндр, поршень-ударник, ствол, поворотные муфты, пусковая рукоятка, воздухораспределительный механизм, поворотный механизм, буродержатель, крышка.

60