lukyanov-взрывные работы

Наибольшей скорости поршень достигает перед нанесением удара по буру. Время хода поршня вперед t1 и назад t2 не одинаковы и зависят от давления сжатого воздуха, соответственно изменяется и длина хода поршня. Особенно резко изменяется длина хода поршня при изменении давления от 0,1 до 0,6 МПа.

Если принять наибольшую возможную (конструктивную) длину хода поршня за smax, то рабочая длина хода поршня s при давлени-

ях 0,4…0,6 МПа равна (0,7…0,8) smax.

Рабочее давление воздуха в цилиндре перфоратора P′ является величиной непостоянной, зависящей от величины давления сжатого воздуха, поступающего в перфоратор из трубопровода и замеряемого обычно манометром, и от потерь давления при прохождении сжатого воздуха из магистрали в цилиндр перфоратора. Особенно значительны потери при недостаточных сечениях каналов в шланге, штуцере, присоединяющем шланг к перфоратору, в воздуховпускном кране и особенно в воздухораспределительном устройстве. Отмечаются потери давления воздуха также в каналах корпуса цилиндра, подводящих воздух в рабочие полости цилиндра перфоратора, и при неправильном и уменьшенном сечении выхлопных окон.

При давлении сжатого воздуха 0,5…0,8 МПа рекомендуются следующие соотношения между рабочей площадью поршня и сечением:

Если обозначить манометрическое давление сжатого воздуха в трубопроводе возле перфоратора через Р, а коэффициент потери давления воздуха через ηп, то среднее индикаторное (рабочее) давление в цилиндре перфоратора будет равно:

Экспериментальным путём установлено, что величина коэффициента потерь давления воздуха ηп весьма значительна. При давлении сжатого воздуха от 0,4 до 0,7 МПа значение ηп у современных перфораторов находится в пределах 0,4…0,5 в задней полости цилиндра и 0,5…0,6 в передней полости цилиндра. При расчётах с точностью, достаточной для практики, значение ηп можно принимать равным 0,5.

На основании приведенных материалов можно рассчитать величину энергии, развиваемой поршнем пневматического перфоратора.

При ударе поршня по буру фактическая энергия, передаваемая на лезвие бурового инструмента

21

где ηy – коэффициент, учитывающий потери энергии удара при передаче её на лезвие бурового инструмента,

где т1 – масса поршня, кг; m2 – масса бура, кг; ε – коэффициент восстановления соударяющихся тел, при перфораторном бурении ε = 0,90…0,95; η2 – коэффициент, учитывающий потери энергии в соединениях (замках) бура. Непосредственными замерами установлено, что одно резьбовое со-

единение имеет η2 = 0,75...0,85, а конусное η2 = 0,6…0,75.

На основании исследований установлены минимальные значения величины энергии, передаваемой на лезвие бурового инструмента в зависимости от крепости горных пород. При меньших значениях скорость бурения значительно снижается.

Усовременных пневматических перфораторов величиной, лимитирующей увеличение кинетической энергии, развиваемой поршнем и передаваемой буру, является запас прочности деталей машины и прочность бурового инструмента. Наиболее слабым звеном в настоящее время является лезвие буровой коронки, армированной твердым сплавом ВК-15 и допускающей нагрузку (работу) при бурении, не превышающую 0,3 МПа сечения пластинки твёрдого сплава. При больших нагрузках пластинки выходят из строя, раскалываясь и не выдерживая нормального количества заточек.

Увеличение мощности, а следовательно, и производительности пневматических перфораторов возможно за счёт увеличения частоты ударов. Если рабочую площадь поршня увеличить, а длину хода поршня уменьшить во столько же раз, то частота ударов увеличится в это же число раз при сохранении величины силы удара.

Первые пневматические перфораторы с увеличенной частотой ударов (высокочастотные) были созданы в СССР в 1939 г. В зарубежной практике такие перфораторы появились в 1952 г.

Уобычных перфораторов отношение величин диаметра и длины хода поршня находится в пределах 1…1,25, у высокочастотных (быстроударных) это отношение равно 2 и больше.

22

В настоящее время созданы конструкции пневматических перфораторов, имеющих частоту ударов до 5 000–6 000 в 1 мин, увеличивших скорость бурения в 3–5 раз. Практическое применение высокопроизводительных машин тормозится из-за отсутствия мероприятий, снижающих шум, создаваемый ими при работе, который по уровню превышает допускаемые санитарные нормы. Применение высокочастотных перфораторов возможно придистанционном управлении или автоматизации бурения.

Если в формулу подставить полученные значения энергии поршня А0 и частоты ударов и и произвести преобразования, то получим формулу, показывающую зависимость мощности перфоратора от его внутренних параметров,

Мощность перфоратора наиболее выгодно увеличивать за счёт увеличения рабочей площади F и давления воздуха Р.

Величина крутящего момента, развиваемого поворотным механизмом перфоратора, может быть определена по формуле

где r с – средний радиус поворотного винта, см; αо – угол подъёма резьбы поворотного винта, градус; μ – коэффициент трения в винтовой паре; ηi – КПД механизма, равный 0,25.

Поворот бура осуществляется при ходе поршня назад. Поступательное движение поршня с помощью поворотного винта и гайки преобразуется во вращательное движение поршня и поворотной буксы. Если угол наклона винтовой нарезки на поворотном винте равен γ, то длина дуги окружности, на которую повернётся поршень, считая по среднему диаметру резьбы dс, за один ход будет s·tgγ. При числе ходов поршня в 1 мин и число оборотов бура

Угол поворота бура за один ход поршня

где ηc – коэффициент, учитывающий наличие люфта в винтовой паре (для новых перфораторов он равен 0,7, а для изношенных – 0,5).

В зависимости от крепости пород, в которых производится бурение, рекомендуются следующие значения углов поворота бура β0: при бурении

23

пород крепостью f < 10 β0 = 18…36°; при бурении пород крепостью f = 10…16 β0 = 9…18°, а при бурении пород с f > 16 β0 < 9°.

Расход сжатого воздуха пневматическим перфоратором при ра-

гдеF1 иF2 – величинырабочихплощадейпоршня, всм2; s – длинаходапоршня, см; Р – давление воздуха, поступающего в перфоратор, в МПа; k – коэффициент, учитывающий потери давления воздуха и неполноту заполнения цилиндра; дляновыхперфораторовk = 0,8, дляизношенныхk = 1.

Показателем качества пневматического перфоратора можно рекомендовать удельный расход сжатого воздуха на единицу объёма выбуренного шпура.

Уровень шума работающего пневматического перфоратора расчётным путём может быть приближенно определен по формуле НИГРИ:

где R – уровень шума в децибелах при давлении воздуха 0,5…0,55 МПа; D и s – диаметр и длина хода поршня перфоратора, м; k – постоянная величина. На расстоянии 0,7 м от перфоратора для открытого пространства k = 97,8, в шахтных условиях k = 99,8.

Более точно уровень шума замеряется шумомерами.

1.1.3. Типы пневматических перфораторов

Для выполнения буровых работ при проходке горных выработок, нарезке и выемке полезного ископаемого в различных горногеологических условиях разработаны различные типы бурильных машин, область их применения приведена в табл. 1.2

Переносные перфораторы имеют наибольшее распространение и применяются на горных, геологоразведочных, строительных, дорожных и других работах. Выпускаемые серийно перфораторы ПП-36, ПП-50, ПП-54, ПП-63 и другие имеют технические характеристики (табл. 1.3), близкие к указанным в ГОСТ Р 51681–2000. Для облегчения труда при бурении шпуров ручными перфораторами средней и тяжелой массы рекомендуется применение поддерживающих колонок (рис. 1.9).

Пневматические бурильные машины ударно-поворотного действия различаются:

•по роду потребляемой энергии – пневматические, гидравлические;

•по конструктивным особенностям механизма поворота – с зави-

симым и независимым приводом;

24

•по способу применения (угла наклона шпуров) – ручные и колонковые (для бурения горизонтальных и нисходящих шпуров), телескопные (для бурения шпуров по восстанию);

•по массе – лёгкие (до 18 кг), средние (20…25 кг) и тяжёлые (более

30 кг);

•по способу очистки шпуров от буровой мелочи – с осевой промывкой, с боковой промывкой, с отсосом от пыли.

Рис. 1.9. Бурение шпура ручным перфоратором с помощью пневмоподдержки: 1 – коронка; 2 – бур; 3 – перфоратор; 4 – пневмоподдержка; 5 – автомаслёнка

25

Бурильные машины ударно-поворотного действия (перфораторы) работают по принципу нанесения периодических ударов штока поршня по хвостовику штанги. Частота ударов 28,3…43 с–1.

Буквы и их сочетания в марке перфоратора обозначают: В – с осевой промывкой; ВБ – с боковой промывкой; С – для бурения шпуров в обводнённых породах при проходке стволов шахт; СВП – для бурения шпуров с интенсивной продувкой и подавлением пыли методом увлажнения в многолетнемёрзлых россыпях.

Основными частями пневматической бурильной машины (рис. 1.10) являются цилиндр, поршень-ударник, ствол, поворотные муфты, пусковая рукоятка, воздухораспределительный механизм, поворотный механизм, буродержатель, крышка. Крышка, цилиндр, ствол с буродержателем соединяются при помощи стяжных болтов с гайками. Количество сжатого воздуха, поступающего к бурильной машине по шлангу диаметром 10…51 мм, регулируется рукояткой. При подаче рукоятки вперед до упора сжатый воздух полностью поступает в бурильную машину. При среднем положении рукоятки впуск сжатого воздуха производится частично, давление его небольшое. Такое положение рукоятки характерно при забуривании шпуров. Вода для промывки шпура проходит через перфоратор по трубке при центральной промывке или через промывочную муфту, минуя перфоратор (прибоковойпромывке).

Таблица 1.3

Техническая характеристика переносных перфораторов

Воздухораспределительные устройства, применяемые в перфораторах, делятся: на клапанные (кольцевой или откидной клапан); золотниковые (с фланцевым, полым цилиндрическим, управляемым, катушечным, жёсткосвязанным золотником), бесклапанные.

26

Достоинство золотниковых воздухораспределительных устройств – высокая энергия удара, наибольший крутящий момент, сравнительно большая экономичность расхода воздуха, уменьшенная отдача, автоматичность действия, безотказность и чёткость работы ударного механизма. Однако они не обеспечивают такой частоты ударов, как клапанные.

К достоинствам воздухораспределительных устройств с кольцевым клапаном относится малый ход клапана, следовательно, высокая скорость его перебросок и малые утечки воздуха. Это устройство надежно в работе и широко применяется в перфораторах.

Клапанный воздухораспределительный механизм состоит из клапанной коробки (1), направляющей клапана (2), крышки клапанной коробки (3) и кольцевого клапана (4) (рис. 1.11). Сжатый воздух попадает в кольцевое пространство (6), а из него – по каналам (7) в кольцевое пространство клапанной коробки (8). Когда клапан (4) находится в левом положении, сжатый воздух через кольцевое пространство (8), образуемое между клапаном и крышкой клапанной коробки, поступает в рабочую часть цилиндра и, оказывая давление на поршень (10), перемещает его (рабочий ход). В это время противоположная часть цилиндра через кольцевые выточки (11) соединена с выхлопным отверстием (12). При движении поршня он закрывает кольцевые выточки и сжимает отсеченный вправой части цилиндра воздух, который по каналу (13) в корпусе цилиндра и каналу (14) в корпусе клапанной коробки попадает в кольцевое пространство (9) и давит на верхнюю часть клапана. При дальнейшем движении поршень открывает кольцевые выточки (11) и черезнихсоединяетрабочуючастьцилиндрасвыхлопнымотверстием.

Давление сжатого воздухаврабочей части резко понижается, клапан перемещаетсявправоисоединяетмеждусобойкольцевыепространства(8) и(9).

Сжатый воздух по каналам (13) и (14) поступает в противоположную часть цилиндра и, оказывая давление на кольцевую поверхность поршня, перемещает его (холостой ход). Затем поршень закрывает кольцевые выточки и сжимает воздух, оставшийся в левой части цилиндра. Сжимаемый воздух давит на клапан справа. Когда поршень проходит кольцевые выточки и соединяет левую часть цилиндра с выхлопным отверстием, клапан перебрасывается влево и рабочий ход повторяется.

Работа воздухораспределительного устройства с фланцевым золотником происходит следующим образом. При открытии впускного канала через кольцевую полость сжатый воздух по сквозным каналам, проходящим в теле храповой буксы поворотного механизма, диска, направляющей золотника и задней крышки золотниковой коробки, поступает внутрь золотниковой коробки и через кольцевой зазор между передним фланцем золотника и внутренней поверхностью в заднюю часть цилиндра, заставляя поршень перемещаться вперед.

27

действующее на него справа, и он будет переброшен в новое положение. Кольцевой зазор между передним фланцем золотника и внутренней поверхностью передней крышки перекрывается, но образуется зазор между золотником и нижней кромкой золотниковой коробки. Теперь воздух по этому зазору, каналам поступает в переднюю часть цилиндра и заставляет поршень двигаться назад. Далее все повторяется в той же последовательности, но в обратном порядке.

Вприменяющихся конструкциях пневматических бурильных машин механизм поворота бура бывает зависимого и независимого действия. У первых поворот буру передается от поршня, у вторых – от специального пневматического двигателя.

Колонковые перфораторы предназначаются для бурения шпуров, направленных горизонтально или с отклонением от горизонтали на ±45°, в породах и рудах любой крепости. Серийно выпускается колонковый перфоратор КС-50.

При работе колонковый перфоратор вместе с автоподатчиком устанавливаются на манипуляторе буровой каретки или на распорной винтовой колонке. Установлено, что для надёжной работы масса колонки должна быть не менее чем в полтора раза больше массы перфоратора.

Колонковые бурильные машины более мощные, чем ручные. При очистных работах колонковые перфораторы применяют для бурения скважин глубиной до 25 м из подэтажных штреков.

Колонковый перфоратор имеет такое же устройство, как и ручной, но отличается большими размерами и наличием приливов для крепления и передвижения их в салазках автоподатчика.

Телескопные перфораторы применяются при бурении шпуров, направленных вверх или с отклонением от вертикали до 35…45°, в породах любой крепости (рис. 1.12). Серийно выпускаемые перфораторы ПТ-38 и ПТ-48 соответствуют требованиям ГОСТ Р 52442–2005.

Вразведочных выработках их обычно используют при бурении шпуров в восстающих и «подбурков» в кровле выработки для навески коммуникаций и под анкерную крепь. Устройство перфоратора в принципе такое же, как и у ручного, но удар от поршня буру передаётся через промежуточный боёк, расположенный в передней головке и предохраняющий цилиндр от засорения буровой пылью.

Цилиндр соединён с головкой телескопной колонки двумя стяжными болтами, проходящими сквозь проушины в передней головке перфоратора. Сжатый воздух подводится по шлангу к воздушному колену, откуда он поступает в перфоратор и цилиндр телескопной колонки. Впуск регулируется воздушным краном. При забуривании проходчик придерживает перфоратор с помощью рукоятки, в которой находится клапан разгрузоч-

30