lukyanov-взрывные работы

3. Снижение потерь ударной мощности при передаче ее на рабочие лезвиябуровогоинструмента.

Увеличение рабочего давления в цилиндре пневмоударного механизма достигается за счет применения сжатого воздуха повышенного и высокого давления. Теоретически повышение давления воздуха с 0,5 до 1 МПа увеличивает ударную мощность в 2,8 раза, а при повышении до 2 МПа – почти в 8 раз и т. д.

Экспериментальные исследования по применению сжатого воздуха повышенного (до 1,2 МПа) и высокого давления (до 2 МПа) подтвердили приведенные теоретические положения. При бурении обычными серийными перфораторами с применением сжатого воздуха с давлением 1,2 МПа скорость бурения возрастала в три-четыре раза. При этом удельный расход воздуха на бурение одного шпурометра уменьшался в среднем в полтора раза. Снижался также удельный расход бурового инструмента. Отмечалось повышение уровня шума перфоратора на 10…15 дБ, возрастала вибрация. При бурении перфораторами сприменением сжатого воздухаидавлением 2 МПа скорость бурения увеличивалась в семь-восемь раз, однако при этом бур и коронки быстро выходили из строя из-за недостаточной прочности. При условии применения для бурового инструмента сталей и сплавов с более высокими прочностными показателями успешное бурение при таких давлениях сжатого воздуха вполне реально. Опыт зарубежных фирм, применяющих при бурении пневмоударниками сжатый воздух с давлением до 3 МПа и выше, доказывает реальность этого пути повышения производительности пневмоударного бурения. Некоторое увеличение среднего рабочего давления в цилиндре пневмоударной машины может быть достигнуто за счет нахождения оптимальных параметров всех элементов конструкции и получения наиболее высокого КПД. Индикаторные диаграммы, полученные при работе различных конструкций пневматических молотков, свидетельствуют о неудовлетворительной работе воздухораспределительных устройств, недостаточных сечений воздухопроводящих каналов и выхлопных окон. Значительные потери давления сжатого воздуха происходят за счет малых сеченийканаловввоздухопроводящей арматуре, шлангах, кранах, штуцерах. При замене элементов арматуры на большие сечения среднее рабочее давление в цилиндре пневматического молотка увеличивалось на 15…20 %, соответственноувеличиваласьискоростьбурения.

Направление, обеспечивающее рост ударной мощности пневматической ударной машины, изменение её конструктивных элементов. Таким элементом, определяющим величину ударной мощности, развиваемой пневмоударной машиной, являются размеры рабочей площади поршня-ударника. Приувеличениирабочейплощадив2 разамощностьвозрастетв2,8 раза, увеличениеплощади в3 разаувеличит мощностьв6 раз и т. д. Увеличение рабо-

61

чей площади поршня можно достичь за счет увеличения диаметра количества головокпоршнянаодномштоке, работающихвотдельныхкамерах, илизасчёт увеличения количества поршней, наносящих удары по буровому инструменту. При повышении давления сжатого воздуха рост ударной мощности пневмоударноймашиныпроисходитодновременнозасчётувеличениячастотыударов и энергии удара. Как было указано, увеличение частоты ударов в 3–4 раза не оказывает существенного влияния на долговечность машины и инструмента. Увеличениеэнергииударадопустимодозначений, определенныхпрочностью буровогоинструментаивпервуюочередьпрочностьюлезвийбуровойкоронки. Фактическиэнергияударасовременныхперфораторовипневмоударников уже достигла допускаемого значения, поэтому увеличение мощности при современном буровом инструменте возможно в основном за счёт увеличения частоты ударов. Увеличение частоты ударов при сохранении величины энергии удара можно получить при одновременном увеличении рабочей площади поршня-ударникаитакомжеуменьшениидлиныегохода.

Увеличение мощности всех видов производственного оборудования – основная тенденция в машиностроении. Пневматические ударные машины благодаря своим конструктивным особенностям и возможности работать на повышенном и высоком давлении сжатого воздуха создают хорошие перспективы по дальнейшему увеличению мощности этих машин, а следовательно, и увеличению скорости бурения горных пород.

1.1.6.4. Разработка полнопогружных буровых машин

Передача энергии удара на рабочие лезвия через промежуточные элементы ведёт к значительным её потерям.

Пневматические перфораторы, даже наиболее мощные, могут бурить с удовлетворительной скоростью только до небольших глубин, измеряемых метрами. Передача энергии удара через длинную колонну штанг значительно снижает КПД удара. Если принять энергию, развиваемую поршнем-ударником ударной машины за единицу, то уже при глубине 1 м потери будут составлять 0,2, на глубине 5 м – 0,5, а на десятом метре – 0,7. Это обстоятельство обусловливает экономическую целесообразность применения перфораторного бурения только на буровых работах при проходке неглубоких шпуров и скважин.

Перенесение буровой машины в скважину к ее забою является следующим, более высоким этапом в развитии буровой техники.

При перенесении пневматического перфоратора в скважину его конструкция, сохраняя все свои положительные качества, приобретает новые, а именно:

1.Решается проблема бурения глубоких взрывных скважин при высокой и постоянной скоростях бурения независимо от глубины.

62

2.Решается проблема борьбы с шумом. При работе пневмоударной машины, после входа перфоратора в скважину, работа его становится почти неслышной, что создаёт возможность для неограниченного повышения мощности машины.

3.Бур погружного перфоратора постоянный, небольшой длины, его можно изготовлять из наиболее высококачественных, высокопрочных иизносостойких материалов, увеличивая время бурения.

4.Штанги, наращиваемые к перфоратору, мало нагружены, так как не передают крутящего момента и не имеют ударной нагрузки, а поэтомумогут изготовляться изнедорогихсортовстали.

5.Погружной перфоратор создаёт возможность направленного бурения, чтопозволяет совершенствовать технологию горных работ.

6.Погружные перфораторы имеют низкую металлоёмкость, не превышающую 2 МПа, что в несколько раз ниже, чем у других буровых машин. Перспективными конструкциями погружных перфо-

раторов являются высокочастотные – с частотой ударов до 5 000– 6 000 в 1 мин–1 с двумя, тремя или большим числом цилиндров, установленных на демпфер-телескопе и рассчитанных на работу при давлении воздуха до 2…3 МПа. Такие конструкции могут увеличить скорость бурения во много раз.

Применение для изготовления деталей перфораторов высококачественных сталей и новых материалов, новых методов технологии изготовления и упрочнения, в частности пористого хромирования, позволило значительно увеличить срок службы пневмоударных машин. Работы

вэтом направлении создают возможность изготовления более мощных и более производительных конструкций.

Интерес представляют бесштанговые погружные буровые машины. Разработано несколько конструкций погружных перфораторов, у которых в скважину входит вместе с ним подающий механизм с теле- скопно-шагающим устройством. Механизм подачи состоит из цилиндра и поршня. Цилиндр имеет пневматические распорки, которые, упираясь

встенки скважины, фиксируют его. Поршень со штоком, на котором крепится перфоратор, подается вперед по мере ухода забоя скважины. После подачи на всю длину происходит расфиксация цилиндра податчика и фиксация корпуса перфоратора пневмораспорками, и цилиндр податчика подтягивается вперед, затем цикл подачи повторяется.

1.1.7.Механизация и автоматизация ударного бурения

Увеличение мощности буровых машин, их массы, возрастание шума и вибрации требует механизации и автоматизации всех операций при бурении. Рекомендации по механизации и автоматизации даны в табл. 1.10.

63

Максимальный КПД при бурении достигается при условии, что система «буровая машина–бур–забой скважины» занимает определенное, взаимообусловленное положение в пространстве. Бур всегда должен лезвиями касаться забоя скважины, находясь в состоянии покоя или движения вперед. Поршень перфоратора при ходе вперед должен производить удар по хвостовику бура при достижении наибольшей скорости. Последнее требует определенного положения корпуса перфоратора в момент удара, торец поворотной буксы должен соприкасаться с буртом бура. При ходе поршня назад и повороте бура последний не прижимается к забою скважины. Трение лезвий буровой коронки по породе на забое должно быть исключено.

Перечисленные требования можно удовлетворить только при строго фиксированных перемещениях (подаче) перфоратора. Усилие подачи, развиваемое автоподатчиком, прямо пропорционально сумме сил, действующих на корпус перфоратора при ходе поршня вперёд и назад, минус масса корпуса и обратно пропорционально коэффициенту, учитывающему крепость и упругость буримых пород. Полученное значение усилия подачи увеличивается (при направлении оси скважины

64

выше горизонтали) или уменьшается (при направлении оси бурения ниже горизонтали) на величину произведения массы корпуса перфоратора на синус угла, под которым производится бурение. Следовательно, усилие подачи является величиной переменной, изменяющейся соответственно изменению условий работы перфоратора.

Требованиям, приведенным выше, соответствуют дифференциаль- но-винтовые автоподатчики, получающие вращение на гайку подачи от поворотного механизма перфоратора. При такой кинематической схеме достигается полная синхронность работы всех механизмов: ударного, вращательного и подающего. Из пневматических и гидравлических автоподатчиков наиболее соответствуют условиям работы ударной буровой машины конструкции с противодавлением, создающие некоторую фиксацию корпуса перфоратора во время его работы. Возможно создание моторного автоматического подающего механизма с дифференциальновинтовой подачей. Регулировка усилия подачи возможна в узле крепления гайки в проушине корпуса перфоратора не жестко, а с помощью пружинной фрикционной муфты, рассчитанной на передачу оптимального крутящего момента, соответствующего мощности машины.

Длина подачи автоподатчика должна быть максимальной, соответствующей длине штанги, чем обеспечивается минимум перекреплений её при наращивании.

Механизация перестановки буровой машины относительно плоскости забоя горной выработки наиболее эффективно выполняется манипуляторами. Манипулятор выполняет расфиксацию буровой машины после окончания бурения скважины или шпура, перемещение в пространстве на новое место бурения и жесткую фиксацию в заданном положении. Высокопроизводительная работа буровой машины в значительной мере зависит от степени постоянства в пространстве точки крепления автоподатчика и сохранения постоянного направления оси скважины или шпура при бурении. Указанное требование наиболее качественно выполняют манипуляторы.

Разработаны и выпускаются десятки разнообразных по конструкции и размерам манипуляторы, применяемые в самых различных отраслях промышленности.

Несмотря на многообразие конструктивных решений отдельных узлов манипуляторов, по принципу действия и типу механизма, создающего движение его рабочих элементов, манипуляторы можно разделить на шесть классов:

1.Винтовые манипуляторы.

2.Цилиндро-поршневые манипуляторы.

65

3.Реечные манипуляторы.

4.Канатные манипуляторы.

5.Электро-соленоидные манипуляторы.

6.Комбинированные манипуляторы.

Высокую эффективность показали цилиндро-поршневые гидравлические и механические винтовые манипуляторы. Они обеспечивают высокую гибкость при маневрировании и во время перестановки, обеспечивая достаточную жесткость при установке машины в рабочее положение.

На рис. 1.24 показана схема манипулятора с винтовыми моторными узлами, механизирующимиосновныеоперацииприбуренииперфораторами.

Манипуляторы могут быть смонтированы на любом ходовом механизме – буровой тележке, электровозе, погрузочной машине и т. п.

Рис. 1.24. Винтовой манипулятор с механизацией основных операций

при бурении: 1 – перфоратор; 2 – автоподатчик; 3 – механизм перемещения автоподатчика вперед или назад; 4 – механизм поворота автоподатчика

вгоризонтальной плоскости; 5 – механизм поворота автоподатчика

ввертикальной плоскости; 6 – винтовой механизм поворота стрелы манипулятора в горизонтальной плоскости; 7 – стрела; 8 – кронштейн;

9 – винтовой механизм подъёма и опускания стрелы манипулятора в вертикальной плоскости; 10 – стойка; 11 – механизм поворота стойки вокруг оси;

12 – корпус установочного оборудования

66

При разработке новых конструкций буровых машин и оборудования для механизации и автоматизации буровых работ одним из требований является увязка создаваемого объекта с условиями его работы.

Механизация и автоматизация горных работ рационально решается при разработке комплекса машин и оборудования, механизирующих и автоматизирующих все операции, имеющие место при ведении определенного вида горных работ. Комплекс машин должен обеспечивать параллельное или хотя бы параллельно-последовательное выполнение всех операции.

Одной из тяжёлых, занимающих много времени и еще недостаточно механизированных операций при бурении является смена затупившегося бурового инструмента. Решение этой задачи возможно при одновременном усовершенствовании узла соединения буровой коронки со штангой и штанг между собой, а также создания механизма, выполняющего операцию замены затупившейся коронки новой. Рационально такой механизм располагать около устья скважины.

Условием долговечности и надежности машины является качественная смазка всех трущихся пар в конструкции. Автоматическую смазку пневматических машин нетрудно осуществить, используя давление сжатого воздуха. Наличие каналов, подводящих смазку ко всем местам трения при оптимальном её количестве, – обязательное условие нормальной работы машины. Полное удаление разрушенной при бурении породы сразу же после отделения её от забоя и выноса из скважины – одно из условий высокой производительности и увеличения срока службы бурового инструмента и буровой машины. Для очистки скважины или шпура от разрушенной породы часто применяют техническую воду, иногда со специальными добавками, повышающими степень пылесмачивания. Реже применяют очистку скважины или шпура с помощью сжатого воздуха или воздушно-водяной эмульсии. Известны способы удаления разбуренной породы с помощью мыльной пены, отсасывания и др. Подача промывочной жидкости в скважину производится с помощью различных конструкций осевых и радиальных подающих устройств.

Осевое водоподающее устройство находит применение во многих конструкциях пневматических перфораторов и представляет собой труб- ку-иглу, проходящую сквозь перфоратор и входящую своим концом в канал хвостовика бура. Недостатком этой конструкции является возможность попадания промывочной жидкости внутрь перфоратора и смывание смазки, а также частые поломки конца трубки, входящего в бур.

Радиальные промывочные устройства (рис. 1.25) подают жидкость в канал бура по его радиусу и представляют собой муфты различных конструкций. Промывочная жидкость направляется в бур, минуя перфоратор.

67

1.1.8. Совершенствование бурового инструмента

Разработка высокопроизводительного бурового инструмента возможна при наличии достаточных сведений о сопротивлении породы разрушающему воздействию различных факторов механического, физического или химического характера, действующих в зоне разрушения при бурении.

Определение величины и характера изменения сил, действующих при работе бурового инструмента на забое скважины позволяет совершенствовать аппаратуру автоматического регулирования и управления забойными процессами.

Практика ударного бурения выработала несколько форм бурового инструмента. Опыт ударно-канатного и ударно-штангового бурения создал как наиболее износостойкую и производительную «копытную» форму лезвий головки долота. При ударно-перфораторном бурении пород повышенной крепости более производительными являются буровые коронки с опережающим лезвием при прерывистой, зубчатой форме его острия. Высокие скорости бурения получают также при применении буровых коронок кольцевой формы.

Повышение работоспособности ударного бурового инструмента возможно за счёт суммирования всех приведенных выше положительных качеств в одной конструкции. Применяемые в настоящее время буровые коронки при каждом отдельном ударе разрушают только часть забоя скважины. При долотчатой форме коронки, при ударе, разрушается 10…15 % площади забоя скважины, при крестовой – до 20 %. При условии создания бурового инструмента с лезвиями, разрушающими породу при каждом ударе полностью на всей площади забоя при соответствующем увеличении энергии, передаваемой на инструмент, можно получить увеличение скорости бурения в несколько раз. На рис. 1.26 показана схема ударно-долбёжной буровой коронки, разрушающей при каждом ударе всю поверхность забоя скважины.

На рис. 1.27 приведена схема кольцевой коронки для пневмоударника. Кольцевая коронка крепится к корпусу цилиндра, резцы имеют передний угол, равный минус 15…30°. Эта коронка выбуривает керны.

Совершенствование техники сопровождается совершенствованием организации труда и управления при работе буровых машин. Расположение элементов управления и всех средств труда должно обеспечивать минимальные затраты времени и сил человека при их использовании. Конструкция буровых машин должна учитывать также требования эргономики, технической эстетики, санитарии, гигиены и техники безопасности.

69