Буровой инструмент станков шарошечного бурения

В качестве основного разрушающего инструмента на СБШ используются шарошечные долота. Кроме того, на них могут быть использованы режущие и комбинированные долота. Буро­вые штанги этих станков представляют собой гладкие трубы с резьбовыми хвостовиками. [5]

Шарошечные долота для бурения взрывных скважин изготавливаются в соответствии с ГОСТ 20692—75 «Долота ша­рошечные. Типы и основные размеры». Они оснащаются одной, двумя или тремя шарошками. Наибольшее распространение по­лучили трехшарошечные долота. Трехшарошечное долото (рис. 19) состоит из трех сзаренных между собой секций — лап 1, на цапфах которых смонтированы шарошки 2, свободно* вращающиеся на опорах, снабженных роликовыми 3 и шарико­выми 4 подшипниками качения. Наружные рабочие поверхно­сти шарошек оснащены зубками 5 и 6. Верхняя часть долота 7 для соединения со штангами имеет стандартную замковую ко­ническую резьбу.

Рис. 19 Трехшарошечное долото

Номенклатура шарошечных долот, применяемых на карье­рах, приведена в табл. 3.

Размеры шарошечных долот по ГОСТ 20692-75

Таблица 3

Диаметр, мм	Высота, мм	Диаметр, мм	Высота, мм	Диаметр, мм	Высота, мм
165,1	310	212,7	340	269,9	410
171,4	320	215,9	350	295,3	420
187,3	320	222,3	360	311,1	420
190,5	330	228,6	380	320,0	450
196,9	330	244,5	390	374,2	515
200,0	340	250,8	400	381,0	525

Шарошки и лапы долота изготавливаются из легированных сталей (12ХН2, 20ХНЗА и др.) и подвергаются химико-терми­ческой обработке. Шарошечные долота имеют каналы для под­вода сжатого воздуха, при помощи которого забой скважины очищается от буровой мелочи. Кроме того, имеются каналы 8 в лапах долота и их цапфах для направления части подводи­мого к долоту воздуха в полость опор шарошек-с целью их ох­лаждения, смазки и предотвращения попадания в опоры мелких частиц буровой мелочи.

В зависимости от назначения (типа буримых пород) наруж­ные рабочие поверхности шарошек (вооружение) имеют раз­личную форму и армировку зубков. Это отражается в обозна­чении долота следующими буквами:

— для мягких пород; МС — для мягких пород с пропластками пород средней твердости; М3 — для мягких абразивных пород; МЗС — для мягких абразивных пород с пропластками средней твердости; С--для пород средней твердости; СТ — для пород средней твердости с пропластками твердых; СЗ — для абразивных пород средней твердости; Т — для твердых пород; ТЗ—для твердых абразивных пород; ТК — для твердых пород с пропластками крепких; ТКЗ — для твердых абразивных пород с пропластками крепких; К — для крепких пород; ОК — для очень крепких пород.

Шарошки долот Т, СТ, С, МС и М имеют фрезерованные зубья, наплавленные твердым сплавом, и отличающиеся друг от друга количеством и размерами зубьев. Зубья шарошек М3, СЗ, ТКЗ, К и ОК выполнены в виде запрессованных в тело ша­рошек твердосплавных штырей с клиновидной (с углом клина 90°) (М3, СЗ и ТЗ) или сферической (К, ОК) рабочей поверх­ностью.

В зарубежной практике также находят применение штыри с углом клина 60° и скругленной зоной внедрения. Причем твер­досплавные штыри применяются там для оснащения долот типа К, ТК, СТ и даже М. Шарошки отечественных долот МЗС и ТК имеют чередующиеся фрезерованные и вставные зубья.

По расположению и конструкции продувочных каналов ша­рошечные долота изготавливаются с центральной (П) и боко­вой (ПГ) продувкой, а опоры.шарошек могут быть с телами ка­чения (В), на двух и более подшипниках скольжения (А) или с одним подшипником скольжения и остальными подшипни­ками качения (Н). [6]

Рациональная область применения шарошечных долот на карьерах

Таблица 4

Долото	Горные породы	Коэффициент крепости	Диаметр долот
С иСТ	Неабразивные горные породы ниже сред­ней и средней твердости: плотные глины, гипс, алевролиты, соли, маргели, угли­стые и глинистые сланцы, рыхлые из­вестняки и др.	6	190,5; 215,9;
Т	Неабразивные и малоабразивные твер­дые горные породы: амфиболовые слан­цы, аргиллиты, песчанистые сланцы, твердые известняки, слабые доломиты, фосфатные руды, опоки и др.	6-8	190,5; 215,9; 244,5
ТК	Малоабразивные твердые породы с про-пластками крепких пород и руд: твер­дые известняки с пропластками угля, малокристаллические известняки с про­пластками доломитов и др.	8-10	190,5; 214,9; 244,5
ТЗ	Вязкие абразивные твердые горные по­роды: апатит-нефелиновые руды, доломитизированные известняки и плотные доломиты, разрушенные граниты, габ­бро и диориты, магнезиты.	8-14	190,5; 215,9; 244,5
ТКЗ	Перемежающиеся абразивные твердые вязкие и крепкие хрупкие горные по­роды и руды: окварцованные доломитизированные известняки с прослоями рыхлого кварцита, кварцевые сланцы и др.	8-14	215,9; 269,9
К	Крепкие абразивные и хрупкие горные породы: андезиты, базальты, диабазы, габбро, порфириты, плотные роговики.	12—16	269,9; 320,0
ОК	Абразивные хрупкие крепкие и очень крепкие горные породы и руды: гранит, скарны, кварциты, диориты, джеспелиты, крепкие песчаники и др.	12—16	269,9; 320,0

Условное обозначение (шифр) долота выбивается на торце присоединительного хвостовика.

Пример условного обозначения трехшарошечного долота диаметром 215,9 мм для бурения твердых пород с центральной продувкой с опорами шарошек на подшипниках с телами каче­ния: 215,9 Т — ПВ ГОСТ 20692—75, где 215,9 — диаметр до­лота, мм; Т — тип вооружения; П — вид продувки; В — тип опор.

Размер долота и тип вооружения его шарошек выбирают в зависимости от физико-механических свойств буримых пород в соответствии с табл. 4.

С увеличением обводненности скважин стойкость шарошеч­ных долот снижается. Эффективным средством повышения стойкости долот в этих условиях является применение клапанов раз­личных конструкции.

Противошламный клапан КД-3 (рис. 20) предложен Инсти­тутом геотехнической механики АН УССР. От 40 до 80 % долот выходят из строя из-за заклинивания и износа опор при рабо­тоспособном вооружении. Одним из перспективных путей уве­личения работоспособности опор является их принудительная непрерывная смазка.

В отраслевой научно-исследовательской лаборатории Минчермета СССР при Московском горном институте совместно с институтом Гипромашобогащение разработан буровой снаряд, обеспечивающий непрерывную принудительную подачу смазки в опоры и пылеподавление водой, выбрасываемой в затрубное пространство. Резервуар для воды емкостью 50 л обеспечивает непрерывную работу бурового станка в течение 35—40 ч.

Рис. 20 Долото с противошламным клапаном:

а — на ниппеле долота; б — в переходнике; 1 — ниппель долота; 2 — переходник; 3 — возвратная пружина; 4 — шток; 5 — направляющий конус; 6 — канал для прохода воз­духа; 7 — корпус клапана; 8 — диафрагма

Во ВНИИБТ разработан способ подачи смазки к опорам до­лота за счет маслоотражательной втулки, устанавливаемой в центральном продувочном канале долота. Втулка обеспечи­вает выделение масла, имеющегося в воздушном потоке, и на­правление его к опорам долота. Применение маслоотражательных втулок повышает среднюю стойкость долота в 1,2—1,9 раза и увеличивает скорость бурения на 11—20 %.

Режущие буровые долота. Был соз­дан ряд конструкций режущих долот (рис. 21) для бурения скважин станками шарошечного бурения с продувкой воздухом. В качестве режущих элементов для них используются съемные типовые резцы, число которых увеличено по сравнению с корон­ками для станков шнекового бурения. Для размещения резцов корпуса подобных долот выполняются трех- и четырехперыми, что позволяет снизить вибрации, возникающие при бурении.

Под руководством М. С. Сафохина и Б. А. Катанова были сконструиро­ваны, изготовлены и испытаны несколько типов режущих долот для бурения скважин диаметром 180—200 мм станками шаро­шечного бурения. Производственные испытания этих долот по­казали принципиальную возможность использования режущих долот на станках шарошечного бурения. При этом было уста­новлено, что двухперые долота работают недостаточно устой­чиво и вызывают вибрацию бурового става. Поэтому были скон­струированы долота различной формы и с различным количе­ством резцов. [5]

Рис. 21 Режущее буровое долото

Долото КБК-1 представляет собой усеченный конус с диа­метром большего основания 160 мм и меньшего — 72 мм. На наружной поверхности конуса имеются площадки с отверстиями для резцов. На корпусе долота установлено 10 резцов. Масса долота с резцами 16,5 кг. Для облегчения корпуса хвостовик и часть корпуса выполнены полыми. Сжатый воздух подводится к забою через сквозные отверстия в корпусе.

Трехперое режущее долото КБТ-IV имеет двенад­цать резцов РК-8Б. Резцы закреплены в конических отверстиях на торцевых уступах корпуса, изготовленного заодно с хвосто­виком. Сжатый воздух через полый хвостовик и три сквозных отверстия диаметром 20 мм, расположенных между перьями, подводится к забою. Диаметр долота 200 мм, масса 12 кг. До­лото испытано на разрезе «Кедровский» в Кузбассе и показало положительные результаты.

Комбинированные режуще-шарошечные до­лота позволяют использовать преимущества режущего и ша­рошечного инструмента при бурении абразивных пород с = 5-7. В этом случае целесообразно использовать режущий ин­струмент в комбинации с шарошечным. При этом оказывается возможным создание рациональной формы забоя скважины и использование всех преимуществ режущего и шарошечного ин­струмента.

Наименее эффективно шарошка разрушает вязкую и пластичную породу. Раз­рушение части породы дру­гим инструментом повышает эффективность работы ша­рошек. Разгрузка шарошки приводит к уменьшению на­грузки на опору долота.

Рис. 22 Режуще-шарошечное долото РШД-3А Кузбасского политехнического института

Конструктивно режуще-ша­рошечные долота могут вы­полняться по различным схемам. Так долото РШД-ЗА (рис. 22) конст­рукции Кузбасского поли­технического института имеет специальный корпус, к которому сваркой кре­пятся лапы 2 шарошек 3.

Резцедержатель 4 с тремя резцами 5 крепится сваркой к осям шарошек. При ис­пользовании стандартных шарошек их вершины сре­заются и растачиваются сквозные отверстия для осей. Выступая над поверх­ностью шарошек, резцы вы­буривают в центре опере­жающую скважину и образуют ступенчатый забой, облегчая таким образом ра­боту шарошек.

Долота РШД-214 и 1РШД-214 (рис. 23) конструкции Иркут­ского политехнического института представляют собой двухша­рошечное долото с шарошками и встроенной в него режущей лопастью, которая под действием пружины может переме­щаться в направляющих корпуса. При бурении слабых пород долото работает как режущее. С увеличением крепости пород пружина сжимается под действием осевого усилия и в работу вступают шарошки. Разрушение породы при этом происходит под действием комбинированного воздействия режущего и ша­рошечного инструмента.

Рис .23 Режуще-шаро­шечные долота Иркут­ского политехнического института а — РШД-214; б — 1РШД- 214; 1 — лапа шарошки; 2 — лапа режущей лопасти; 3 — режущая лопасть (корон­ка); 4 — гайка; 5 — пру­жина; 6 — шайба; 7 — па­лец; 8 — шплинт; 9 — ша­рошка; 10— резец; 11 — стакан

Комбинированное режуще-шарошечное долото К-РШД-214 конструкции Кузбасского политехнического института (рис. 24) состоит из стального корпуса 1 с лапами 2 и 3, на которых размещены режущие лопасти 4 и зубчатые ша­рошки 5. На режущих лопастях 4 штифтами 6 закреплены съем­ные режущие элементы 7. В центре корпуса 1 расположен сквозной канал 8 для подвода сжатого воздуха к забою скважины. Хвостовики режущих лопастей удерживаются в корпусе штифтами 9, концы которых могут перемещаться по сквозному пазу 10. Опирающиеся на тарельчатые пружины 12, размещен­ные в гнезде 11 корпуса, хвостовики, таким образом, могут пе­ремещаться в осевом направлении. Для предотвращения попа­дания пыли в зазор между хвостовиком и лапой в ней вы­полнен воздушный канал 13, который соединен с центральным воздушным каналом 8.

Рис. 24 Режуще-шарошечное долото К-РШД-214 Кузбасского политехнического института

Существенным недостатком описанных выше долот является то, что при бурении как слабых пород, так и крепких прослой­ков их режущие лопасти под действием осевого усилия прижи­маются к забою и непрерывно находятся с ним в контакте. При этом периферийные (наружные) части лопастей подвергаются интенсивному износу и быстро выходят из строя.

При бурении крепких пород, когда усилия пружин оказы­вается недостаточно для внедрения режущих лопастей в по­роду, под действием осевого усилия пружины сжимаются и в контакт с забоем вступают шарошки. При этом, однако, сжа­тые пружины продолжают с большой силой прижимать режу­щие элементы к забою, вследствие чего они интенсивно изна­шиваются.

В комбинированном долоте (рис. 25) режущая лопасть вы­полнена ступенчатой. Комбинированное долото (рис. 25, а) со­стоит из корпуса 1, на лапах 2 которого установлены зубчатые шарошки 3. В продольных пазах корпуса установлена режущая лопасть 4, опирающаяся на пружину 5, сжатую до заданного усилия гайкой 6. От выпадания из корпуса лопасть фиксируется пальцами 7.

Рис. 25 Режуще-шарошечное долото со ступенчатой режущей лопастью:

а — общий вид; б — положение породоразрушающих элементов при бурении слабых по­род; в — положение породоразрушающих элементов при бурении крепких пород

Режущие кромки лопасти состоят из центрального А и пери­ферийного Б участков. При этом периферийный участок выпол­нен выше центрального на высоту зуба шарошек.

При бурении слабых пород (рис. 25, б) лопасть 4 под дей­ствием осевого усилия, передаваемого на нее от корпуса через пружины 5, внедряется в породу обоими участками и осущест­вляет разрушение забоя резанием. При этом забой имеет сту­пенчатую форму.

При бурении крепкой породы (рис. 25, в) жесткость пружин оказывается недостаточной для передачи на режущую лопасть осевого усилия, достаточного для ее внедрения в породу. Про­исходит сжатие пружины, и в контакт с забоем вступают ша­рошки. При этом с забоем контактирует только центральный участок А режущей лопасти. Устранение контакта с забоем пе­риферийного участка Б при бурении крепких пород сущест­венно снижает интенсивность его износа. Износ же контакти­рующего с забоем центрального участка будет сравнительно невелик вследствие его незначительного радиуса и малой ли­нейной окружной скорости.

Буровые штанги для бурения взрывных скважин ша­рошечными долотами служат не только для одновременной пе­редачи долоту крутящего момента и осевого усилия, но и для подвода к забою сжатого воздуха, при помощи которого охлаж­дается долото и выдается из скважин буровая мелочь. Штанга представляет собой бесшовную стальную трубу. Для изготовле­ния штанг для бурения скважин с продувкой сжатым воздухом могут быть использованы как бурильные трубы с высаженными концами, изготовляемые по ГОСТ 631—75, так и стальные бес­шовные холоднотянутые и холоднокатанные трубы (ГОСТ 8734—75), а также горячекатанные бесшовные трубы (ГОСТ 8732—78). В комплект буровых штанг могут входить концевая штанга (забурник), а также несколько основных рабочих штанг. Ниппели рабочих штанг имеют еще дополнительную внутрен­нюю резьбу меньшего диаметра для соединения со шпинделем вертлюга.