Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения

Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бу­рения предназначены для бурения шпуров и скважин в породах средней крепости и крепких. Бурение этими машинами основано на комбинированном способе разрушения породы, объединяющем основные свойства ударного и вращательного воздействия на по­роду. При этом внедрение бурового инструмента в породу проис­ходит в основном под действием удара, а лучшему скалыванию или срезанию породы способствует значительный крутящий момент, непрерывно прикладываемый к буровому инструменту мощным вращателем. Благодаря этому появляется возможность значи­тельно уменьшить усилие подачи по сравнению с вращательным режимом бурения, что уменьшает истирание бурового инструмента при одновременном увеличении скорости бурения по сравнению с ударно-поворотным бурением. В зависимости от крепости по­роды основной объем разрушения может происходить как под дей­ствием удара, так и благодаря вращению инструмента. Соответ­ственно преобладанию затрат энергии на основное разрушение и принято различать ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение.

Машины вращательно-ударного и ударно-вращательного бу­рения состоят из независимо работающих ударного и вращательного механизмов, смонтированных п одним корпуса или в разных. Основной отличительной чертой машин ударно-вращательного действия является наличие специально сконструированного по­гружного ударного механизма – пневмоударника, уходящего в; скважину вместе с буровой коронкой и обеспечивающего ей внедрение в породу в основном за счет ударов. Машины вращательно-ударного бурения оборудуют ударным механизмом, остаю­щимся вместе с вращателем вне скважины. При этом ударный ме­ханизм выполняет вспомогательные функции относительно основ­ного вращательного механизма.

В большинстве ударно-вращательных и вращательно-ударных буровых машин ударные механизмы используют пневматическую энергию, а вращательные и подающие–пневматическую, элек­трическую или гидравлическую. Основными преимуществами ударно-вращательных буровых машин являются сохранение энер­гии удара на буровой коронке независимо от глубины скважины и возможность приложения к буровому инструменту большого кру­тящего момента. Машины вращательно-ударного действия соз­дают буровому инструменту высокий крутящий момент, однако поворот бура у них не согласован с движением поршня-ударника. Поэтому машины ударно-вращательного действия обычно приме­няют для бурения глубоких скважин, а машины вращательно-ударного действия – для бурения неглубоких эксплуатационных скважин или шпуров.

Машины ударно-вращательного бурения. При ударно-враща­тельном бурении буровой машиной является погружной ппевмо-ударник, которому через штанги передаются вращение и подача м на забой от установленных вне скважины вращателя и податчика. По ГОСТ 13879–73 погружные пневмоударники выпускают четырех основных типоразмеров соответственно для бурения сква­жин диаметром 105, 125, 160 и 200 мм с ударной мощностью не менее 2,2; 3,1; 4,3 и 5,8 кВт при давлении сжатого воздуха 0,5 МПа.

Первые два типоразмера пневмоударников рассчитаны на бу­рение пород с коэффициентом крепости f = 6÷20, а другие два – с коэффициентом крепости f = 12÷20 при расходе воздуха на 1 кВт не более 2,3 м³/мин. Частота ударов в минуту составляет 1700—2500.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы машины ударно-вращательного действия на примере пневмоударника П1-75 (рис. 41, а). Он состоит из цилиндра 2, в котором перемещается поршень 3, передней головки 5, в которую вставляется буровая коронка 4, закрепляемая шпонкой 6, и задней головки 1. Воздухо-распределение в пневмоударниках осуществляется так же, как в перфораторах. В пневмоударнике П1-75 применено, например, самораспределение сжатого воздуха поршнем. При холостом ходе поршня 3 сжатый воздух поступает через заднюю головку и ка­налы 12 в переднюю полость 13 цилиндра. Из задней полости 7 цилиндра в это же время происходит выхлоп по проточке 11 и выхлопным отверстиям 10. При рабочем ходе поршня впуск сжа­того воздуха в заднюю полость цилиндра происходит по каналам 9, в то время как из передней полости происходит выхлоп.

Продувка скважин осуществляется отработанным воздухом через продувочный канал 8.

В качестве бурового инструмента пневмоударников наиболь­шее распространение получили долотчатые, крестовые и трехлег* вийные буровые коронки с опережающим лезвием (рис. IV.41, б).

Машины вращательно-ударного бурения применяются в основ­ном для бурения шпуров и скважин при проведении выработок большого сечения. Основной отличительной чертой этих машин является большой крутящий момент, развиваемый специальным вращателем, работающим независимо от ударного механизма, но смонтированным в одном корпусе с ним.

Комплект из бурильной машины и автоподатчика называют бурильными установками. Эти машины классифицируют на отдель­ные группы по следующим признакам:

Рис. IV.4). Пневмоударник П1-75 (а) с трехлезвийной буропой коронкой (б)

по частоте ударов — с частотой ударов в минуту 5000—7000 и 2500—4000;

по энергии удара — с энергией до 50 Дж и 60—80 Дж;

по числу скоростей привода вращателя — одно-, двух- и трех-скоростные;

по конструкции привода подачи — с автоматическим регули­рованием осевого усилия и без регулирования последнего.

Остальные параметры вращательно-ударных бурильных ма­шин обычно следующие: давление сжатого воздуха 0,4—0,6 МПа, расход воздуха 10—14 м³/мин, диаметр коронки 42 мм, длина шпура до 4 м; способ очистки и рас­ход промывочной жидкости практически одинаковы во всех конструкциях.

Вращательно-ударные машины со­стоят из следующих основных частей: бурильной головки, механизма подачи, штанги и буровой коронки. Например, бурильная машина БУ1 (рис. IV.42) состоит из пневматического двигателя /, редуктора подачи 2, клапана 3, крана концевого выключателя 4, бурильной головки 5, подвижного люнета 6, рас­порного домкрата 7, буровой штанги 8 и буровой коронки 9. Бурильная го­ловка 5 перемещается с помощью ме­ханизма подачи по направляющей балке и производит бурение шпура на задан­ную глубину, после чего автоматическим или ручным включением механизма по­дачи на обратный ход отводится в на­чальное положение.

Вода к бурильному инструменту подводится через муфту боковой про­мывки.

Подвижной люнет 6 служит для под­держания прямолинейности штанги 8 в процессе бурения шпура.

Масса бурильных установок вместе с ходовым колесным или гусеничным оборудованием составляет 2—3 т.

В качестве рабочего инструмента применяют коронки, аналогичные ко­ронкам для перфоратора и имеющие несимметричную заточку. При этом для бурения пород мягких и ниже средней крепости передний угол у заточки лез­вия принимается равным 10—15°, а для крепких пород — 20—25°. Угол заточки задней грани р = 45 ч-60°.

Основными параметрами бурильных машин этой группы являются энергия единичного удара, число ударов за один оборот бурового инструмента, частота вращения и величина усилия подачи бурового инструмента.

При этом особое значение имеет пра­вильный выбор энергии единичного уда­ра, которая должна быть достаточна для обеспечения объемного разрушения породы. Так, для пород с коэф­фициентом крепости/= 10-г-12и/= 14-1-16 энергию единичного удара рекомендуется принимать равной соответственно 40—50 и 70—80 Дж. При увеличении коэффициента крепости породы более 12 рекомендуется увеличивать частоту ударов на один оборот бурового инструмента с 20 до 30, а величину усилия по­дачи уменьшать с 12 до 8 кН.

При уменьшении крепости породы основное внедрение инстру­мента и объемное разрушение породы происходят под действием крутящего момента и осевого усилия, а ударная нагрузка носит лишь вспомогательный характер.

Теория работы и основы расчета ударного механизма в машинах ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения анало­гичны описанным для перфораторного (ударно-поворотного) бу­рения (см. § 2 гл. 3).