Лекция 8 ПОДЗЕМНЫЕ БУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ Цель лекции

Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
©Кухарь В.Ю., доцент кафедры горных машин и инжиниринга, ГВУЗ "НГУ"
Лекция 8
ПОДЗЕМНЫЕ БУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Цель лекции – ознакомиться с существующими способами бурения горных
пород, с подземными буровыми машинами и областями их рационального
применения. В результате изучения материала этой лекции студенты должны
научиться выбирать по горно-геологическим условиям и физико-механическим
свойствам пород необходимые для их бурения инструмент и машины, определять их
основные параметры.
СПОСОБЫ БУРЕНИЯ. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ.
КЛАССИФИКАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН
Наиболее распространенным способом отделения от массива пород средней
крепости и крепких при современном состоянии горнопроходческой техники
является буровзрывной способ. Однако, если применение взрывчатых веществ,
введенных внутрь массива породы, позволяет в доли секунды отделять большие
объемы горной породы, то бурение шпуров, необходимых для размещения в
массиве зарядов взрывчатых веществ, является одной из наиболее трудоемких
операций при проведении подготовительных выработок, составляющей 25-40 %
общих трудовых затрат на все работы производственного цикла и 55—60 %
стоимости всех проходческих работ при буровзрывном способе проведения
выработок.
К способам механического разрушения горных пород разрушающими
инструментами относятся резание, ударное разрушение и резание с
одновременным наложением статических или ударных нагрузок. При этом по
характеру деформации породы в месте контакта ее с лезвиями инструмента
различают объемное и поверхностное разрушение.
Наиболее эффективным является объемное разрушение, возникающее в
том случае, когда величина удельного давления контакта лезвий инструмента на
породу (осевого усилия) будет больше, чем твердость породы на вдавливание:
P ≥ σ кр S ,
где P - осевое усилие, Н; σ кр - критическое напряжение породы от
статического вдавливания, Н/мм2; S — площадь контакта лезвий инструмента с
породой, мм2.
Поверхностное разрушение происходит тогда, когда удельное давление
контакта лезвий инструмента на породу будет меньше твердости породы на
вдавливание ( P ≤ σ кр S ), т. е. когда осевого усилия недостаточно, чтобы инструмент
внедрился в породу.
При механическом способе разрушения горных пород в общем случае к
инструменту прикладывается осевая нагрузка (статическая Рс, ударная Руд или та и
другая Рс+Руд) и крутящий момент Мкр.
При бурении шпуров в зависимости от соотношения этих нагрузок различают
следующие способы бурения: вращательное, ударно-поворотное и вращательноударное (ударно-вращательное).
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
2
Резание горной породы при вращательном способе бурения происходит,
когда резец совершает вращательное движение при постоянном действии на него
осевого усилия (давления) Р, вызывающего внедрение инструмента в породу.
Эффективность вращательного бурения, производимого машинами
вращательного действия, определяется при прочих равных условиях величиной
осевого усилия, обеспечивающего внедрение инструмента в породу на
определенную глубину. Обычно осевое усилие изменяется от 2,5 до 20 кН, а
частота вращения - от 1,68 до 20 с-1.
С энергетической точки зрения вращательное бурение является
достаточно совершенным процессом, но только при бурении мягких и средней
крепости неабразивных пород. При вращательном бурении абразивных пород
средней крепости и крепких этот метод малоэффективен вследствие недостаточной
величины осевых усилий, не обеспечивающей объемного разрушения породы, а
приводящей лишь к поверхностному ее разрушению от истирания, и вследствие
быстрого износа и затуплення инструмента при увеличении осевых усилий.
Разрушение породы при ударно-поворотном бурении осуществляется
ударами инструмента с усилием Руд по породе, наносимыми с определенной
частотой но буровой штанге при поворачивании инструмента на определенный угол
в период между ударами.
В момент удара лезвие инструмента внедряется в породу, образуя вруб
(объемное разрушение), глубина которого зависит от работы единичного удара,
критического напряжения породы, действия динамической нагрузки и площади
контакта лезвия инструмента с породой. Условие объемного разрушения породы в
этом случае
'
Aуд ≥ σ кр
S
где Ауд - энергия удара, Дж; σ кр' — критическое напряжение породы от
действия динамической нагрузки, Н/мм2.
Основными параметрами ударно-поворотного бурения являются: энергия
единичного удара поршни по штанге, частота ударов инструмента по породе, угол
поворота инструмента между уларами и осевое усилие подачи. Обычно энергия
единичного удара составляет от 30 до 200 Дж, частота ударов в секунду — от 30 до
50, осевое усилие подачи 1150—2000 Н.
При ударно-поворотном бурении можно создавать значительную
удельную нагрузку на инструмент, поэтому ударно-поворотное бурение
применяют для крепких и весьма крепких пород.
Недостатком ударно-поворотного бурения является прерывистый и более
длительный процесс разрушения, чем при вращательном бурении, так как при
обратном ходе ударника образуется пауза, и работы по разрушению породы в
этот момент не производятся.
Для эффективного объемного разрушения пород необходимо, чтобы при
вращательном бурении удельное осевое усилие, а при ударно-поворотном —
удельная энергия единичного удара были больше твердости породы на статическое
или динамическое вдавливание.
Особенностью
вращательно-ударного
способа
бурения
является
одновременная передача на породу непрерывно вращающимся разрушающим
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
3
инструментом осевого статического усилия Р и периодических ударных импульсов
Ауд, направленных по оси инструмента.
Внедрение инструмента в породу в процессе вращательно-ударного бурения
происходит как под действием ударной нагрузки и осевого усилия, так и в
результате вращения инструмента. При этом требуется меньшее осевое усилие, чем
при вращательном бурении, так как внедрение инструмента в породу происходит
также под действием удара. Износ инструмента при этом уменьшается. Параметры
бурения вращательно-ударным способом обычно следующие: энергия единичного
удара от 41 до 80 Дж, осевое усилие до 12 000 Н, частота вращения инструмента до
2,5 об/с, частота ударов в секунду 42—62. Вращательно-ударное бурение
применяется в породах средней крепости, где оно обеспечивает оптимальную
производительность. Однако для осуществления вращательно-ударного способа
требуются конструктивно более сложные бурильные машины, чем для
вращательного или ударно-поворотного.
При бурении крепких и абразивных пород величину осевого усилия следует
ограничивать для уменьшения износа и затупления инструмента, но она должна
быть достаточной для того, чтобы препятствовать отскоку бурильной головки от
забоя после удара. С повышением напряженности породы в месте контакта ее с
лезвием инструмента необходимо использовать энергию удара на разрушение
породы.
Наряду с совершенствованием существующих способов бурения шнуров,
основанных на механическом разрушении пород, ведутся поиски новых, более
эффективных способов. К последним можно отнести: термическое бурение,
вибробурение, а также бурение с помощью взрывчатых веществ, струй воды под
высоким давлением, ультразвука.
На основании отечественных и зарубежных исследований установлены
следующие области применения различных способов механического бурения
шпуров диаметром 32—52 мм: вращательное бурение целесообразно
применять при неабразивных породах с f<8; вращательно-ударное бурение
рекомендуется в породах с f = 8-16; при абразивных породах с f> 16 наиболее
эффективно ударно-поворотное бурение.
Для бурения шпуров в подземных горных выработках применяют бурильные
машины и шахтные бурильные установки.
Совокупность конструктивно объединенных бурильной головки,
податчика, штанги и бурового инструмента представляет собой бурильную
машину.
Бурильная головка создает крутящий момент с ударами или без них.
Податчик с помощью штанг обеспечивает перемещения бурильной головки и
требуемые осевые усилия на буровом инструменте.
Бурильная машина придает буровому инструменту определенное направление
и обеспечивает бурение шпура.
Бурильные машины классифицируют по следующим основным
признакам:
типу бурильной головки - вращательного, вращательно-ударного, ударновращательного, ударно-поворотного и универсального действия;
массе — легкие (до 10 кг), средние (20—60 кг) и тяжелые (свыше 60 кг);
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
4
способу установки — ручные, колонковые и механические, устанавливаемые
на манипуляторах кареток;
роду потребляемой энергии — электрические, пневматические,
гидравлические и комбинированные;
частоте ударов бурильной головки в секунду — обычного типа (до 80) и
быстроударные (более 80);
типу податчика с реечной, цепной, канатной, винтовой, гидравлической,
пневматической и комбинированной подачей;
ходу податчика обычный (до 2 м), средний (до 3 м) и длинный (3—5 м);
предельному значению диаметра буровой коронки — для бурения шпуров
малого диаметра (до 52 мм) и большого диаметра (52-85 мм);
способу очистки шпура — промывка водой или воздушно-водяной смесью,
продувка и отсос пыли, очистка шпура витой штангой.
Шахтные бурильные установки позволяют с высокой скоростью бурить
шпуры в средних и крепких породах при проведении горных выработок в угольных
шахтах и рудниках, исключают ручной труд, улучшают санитарно-гигиенические
условия работы и частично механизируют процессы крепления и заряжания шпуров.
Бурильные установки применяют также при строительстве тоннелей и подземных
сооружений.
Шахтные бурильные установки классифицируют по следующим
признакам:
назначению — для бурения шпуров в одно- и двухпутных подготовительных
выработках шахт и рудников сечением в свету 4,4—8,0 м2 и 8—27 м2, для бурения
шпуров в тоннелях и камерах сечением 27—85 м2;
крепости обуриваемых пород — для пород f≤ 6-8, для пород f< 10-15 и для
пород f < 15-20;
наибольшей высоте бурения (при расположении бурильной машины
параллельно почве выработки) - первый размер -2 м, второй - до 2,5 м, третий до 3,6
м, четвертый — до 5 М, пятый— до 7 м, шестой — до 11,2 м;
наибольшей ширине бурения с одной позиции - первый размер — не менее
2,2 м, второй — не менее 3,3 м, третий — не менее 4,5 м, четвертый — не менее 5,5
м, пятый — не менее 6,5 м, шестой не менее 7,5 м;
типу бурильной машины — вращательного, ударно-поворотного,
вращательно-ударного и универсального бурения;
роду энергии - пневматическая, электрическая и гидравлическая;
зоне бурения — фронтальная (только по забою) и радиально-фронтальная (по
забою, в кровлю, бока и почву выработки);
глубине бурения - для бурения шпуров малой глубины (до 2 м), средней
глубины (до 3 м) и глубоких (более 3 м);
числу бурильных машин — одно-, двух-, трех- и четырехмашинная;
ходовой части - колесно-рельсовая, пневмоколесная и гусеничная;
способу перемещения - самоходная и несамоходная.
Бурильные машины ударно-поворотного бурения
Ударно-поворотное бурение осуществляется посредством перфораторов,
позволяющих бурить шпуры и скважины диаметром 20-150 мм в породах
практически любой крепости.
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
5
Наибольшие распространение нашли пневматические перфораторы,
которые по условиям применения подразделяют на следующие группы:
- переносные перфораторы для бурения шпуров;
- колонковые перфораторы, имеющие большую массу, выпускаемые в
комплекте с податчиками этих машин на забой и предназначенные для бурения
шпуров и скважин;
- телескопные перфораторы для бурения восстающих шпуров и скважин (с
отклонением от вертикали до 45°) с собственным пневматическим податчиком,
обеспечивающим рабочее перемещение перфоратора на забой.
Для поддержания и подачи на забой переносных перфораторов при
бурении горизонтальных и восстающих шпуров используют пневмоподдержки.
Пневмоподдержка представляет собой пневмоцилиндр с автономным пуском
сжатого воздуха. Цилиндр пневмоподдержки упирается в почву шпорой, а
перфоратор
закрепляется
на
верхней
головке
пневмоцилиндра.
Пневмоподдержки имеют массу до 18 кг, ход штока до 1 м и усилие раздвижки,
регулируемое от 0 до 1,2 кН. Раздвигающая пневмоподдержку сила может быть
разложена на две составляющие. Вертикальная составляющая численно равна массе
перфоратора, горизонтальная - осуществляет подачу перфоратора на забой. По
конструкции различают пневмоподдержки с подвижным штоком и с подвижным
цилиндром, а также реверсивные и нереверсивные.
Колонковые манипуляторы вместе с собственными податчиками разных
типов (гидроцилиндровыми, винтовыми и др.) устанавливаются на распорных
колонках или на манипуляторах. Распорные колонки выполняются на основе
трубы или рамы и с помощью винтового домкрата распираются между стенками
выработки. Манипуляторы входят в состав подсистем подвески и перемещения ИО
буропогрузочных или других машин. При этом колонковые перфораторы
выполняют для этих машин функции подсистемы привода исполнительного органа.
Принцип работы перфораторов заключается в том, что сжатый воздух с
помощью воздухораспределительного устройства попеременно поступает в
правую и левую полости цилиндра, обеспечивая возвратно-поступательное
движение поршню-ударнику. При движении вперед (рабочем ходе) поршеньударник наносит удар по хвостовику буровой штанги. При движении назад
(холостом ходе) поршень-ударник при помощи поворотного механизма
поворачивается
на
некоторый
угол,
одновременно
поворачивая
исполнительный орган в виде буровой штанги и рабочего инструмента.
В процессе бурения шпура перфораторами разрушенная горная порода
должна непрерывно удаляться из забоя. Своевременное и полное удаление
разрушенной породы исключает ее повторное измельчение, уменьшает расход
энергии и удельный износ бурового инструмента. Наиболее эффективна
промывка шпура водой, которая выполняет и другие функции, в том числе
охлаждает буровой инструмент. При продувке шпура воздухом загрязняется
пылью атмосфера горной выработки. Сухой пылеотсос технически сложнее, а
эффективность его ниже.
Перфораторы также снабжены глушителями шума и виброгасящим
устройством, снижающим уровень шума и вибрации до действующих технических и
санитарных норм.
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
6
Обозначения переносных перфораторов расшифровываются следующим
образом: ПП - перфоратор переносной; 36, 50, 54, 63 - энергия удара, Дж; В центральная промывка водой; Б - боковая промывка; С - продувка; П - пылеотсос;
СВП - продувка с увлажнением.
Исполнительным органом перфораторов является бур, состоящий из
буровой штанги и рабочего инструмента - съемной коронки. Штанги
изготавливают из шестигранной или круглой пустотелой буровой стали. Коронку со
штангой соединяют самотормозящимся коническим соединением, выполненным в
виде конического отверстия в коронке и конической головки на штанге, или
резьбовым соединением.
Основными параметрами, определяющими эффективность рабочего
процесса бурения, являются: энергия единичного удара поршня по штанге (от
30 до 200 Дж); частота ударов (30-50 в сек.); угол поворота инструмента между
ударами (10-20 град.); осевое усилие подачи (1,15-2,0 кН). Номинальное
давление воздуха в пневмосети составляет 0,5 МПа.
Энергия удара ограничивается в основном прочностью материала
буровых штанг и твердого сплава коронок. Так, для бурения шпуров диаметром
42 мм рекомендуется перфоратор с энергией удара 50-65 Дж. При увеличении
частоты ударов возрастают уровни шума и вибраций и их вредное воздействие на
организм бурильщика. При частоте ударов свыше 30-36 в секунду необходимо
применять виброгасящие устройства и глушители шума. При бурении крепких и
абразивных пород осевое усилие необходимо ограничивать для снижения износа
инструмента.
К достоинствам перфораторов относится возможность бурения пород
практически любой крепости, а к недостаткам периодичность воздействия
инструмента на породу, значительное пылеобразование, шум и вибрация при
работе.
Технические данные перфораторов
№ Параметры
ПП36В ПП50В ПП54В ПП63С ПТ48А ПК60А ПК75А
1 Диаметр шпура, мм 32-40 36-40 36-40 40-46 52-85 40-65 65-85
2 Глубина бурения, м до 2
до З
до З
до 5
до 15 до 25 до 50
3 Энергия удара, Дж
36
50
54
63
80
90
150
4 Частота ударов, уд/с
38
37
39
30
33
43
35
5 Масса, кг
24
30
31
33
52
60
75
Бурильные машины вращательного бурения
К машинам вращательного бурения относят ручные сверла, колонковые
сверла и бурильные головки, предназначенные в основном для бурения
шпуров по углю и породам средней крепости.
Ручные электросверла имеют массу 12-24 кг и применяются для бурения
шпуров по углю и слабым породам (f до 4) диаметром до 50 мм, глубиной, как
правило, до 3 м. Мощность электродвигателя незначительна и лимитируется
безопасностью эксплуатации.
При бурении ручными сверлами их подача на забой осуществляется вручную
или с использованием собственного податчика в виде встроенной лебедки.
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
7
Промышленностью также выпускаются пневматические (типа СР) и
гидравлические (типа СГР) сверла, которые отличаются значительной простотой
конструкции, высокой надежностью и безопасностью в работе, возможностью
плавного регулирования частоты вращения ИО.
Гидравлические сверла оборудуются гидроприводом, выполненным в виде
гидротурбин.
Подсистема привода исполнительных органов электросверл, сформирована на
основе редукторов с цилиндрическими зубчатыми передачами.
Колонковые сверла предназначаются для бурения шпуров в породах
средней и выше средней крепости (f до 8) и крепких углях. Масса таких сверл
от 28 до 140 кг, мощность электродвигателя 1,4-4,8 кВт.
Колонковые сверла вместе с собственными податчиками разных типов
(наиболее распространены гидроцилиндровые) устанавливаются на распорных
колонках в виде рам, которые с помощью домкратов распираются между
стенками выработки.
Подсистема привода ИО колонковых электросверл формируется на основе
зубчатых (как правило, цилиндрических) передач.
Подсистема подвески и перемещения ИО выполнена на основе податчика,
обеспечивающего рабочие перемещения органа в виде буровой штанги и рабочего
инструмента относительно основных жестко соединенных узлов корпусной
подсистемы сверла, располагаемых на распорной колонке.
Бурильные головки вращательного действия включают вращатель, состоящий
из двигателя и редуктора с патроном, и исполнительный орган. Эти головки
применяются в составе бурильных установок или устанавливаются на
буропогрузочных, либо других горных машинах и выполняют для этих машин
функции подсистемы привода ИО. Принципиальной особенностью машин этого
типа является использование в их составе электропривода и многоскоростного
зубчатого редуктора.
В последнее время все большее распространение получают бурильные
головки, выполненные на основе гидропривода, что позволяет существенно
упростить их конструкцию, исключив, в частности, зубчатый редуктор.
Исполнительный орган ручных и колонковых сверл состоит из штанги 1
и съемного резца 5. Штанги изготавливают из витой, шестигранной и круглой
пустотелой буровой стали марок У7, У8 и 35ХГСА. Основными частями штанги
являются: головка 3 с гнездом для хвостовика резца, закрепляемого с помощью
крепежного штифта 4, тело 2 с хвостовиком, которым штанга вставляется в
шпиндель сверла.
Круглые и шестигранные штанги применяют при бурении с интенсивной
промывкой водой. При бурении с увлажнением используют штанги из
пустотелой витой стали. Буровая мелочь при этом выдается шнековой спиралью
штанги, а промывочная жидкость подается в количестве, необходимом для
пылеподавления и охлаждения резца. Штанги применяют различной длины в
зависимости от глубины бурения.
На производительность сверл исключительно большое влияние оказывает
правильность выбора режима бурения. Рациональным считают такой режим, при
котором обеспечиваются высокая машинная скорость бурения, малые
удельные энергозатраты, низкий износ инструмента и незначительное
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
8
пылеобразование. Основные параметры вращательного бурения - частота
вращения инструмента, удельная подача, т.е. подача инструмента на один его
оборот, производительность удаления буровой мелочи из забоя шпура.
Установлено, что с увеличением усилия подачи повышается скорость бурения
и снижаются удельные энергозатраты. Ограничивающими факторами являются
прочность инструмента и его стойкость. Скорость бурения растет также с
увеличением частоты вращения, а оптимальное значение последней зависит от
крепости пород f.
При бурении ручными сверлами скорость подачи Vn определяется усилием,
развиваемым бурильщиком, частота вращения - допустимой вибрацией.
Технические данные ручных электросверл
№ Параметры
ЭРП18ДСЭР19-2М ЭР14Д-2М ЭР18Д-2М
2М
'% Диаметр шпура, мм
до 50
43
'
2 Глубина бурения, м
до З
до 4
3 Частота вращения
10; 12,5; 16
14,3
10
5
шпинделя,с-1
4 Номинальный вращающий
9
10,6
19,9
40
момент на шпинделе, Нм
5 Масса, кг
16,5
16
17
24
Технические данные ручных пневмосверл
№ Параметры
СРЗМ
СРЗ
СРЗБ
1 Диаметр шпура, мм
36-50
2 Глубина бурения, м
до З
3 Номинальное давление сжатого воздуха,
0,5
МПа
4 Номинальный вращающий момент на
68,8
68,6
35,8
шпинделе, Нм
5 Масса, кг
13,5
12,5
Бурильные машины вращательно-ударного и ударно-вращательного бурения
Машины этого типа состоят из независимо работающих ударного и
вращательного механизмов, смонтированных в одном или в разных корпусах.
Бурение этими машинами основано на способе разрушения породы,
объединяющем основные свойства ударного и вращательного бурения.
Ударно-вращательный способ бурения может применяться в конструкциях
буровых станков для производства глубоких эксплуатационных и разведочных
скважин.
Основной отличительной особенностью машин ударно-вращательного
действия, как правило, является наличие погружного ударного механизма пневмоударника, перемещаемого в скважине вместе с исполнительным органом и
обеспечивающего внедрение рабочего инструмента в породу в основном за счет
ударов. Вращение погружного пневмоударника вместе с исполнительным органом в
буримой скважине с моментом Мф осуществляется через буровой став из
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
9
соединенных между собой буровых штанг расположенным в подготовительной
выработке вращателем, включающим двигатель и редуктор с патроном. Подача
пневмоударника на забой с усилием р производится соответствующим податчиком
через вращающийся буровой став.
В рассматриваемых машинах в разных корпусах имеется две
пространственно разнесенные группы элементов подсистемы привода ИО,
сообщающие этому органу два требуемых движения: ударное и вращательное.
Первая
группа
выполнена
в
виде
ударного
механизма
и
воздухораспределительного устройства погружного пневмоударника. Вторая
сформирована на основе вращателя и вращающихся вместе с патроном
бурового става и корпуса пневмоударника.
Погружные пневмоударники для машин ударно-вращательного бурения по
принципу работы аналогичны перфораторам, однако они выполняются без
встроенного поворотного механизма. По конструкции погружные пневмоударники,
сообщающие исполнительному органу ударную нагрузку Руд, проще перфораторов.
В качестве рабочего инструмента для машин ударно-вращательного действия,
как правило, аналогично перфораторам служат долотчатые коронки однолезвийные, крестовые и с тремя боковыми лезвиями и центральным
опережающим. Наибольшее распространение для подземных работ получили
последние.
Бурильные машины вращательно-ударного бурения часто выполняются в виде
бурильных головок с общей корпусной подсистемой. Эти головки располагаются в
подготовительной выработке и включают вращатель, состоящий из двигателя и
редуктора с патроном, ударный механизм, воздухораспределительное устройство и
исполнительный орган. Такие бурильные головки применяются для бурения шпуров
и скважин в составе бурильных установок или буропогрузочных, либо других
горных машин и выполняют для этих машин функции подсистемы привода ИО.
Вращательно-ударный способ бурения может применяться также в
конструкциях буровых станков для бурения скважин.
Исполнительные органы машин вращательно-ударного бурения во многих
случаях аналогичны исполнительным органам перфораторов и состоят из буровых
штанг диаметром 30-32 мм и буровых коронок долотчатого типа с асимметрично
заточенными лезвиями.
Для армирования коронок используются пластины металлокерамического
твердого сплава ВК8В, ВК10КС и ВК11В.
Основные параметры машин вращательно-ударного бурения: энергия
единичного удара - 40-80 Дж, осевое усилие - до 12 кН, частота вращения до 150
об/мин, а ударов 42-62 уд/с.
Перспективным является использование гидравлических машин, которые
имеют большую энергию удара и вращающий момент. Это обеспечивает им в 1,5-2
раза выше производительность при пониженных вибрации и шуме.
Бурильные установки
Бурильные установки предназначены для бурения шпуров в породах
различной крепости при проведении горных выработок, строительстве
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
10
тоннелей, а также при проведении очистных работ в рудниках. Они могут
использоваться также для выбуривания угля в углепородных забоях.
Бурильные установки разделяются на фронтальные и радиальнофронтальные. Фронтальными установками шпуры бурятся только вдоль оси
выработки, радиально-фронтальными - вдоль оси выработки и
перпендикулярно к ней.
Современные шахтные бурильные установки состоят из совокупности ряд
подсистем, которые, как правило, выполняются следующим образом.
В качестве подсистемы привода исполнительного органа выступают
бурильные головки вращательного или вращательно-ударного бурения.
Рациональная область применения первых - породы крепостью до 8 по шкале проф.
М.М. Протодьяконова, вторых - породы крепостью 8-15. Бурильные установки
могут быть с одной, двумя, реже тремя бурильными головками.
Подсистемы перемещения самоходных бурильных установок могут быть
колесно-рельсового, гусеничного или пневмошинного типов. Привод подсистем
перемещения может осуществляться от электро-, пневмо- или дизельных
двигателей.
Подсистема подвески и перемещения исполнительного органа
выполняется на базе манипулятора, который предназначен для размещения,
пространственных перемещений, установки и удержания в требуемом
положении податчика с бурильной головкой.
Манипуляторы обычно состоят из: стрелы 6, шарнирно закрепленной на
основных жестко соединенных узлах 1 корпусной подсистемы бурильной
установки; кронштейна 8 для установки на нем податчика 7; гидроцилиндров 9 в
составе системы гидропривода установки, обеспечивающих необходимое число
степеней свободы при пространственных перемещениях податчика 7 с бурильной
головкой (поз.2,3,4).
Податчик
служит
для
перемещения
бурильной
головки
с
исполнительным органом относительно стрелы манипулятора на забой с
заданным осевым усилием и требуемой скоростью подачи и отвода головки в
исходное положение после окончания бурения.
Податчики могут иметь постоянную длину и быть телескопическими. Первые
используются, когда линейные размеры выработки превышают длину податчика,
вторые позволяют обурить забой выработки с полной раздвижностью податчика, а
кровлю и бока выработки - укороченными шпурами с помощью сложенного
податчика. В качестве привода податчиков используют пневмо- или
гидродвигатели. Ход податчика может быть от 2 до 4,5 м, усилие подачи 1,5-20 кН,
скорость подачи бурильной головки при бурении до 0,3 м/с, а при обратном ходе от 0,2 до 0,4 м/с.
Буровые станки
Буровые станки предназначены для бурения скважин по углю и породам
различной крепости.
Применяемые в угольных шахтах буровые станки классифицируются
следующим образом.
1 По назначению:
- для бурения дегазационно-увлажнительных скважин;
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
11
- для бурения технических скважин различного назначения по углю
(углеспускные, водоспускные, разрезные и др.);
- для бурения скважин по породе (гезенки, скаты и др.).
2. По способу подачи исполнительного органа:
- с вращающимся, наращиваемым в процессе бурения ставом;
- с невращающимся ставом, наращиваемым в процессе бурения и
предназначенным для подачи в скважину снаряда-вращателя.
3. По типу податчика исполнительного органа на забой:
- с дифференциально-винтовым податчиком;
- с гидроцилиндровым.
4. По способу управления:
- с места бурения;
- дистанционное на расстоянии до 20 м.
В угольных шахтах преимущественное применение нашли несамоходные
станки вращательного бурения.
В общем случае исполнительные органы таких буровых станков состоят
из забурника 1, расширителя прямого хода 2, расширителя обратного хода 3,
бурового става в виде набора соединенных между собой шланг 4 и опорных
фонарей 5.
Забурник и расширители оснащаются рабочим инструментом (коронки,
резцы, шарошки). Забурник выполняет прежде всего функцию направляющего
устройства, образуя опережающую часть скважины (пилот-скважину).
Наибольшее применение нашли спиральные забурники.
Расширители предназначены для формирования скважин требуемого
диаметра.
Опорные фонари, устанавливаемые через несколько метров на штангах,
выполняют роль опор для бурового става, обеспечивая уменьшение изгибных
деформаций става и повышение направленности буримой скважины.
Соединение штанг при наращивании бурового става осуществляется
соответствующими соединительными элементами (коническое или коническое
резьбовое сопряжения, штифты и т.д.). У многих буровых станков штанги имеют
осевой канал для подвода воды или водовоздушной смеси к забою скважины. При
бурении скважины под углом 0-45° применяют шнековые штанги
транспортирующие отделенную горную массу.
Подсистема привода ИО буровых станков состоит из вращателя и
исполнительного органа. Вращатель включает двигатель, редуктор с патроном
(буровым замком) для закрепления исполнительного органа и размещается в месте
расположения узлов корпусной подсистемы.
Подсистема подвески и перемещения ИО формируется на основе податника и
механизма для поддержания и наращивания или укорачивания бурового става.
Податники разных типов обеспечивают подачу исполнительного органа на забой с
заданным осевым усилием и требуемой скоростью подачи и отвод органа от забоя.
У современных буровых станков наиболее часто применяются податники на базе
гидроцилиндров и соответствующих направляющих.
Основные узлы корпусной подсистемы устанавливаются в требуемом
положении и закрепляются в выработке с помощью соответствующих опорноустановочных механизмов.
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
12
У буровых станков с невращающимся буровым ставом вращатель вместе
с исполнительным органом перемещается в скважине, т.е. является
погружным, называемым также снарядом - вращателем.
В данном случае буровой став входит в состав податчика подсистемы
подвески и перемещения органа.
Гидропривод буровых станков формируется на основе насосной станции.
В настоящее время наибольшее распространение на угольных шахтах
получили буровые станки, предназначенные для бурения дегазационноувлажнительных
скважин.
У
этих
станков,
разработанных
Донгипроуглемашем, вращатели - электромеханического типа, а податчики гидроцилиндровые (кроме Б4Э-15, имеющего податчик дифференциальновинтового типа).
Характерным представителем такого рода бурового оборудования является
станок Б15-50Э, предполагающий реализацию вращательного способа бурения с
вращающимся, наращиваемым буровым ставом. Область применения - угольные
пласты с различными углами залегания, а также породный массив.
Подача бурового става с инструментом на забой осуществляется
гидроцилиндровым податчиком, выполненном на базе двух телескопических
гидроцилиндров 7, запитываемых от отдельно расположенной насосной станции, и
подхвата 8. Последний предназначен для направления бурового става при бурении,
для его удержания от продольных перемещений при установке или демонтаже, а
также для развинчивания штанг.
Для механизированной установки штанг с целью наращивания бурового става
применяется питатель 9, который крепится к станку при помощи подвески 10.
Емкость питателя - 10 штанг, комплектуется питатель средствами автоматики, при
помощи которых осуществляется работа в автоматическом или полуавтоматическом
режимах.
При бурении по углю в качестве рабочего инструмента используется
резцовая коронка, а при бурении по породам - шарошечное долото.
Способ удаления буровой мелочи — промывка скважин водой.
Примером станка, предназначенного для бурения технических скважин по
углю с присечкой пород, является станок Б68КП с электромеханическим
вращателем и гидроцилиндровым податчиком, см. табл.10.7. Характерным для него
является наличие вращающегося бурового става, а также проведение скважин как
прямым, так и обратным ходом.
Буровой станок «Стрела-77» с невращающимся буровым ставом
предназначен для бурения восстающих скважин по породе, используемых для
выдачи угля, проветривания передвижения людей, доставки материалов и
других целей. Станок может работать глухим забоем или по предварительно
пробуренной скважине диаметром 190 мм.
Основные жестко соединенные узлы корпусной подсистемы, смонтированные
на направляющей раме 11, располагаются в штреке сечением не менее 7,1 м2 с
помощью опорно-установочных механизмов в виде установочных 8 и распорных 10
домкратов. Рядом располагается насосная станция 7 с пультом управления станком.
Исполнительный орган включает забурник 1 диаметром 190 мм и
расширитель прямого хода 2 диаметром 1000 мм, оснащенные шарошечным
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
13
рабочим инструментом. Расширитель 2 состоит из трех совершающих планетарное
движение долот, каждое из которых оснащено тремя шарошками.
Снаряд-вращатель 3 состоит из электро- или пневмодвигателя и редуктора с
цилиндрическими и планетарными передачами.
Подача снаряда-вращателя 3 с исполнительным органом на забой и отвод его
от забоя осуществляется податчиком гидроцилиндрового типа. Податчик выполнен
на основе смонтированных внутри направляющей рамы 11 подвижной каретки 13,
двух гидродомкратов перемещения 12 и невращающегося бурового става 4, с
помощью которого усилие подачи передается снаряду-вращателю 3.
Опорные фонари 5 установлены на каждой 5-й штанге длиной 600 мм.
Механизм удержания бурового става при его наращивании и укорачивании
выполнен в виде гидрофицированного захвата 6.
Для передвижки бурового станка по штреку на небольшие расстояния с
помощью автономной лебедки предусмотрены башмаки, опирающиеся на
монорельс 14, и специальная транспортная тележка.
Для подавления пыли, охлаждения электродвигателя и рабочего инструмента
в забой по шлангу 9 от насосной установки подается вода.
Буровые станки могут также применяться для добычи угля в весьма
тонких и тонких пластах. В качестве примера можно привести такой станок в
составе бурошнекового комплекса БШК2ДМ. Он предназначен для выемки
метаноносных пластов мощностью 0,6-0,9 м с углами падения по восстанию до
25° и по падению до 12°, сопротивляемостью резанию до 350 кН/м.
Комплекс обеспечивает выбуривание угля выемочными полосами шириной
1,9-2,03 м и длиной до 85 м без крепления выработанного пространства и
присутствия в нем рабочих.
Выбуривание угля осуществляется с помощью исполнительных органов на
основе шнековых буровых ставов, что обеспечивает транспортирование
разрушенного угля из скважины на штрековый конвейер. Основные жестко
соединенные узлы корпусной подсистемы с вращателем располагаются на штреке и
перед началом бурения устанавливаются в нужном положении с помощью опорноустановочного механизма.
Отбойные молотки
Отбойные молотки представляют собой ручные машины ударного
действия и предназначены для отбойки углей различной крепости, слабых
пород, дробления крупных кусков разных материалов и выполнения других
вспомогательных операций.
Отбойный молоток является, как правило, пневматической поршневой
машиной ударного действия с клапанным воздухораспределением. Рабочим
инструментом служит стальная закаленная пика с острием конической или
пирамидальной формы. Включение молотка производится нажатием рукой его
рукоятки. При работе молотка ударник совершает возвратно-поступательное
движение и в конце рабочего хода наносит удар по хвостовику пики, удерживаемой
в буксе ствола молотка концевой пружиной. Рабочий действует отбойным молотком
при отбойке горных пород как рычагом. Молоток выключается автоматически при
снятии усилия с рукоятки.
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
14
Все молотки выполняются практически по одной конструктивной схеме и
отличаются длиной ствола и ударника. Снижение вибрации в современных
отбойных молотках достигается уменьшением массы и диаметра ударника,
применением буферной камеры холостого хода, установкой амортизатора и др.
Технические характеристики отбойных молотков типа МО.
Параметры
ОМПМ01
М02
МОЗ
МОМ-02
003
Давление сжатого
0,3-0,5
воздуха, МПа
Энергия удара, Дж
29,5
37
42
22
40
Частота ударов, уд/с
25
22
18,5
33
17
3
Расход воздуха, м /с
0,019
8,7
Масса, кг
7,8
8,5
9,0
4,5
Перспективу имеют гидравлические отбойные молотки, потенциально
обладающие в 3-4 раза выше КПД, большей мощностью и экологической
безопасностью.
Производительность бурильных машин
Данный вопрос рассматривается на примере бурильных установок.
Техническая производительность бурильных установок показывает, сколько
может быть пробурено шпурометров за один час чистого машинного времени
работы в конкретных условиях эксплуатации:
60
Qтех =
tбур + tвсп
где tбyp - чистое время бурения шпура длиной 1 м, мин; tвсп - вспомогательное
технологическое время, необходимое для бурения шпура длиной 1 м, мин.
Чистое время бурения определяется по зависимости:
1
,
Qтеор =
60 ⋅ k o ⋅ n ⋅ Vп
где k o - коэффициент одновременности, при двух бурильных машинах k o =0,7;
n - число одновременно буримых шпуров; Vn - скорость бурения, м/с.
Вспомогательное технологическое время:
tвсп = tман + tох + tк ,
где t ман - время, затрачиваемое на манипуляции по установке и переустановке
бурильных машин, обычно равно 0,25-0,5 мин на 1 м шпура;
t ох - время обратного хода бурильной головки на 1 м шпура;
t к - время на замену коронок, мин; обычно по практическим данным
принимают равным 0,1 мин на бурение 1 м шпура.
Эксплуатационная производительность бурильных установок (в шпурометрах)
определяется за общее время работы (обычно в смену) с учетом времени на
подготовительные и заключительные операции и различного рода простои по
организационным и техническим причинам:
Лекции по "Оборудованию Горного производства" для ИМмм (16 лекционных часов).
15
Tсм (tпз + tпз' + O + tвп )
tбур + tвсп
где Тсм - продолжительность смены, мин;
t пз - время общих подготовительно-заключительных операций за смену,
принимаемое равным 2,5 % продолжительности смены, мин;
t пз' - время подготовительно-заключительных операций при бурении шпуров
(примерно 9,5 % продолжительности смены), мин;
О - время отдыха проходчиков, принимаемое равным 10 %
продолжительности смены, мин;
t вп - время на технологический перерыв на взрывные работы и проветривание
забоя (около 12 % продолжительности смены), мин.
Qэ =