Курс Технология и оборудование горного производства Лекция 8 БУРОВЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Бурение процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы путем разрушения горных пород в торцевом забое. Шпур - искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Скважина - искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром более 75 мм и глубиной более 5 м.
Классификация буровых машин По способу разрушения горной породы буровые машины подразделяются на осуществляющие: - механические способы разрушения (машины ударно- вращательного и вращательного бурения шарошечными и резцовыми долотами); - физические способы разрушения (машины термического, взрывного, гидравлического, электрогидравлического и ультразвукового бурения, воздействующие на горную породу через жидкую и газообразную среду); - комбинированные способы разрушения (машины, сочетающие механические и физические способы разрушения)
Классификация буровых машин Механический способ бурения скважин осуществляется за счет непосредственного воздействия рабочего инструмента на породу, при котором в последней возникают высокие напряжения, превышающие предел прочности минеральных образований и приводящие к разрушению породы в области контакта с инструментом.
Классификация буровых машин По форме и характеру воздействия механического бурового инструмента на породу различают бурение: ударное, вращательное резанием, вращательное шарошечноее, ударно-вращательное, вращательно-ударное, комбинированное инструментом (режуще-шарошечным, шарошечное-ударным и др.).
Классификация буровых машин Физические или физико-химические способы бурения разрушают породу через жидкую или газообразную среду термическим, взрывным, гидравлическим, электрогидравлическим, ультразвуковым, плазменным, лазерным и другими способами воздействия.
Классификация буровых машин Несмотря на создание и внедрение новых физических и комбинированных способов бурения, механическое разрушение горных пород при бурении, в первую очередь станками шарошечноего бурения, остается определяющим.
Принципиальные схемы механических способов бурения а – ударное; б – ударно-поворотное; в – вращательное (сплошное и колонковое); г – ударно-вращательное; д – вращательно-ударное; е – шарошечноее бурение 1 канат; 2 долото; 3 ударно-поворотный механизм; 4 штанга; 5 вращатель; 6 ударный механизм; 7 шарошки; Р уд ударное воздействие; Р ос осевое усилие; М вр крутящий момент; ω угловая скорость вращения долота
Области рационального применения механических способов бурения Ударное и ударно-поворотное бурение как самостоятельный способ в настоящее время на ОГР практически не применяется. Имеют ограниченное применение в геологоразведке. Вращательное бурение резанием применяют только по слабым углям и породам средней и ниже средней крепости. Производительно бурить скважины по крепким породам вращательным способом можно алмазными коронками. Колонковое вращательное бурение применяется на ОГР для бурения разведочных скважин.
Области рационального применения механических способов бурения Ударно-вращательный способ бурения погружным ударником применяется по крепким, очень крепким и абразивным породам. Вращательно-ударное бурение применяется для бурения наклонных и горизонтальных скважин в крепких породах. Шарошечный способ бурения применяется по крепким, очень крепким и абразивным породам.
Инструмент для буровых машин Области применения различных типов инструмента в зависимости от коэффициента крепости породы и диаметра долота: I перфораторов; II – погружных пневмоударников со штыревыми коронками: III шарошечных долот или погружных пневмоударников; IV режущих коронок или шарошечных долот; V режущих коронок
Инструмент для станков ударно-вращательного (пневмоударного) бурения Комплект бурового инструмента для ударно- вращательного бурения состоит из буровых штанг, переходника, погружного пневмоударника и долота.
Инструмент для станков ударно-вращательного (пневмоударного) бурения Буровые долота классифицируют: по форме головок на лезвийные и штыревые; по числу разрушающих твердосплавных лезвий (штырей) на долотчатые, трех- и четырех первые, Х-образные; по расположению разрушающих лезвий на одно-, двухступенчатые (с опережающим лезвием) и многоступенчатые; по способу удаления буровой мелочи из забоя скважин с центральной, внецентренной и внешней продувкой.
Инструмент для станков ударно-вращательного (пневмоударного) бурения 1 – головка; 2 – хвостовик а К100В и БК-155; б К105КА и К-130К; в КНШ-110 вб Буровые коронки
Инструмент для станков ударно-вращательного (пневмоударного) бурения 1 – букса; 2 – шарики фиксации долота; 3 – долото; 4 – цилиндр; 5 – поршень–ударник; 6 –трубка распределительная; 7 – седло; 8 – гайка регулировочная; 9–переходник соединительный со штангой Погружной пневмоударник П–125 К
Инструмент для станков ударно-вращательного (пневмоударного) бурения Основные факторы, определяющие эффективность бурения скважин погружными пневмоударниками: величина энергии единичного удара поршня по буровому инструменту, частота ударов, геометрия разрушающего инструмента, физические свойства буримой породы.
Инструмент для станков вращательного бурения шарошечными долотами 1 шпиндель вращателя; 2 упругая муфта; 3 переходник-адаптер; 4 буровая штанга; 5 удлинитель штанги; 6 стабилизатор; 7 долото
Инструмент для станков вращательного бурения шарошечными долотами При вращательном бурении используют долота: двух- и трехшарошечные, режущие, штыревые и комбинированные. 1 шарошка; 2 лапа долота; 3 присоедини- тельный ниппель с резьбой; 4 периферийный (а) и центральный (б) продувочные каналы; 5 канал для подачи замкового рада шарикового подшипника с фиксатором; б роликовый подшипник опоры; 7 замковый шариковый подшипник; 8 роликовый подшипник опоры; 9 элементы порода разрушающего фрезерованного (а) и твердосплавного (б) вооружения шарошки; 10 корпус шарошки; 11 опорная пята шарошки; 12 воздушный канал к подшипникам шарошки; 13 воздухо-направляющий винт
Инструмент для станков вращательного бурения шарошечными долотами трехшарошечноее долото двухшарошечноее долото режущее долото штыревое долото
Режущие буровые долота Режущие долота с воздушной продувкой, в основном, предназначены для бурения многолетнемерзлых пород повышенной влажности с гравийно-галечными включениями и могут использоваться для бурения пород с обычным температурным режимом. а ЗРД215,9; б 1РД244,5; в 1РД269,9 1 хвостовик; 2 съемный корпус; 3 сменный зубок; 4 замковый палец; 5 корпус долота
Инструмент для станков вращательного бурения режущими долотами со шнековой очисткой скважин а РК4М; б 8РД160Ш; в 10РД160ШП; 1 хвостовик; 2 съемный корпус; 3 соединительный палец; 4, 5 укороченные резцы типа ШБМ2С; 6 литой корпус
Инструмент для станков вращательного бурения режущими долотами со шнековой очисткой скважин а сплошной; б полой коробчатой; в полой уступчатой; г ленточной; д с радиальными отверстиями в трубе; е секционной
Основные типы и области применения буровых станков Станки для бурения взрывных скважин на открытых горных работах в горнодобывающей промышленности подразделяются на три подгруппы: СБШ станки вращательного бурения шарошечными долотами с очисткой скважины воздухом (станки шарошечноего бурения) с номинальными диаметрами бурения (нормальный ряд) 160, 200, 250, 270, 320 и 400 мм при крепости пород f = 6…18; СБУ станки ударно-вращательного бурения погружными пневмоударниками с очисткой скважины воздухом (станки пневмо- ударного бурения) с номинальными диаметрами бурения 100, 125, 160 и 200 мм при f= 8…20 и выше, до предельно крепких; СБР станки вращательного бурения резцовыми коронками с очисткой скважины шнеком (станки шнекового бурения) с номинальными диаметрами бурения 160 и 200 мм при f
Типоразмеры станков определяются главным параметром диаметром буримых скважин 100, 125, 200, 250, 320 и 400 мм. Не исключается применения диаметров бурения 105, 115, 245, 270, 350 мм и пр. Основные параметры буровых станков
Рекомендуемые глубины бурения вертикальных скважин с наращиванием става: для станков СБШ 36 и 55 м, для станков СБР 24 и 32 м, для станков СБУ 32 и 52 м, без наращивания става: для станков СБШ с диаметром скважины 250 мм и более не менее 20 м; для станков СБУ-160 не менее 18 м. Основные параметры буровых станков
В условное обозначение станка входят: тип станка, диаметр бурения в миллиметрах глубина бурения в метрах Например СБШ (диаметр скважины 320 мм, глубина 32 м). Угол наклона скважины от вертикали устанавливается для всех станков 0°, 15° и 30°, однако может иметь шаг и через 5°. Основные параметры буровых станков
Станки ударно-канатного бурения предназначены для бурения вертикальных разведочных или дренажных скважин по породам любой крепости на глубину до 300 м. Станки ударно-канатного бурения 1 - буровой инструмент (массой кг и диаметром до 300 мм), 2 - грузовой канат, 3 - головной блок мачты станка, 4 - оттяжной блок, 5 – направляющий блок, 6 - барабан лебедки подъема, 7 - балансир, 8, 9 - кривошипно-шатунный механизм, 10 – шестерня, 11 - амортизатор
Станки СБУ предназначены для проходки вертикальных и наклонных скважин в трудновзрываемых породах с коэффициентом крепости f= Применяются при выполнении работ в сложных горно-геологических условиях на стесненных рабочих площадках открытых горных работ и строительных объектах. Станки ударно-вращательного бурения погружными пневмоударниками Станок ЗСБУ рабочий орган; 2 - кузов; 3 - ходовая часть; 4 - манипулятор; 5 - кассета
Станки ударно-вращательного бурения погружными пневмоударниками Диаметр скважины 85; 110; 125 мм Глубина до 32 мм Коэффициент крепости породы f=6..20 Установленная мощность 59 к Вт Мощность вращателя 4 к Вт Частота вращения става 0,65…1,33 мин -1 Масса 8500 кг Станок ЗСБУ
Станки вращательного бурения резцовыми долотами Станок СБР-160Б-32 1 вращатель; 2 мачта; 3 гидроцилиндры подъема и опускания мачты; 4 кабина; 5 ходовая часть; 6 кузов; 7 кабельный барабан; 8 рама станка; 9 кассета Станки СБР предназначены для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин по углю и породам с коэффициентом крепости f
Станки вращательного бурения резцовыми долотами Диаметр скважины 160 мм Глубина до 32 мм Коэффициент крепости породы f
Станки вращательного бурения шарошечными долотами Станок СБШ кабина машиниста; 2 передний домкрат выравнивания станка; 3 гидроцилиндры наклона мачты; 4 гусеничные тележки; 5 задний домкрат выравнивания станка; 6 задняя опора мачты; 7 кабельный барабан; 8 телескопический подкос мачты; 9 мачта Станки СБШ предназначены для бурения взрывных скважин на открытых горных разработках в сухих и обводненных, монолитных и трещиноватых породах с коэффициентом крепости f= 6…18.
Станки вращательного бурения шарошечными долотами Диаметр скважины 244,5; 269,9 мм Глубина до 32 мм Коэффициент крепости породы f=6…18 Угол бурения к вертикали 5; 15; 30 град Установленная мощность 300 к Вт Мощность вращателя 60 к Вт Усилие подачи 300 кН Частота вращения става 1,7;2,3;3,3 мин -1 Масса 77 тонн Станок СБШ
Теоретическая скорость бурения v, м/час где А – энергия единичного удара, Дж; Z – частота ударов за один оборот бурового инструмента; n – число перьев (режущих кромок) на долоте (n=2 для двухперьевого, n=4 для крестового); θ120 - угол скола разрушаемой породы; d – диаметр скважины, м; σ м.б. - предел прочности породы при механическом бурении, МПа; μ 1 - коэффициент трения бурового инструмента о породу; Кз = 1,2…1,3 – коэффициент, учитывающий затупление лезвия долота. Ударное бурение
Теоретическая скорость бурения v, м/час где К ск коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения за счет неполного скола породы между зубьями (К ск = 0,5…0,3 большая величина для более мягких пород); n вр – предельная частота вращения долота, с -1 ; h - глубина внедрения зуба шарошки, м. Вращательное бурение шарошечными долотами
Теоретическая скорость бурения v, м/час Вращательное бурение шарошечными долотами где f – коэффициент крепости породы; D – диаметр долота, м; Р ос – осевое усилие прижатия шарошки к забою, Н; μ 1 - коэффициент трения металла шарошки о породу (μ 1 = 0,25…1); Кз коэффициент затупления зуба (Кз = 1…1,3 большее значение для пород более высокой крепости и абразивности).
Теоретическая скорость бурения v, м/час Вращательное бурение резцовыми долотами где Z – число перьев на резцовом долоте; h – толщина стружки, м; n вр – предельная частота вращения долота, с -1.
Техническая скорость бурения VТ (м/ч) (эмпирические зависимости) где Р ос - осевая нагрузка, МН; n вр - частота вращения долота, с -1 ; D – диаметр долота, м; σ м.б. - предел прочности породы при механическом бурении, МПа. Вращательное бурение шарошечными долотами
Вращательное бурение резцовыми долотами Техническая скорость бурения VТ (м/ч) (эмпирические зависимости) где Р ос - осевая нагрузка, МН; n вр - частота вращения долота, с -1 ; D – диаметр долота, м; σ м.б. - предел прочности породы при механическом бурении, МПа.
где А – энергия единичного удара, Дж; Z – частота ударов пневмоударника, мин -1 ; d – диаметр долота, м; Р у – ударная нагрузка, кН; h - глубина внедрения зуба долота, м; К ф - коэффициент, учитывающий форму бурового долота (для штыревых К ф = 1,15; для крестовых 1,2; для трехперых долот 1,25). - предел прочности породы при механическом бурении, МПа. Ударно-вращательное бурение погружными пневмоударниками Техническая скорость бурения VТ (м/ч) (эмпирические зависимости)