Классификация бурильных машин и Способы бурения

Бурильные машины можно классифицировать следующим об­разом:

по назначению — для образования шпуров по углю и горным породам и для проведения скважин различного назначения. Диа­метр шпура обычно составляет 30—75 мм и длина до 5 м. Скважины имеют более значительный диаметр и длину;

по роду потребляемой энергии — на электрические, пневмати­ческие, гидравлические и комбинированные;

по способу разрушения горной породы — механическим, физи­ческим и комбинированным способами разрушения. Наибольшее применение в современных горных машинах получил механиче­ский способ разрушения. При физическом способе на породу воздействуют газами, жидкостью, электрическим током, теплом и другими видами энергоносителя (к этому способу относят взрыв­ное, термическое, ультразвуковое, гидравлическое и электрогид­равлическое бурение). При комбинированном способе горную породу разрушают одновременно механическим и физическим спо­собами.

При бурении шпуров или скважин механическим способом горная порода разрушается под действием внешних сил, переда­ваемых от бурильной машины буровому инструменту, а от него — непосредственно на породу в забое. При этом порода разрушается инструментом, который перемещается под действием осевой на­грузки (ударной или статической) и крутящего момента.

В зависимости от точек приложения и величин этих нагрузок различают четыре способа бурения: ударно-поворотный, враща­тельный и занимающие между ними промежуточное положение ударно-вращательный и вращательно-ударный.

 

Ударно-поворотное бурение {рис. 2.1, а) характеризуется тем, что клиновидный инструмент внедряется в породу под действием значительной ударной нагрузки F_yi, направленной по оси ин­струмента. При этом осевое усилие F_oc и крутящий момент М_1!Р очень малы. После каждого удара инструмент отскакивает от забоя шпура из-за упругости породы и инструмента, и последний пово­рачивается механизмом поворота на некоторый небольшой угол р «= 10-1-20*. Вследствие этого каждый последующий удар нано­сится на новое место. Под действием ударной нагрузки порода под лезвием бура разрушается в виде борозд /—/, 2—2, 3 — 3 и т. д. с толщиной среза Л. Остающиеся между бороздами целики породы скалываются под действием горизонтальной боковой со­ставляющей F₆,

F_{6 =} AMg(⁹⁰-^).

где а — угол заострения бура, обычно а = 9СЦ-120⁰. Разрушен­ную породу удаляют из шпура или скважины промывкой, про­дувкой или пылеотсосом.

Основное преимущество ударно-поворотного способа буре­ния — возможность бурить породы любой крепости. К недостат­кам следует отнести периодичность воздействия инструмента на по­роду, значительное пылеобразование, шум и вибрацию при работе. Ударно-поворотное бурение шпуров осуществляется посредством пневматических перфораторов. Теория ударно-поворотного бурения представлена в учебниках [18, 26] и здесь не рассматривается.

Вращательное бурение (рис. 2.1, б) характеризуется тем, что инструмент под действием значительного осевого усилия подачи и крутящего момента М_кр, двигаясь поступательно на забой, от­деляет по винтовой линии срез толщиной п. Ударные нагрузки от­сутствуют. При вращательном бурении различают бурение сплош­ным забоем и кольцевым. В последнем случае в центре забоя сква­жины остается колонка (керн) неразрушенной породы.

Область рационального применения вращательного бурения — малоабразивные породы с коэффициентом крепости до / < 8 (здесь и далее по шкале проф. М. М. Протодьяконова). При более креп­ких породах инструмент, даже армированный твердым сплавом, быстро изнашивается. Применение инструмента с алмазами, за­крепленными на режущих кромках, несколько расширяет эту область. Преимуществами вращательного бурения являются: не­прерывность процесса разрушения горной породы, что обеспечи­вает высокую производительность; отсутствие ударных нагрузок и вибрации машины при работе; разрушение породы крупным срезом, что уменьшает пылеобразование и удельный расход энер­гии. Вращательное бурение получило широкое применение и осу­ществляется горными сверлами и бурильными машинами различ­ного назначения.

Ударно-вращательное бурение (рис. 2.1, в) можно рассматри­вать как ударное бурение с непрерывным вращением инструмента.

 

Вращение инструмента и удар осуществляются независимо друг от друга. Порода разрушается под действием большой ударной нагрузки F_yJl, осевого усилия F_oc и крутящегося момента Л4_кр. Для ударно-вращателиного бурения используются буровые аг­регаты, применяемые для бурения скважин диаметром 80—150 мм и глубиной до 70 м в горных породах крепостью / = 8^-20 (на­пример, агрегат НКР-ЮОВ). В агрегате имеется пневмоударник, расположенный на конце бурового става, который подается в сква­жину и приводится во. вращение при помощи станка, расположен­ного в горной выработке.

Вращательно-ударное бурение (рис. 2.1, г) характеризуется тем, что порода разрушается под действием значительных, по величине осевого усилия F_oc, крутящего момента M_hV и дополнительной ударней нагрузки F_yl, наносимой в процессе бурения механизмом-ударником по хвостовику бурового инструмента. Ударная на­грузка увеличивает глубину внедрения инструмента в породу, что расширяет область применения вращательно-ударного буре­ния при работе на неабразивных породах с коэффициентом крепо­сти /= 6-f-14. Для вращательно-ударного бурения применяются длинноходовые бурильные машины, смонтированные на тележках (см. гл. 5).

Глава 3