Бурильные машины. Проходческие комбайны. Очистные и проходческие комплексы и агрегаты

РАЗДЕЛ 1. МАШИНЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН

1.1. Общие сведения о бурении горных пород

Отделение крепких горных пород от массива при проведении подготовительных выра­боток на рудных и угольных шахтах и при ведении очистных работ на рудных шахтах произ­водится с помошью буровзрывных работ. Разрушение массива горных пород в этом случае осуществляется энергией взрыва. Взрывные вещества размещают в специальных цилиндриче­ских полостях, искусственно образованных в горных породах.

Цилиндрическая полость в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м обыч­но называется шпуром. Шпур длиннее 5 м и любая цилиндрическая полость в горной породе диаметром более 75 мм называется скважиной. Сам процесс образования цилиндрических по­лостей в горной породе называется бурением, а машины, осуществляющие этот процесс, назы­ваются буровыми.

Шпуры и скважины используют не только для буровзрывных работ. Короткие шпуры могут применяться при установке анкерной крепи. Скважины могут использоваться для дегаза­ции, дренажа, вентиляции, прокладки силовых кабелей, трубопроводов, а скважины большего диаметра (более 500 мм) могут использоваться и как технологические выработки.

В подземных условиях наиболее широкое применение в горной промышленности полу­чил механический способ бурения шпуров и скважин, при котором разрушение горных пород производится буровым инструментом под действием механических усилий, а удаление буровой мелочи производится водой, сжатым воздухом либо воздушно-водяной смесью. При механиче­ском разрушении породы буровой инструмент создает на груди забоя местные напряжения, превышающие предел прочности породы, что вызывает ее разрушение.

В зависимости от характера силового воздействия бурового инструмента на горную по­роду и схемы его работы механическое бурение может осуществляться следующими способа­ми: вращательным, ударным, вращательно-ударным и ударно-вращательным.

Вращательное бурение производится буровым инструментом, имеющим форму резца, непрерывно вращающимся вокруг своей продольной оси и поступательно перемещающимся вдоль этой оси на забой. В результате сложения этих двух движений каждое перо резца дви­жется по винтовой линии. Для эффективного использования этого способа бурения необходимо, чтобы осевое усилие превышало предел прочности буримых пород на вдавлива­ние, а крутящий момент - сопротивление породы скалыванию и силы трения резца о породы, что, в свою очередь, определяет очень жесткие требования к прочности породоразрушающего инструмента.

Достоинства вращательного способа бурения: высокая производительность бурения, так как процесс разрушения породы непрерывен; невысокие удельные энергозатраты; относитель­но низкая запыленность рабочей зоны; отсутствие опасных вибраций машины при работе. К недостаткам данного способа бурения нужно отнести ограничения области применения по кре­пости и абразивности горных пород.

Шарошечное бурение дает воз­можность бурить более крепкие породы (f >8) вращательным способом. Однако шарошечные буровые станки пока не получили широкого распространения на подземных горных работах.

Ударное (ударно-поворотное) бурение производится клиновым буровым инструментом. Под действием ударного импульса лезвие буровой коронки внедряется в породу, образуя ради­альные канавки . Секторы породы между канавками разрушаются за счет скалы­вающих напряжений. Перед ударом буровой инструмент незначительным осевым усилием по­дачи прижимается к груди забоя, а поворот бурового инструмента на некоторый угол (15...20°) после каждого удара для разрушения всей площади забоя шпура или скважины осуществляется крутящим моментом. Кратковременная и значительная динамическая нагрузка на буровую коронку создает большие удельные нагрузки в месте контакта лезвия коронки с породой, что дает возможность бурить крепкие и абразивные породы. Существенным недостатком этого метода бурения является относительно низкая производительность из-за цикличности воздействия бурового инст­румента на разрушаемую породу.

Вращательно-ударный способ бурения является комбинированным, сочетающим реза­ние с одновременным приложением к буровому инструменту ударной нагрузки. При вращательно-ударном бурении непрерывно вращающаяся буровая коронка, лезвия которой имеют форму асимметричного клина, внедряется в породу под действием значительного осевого уси­лия и ударного импульса. Ударная нагрузка способствует более эффективному вне­дрению режущей кромки коронки в породу, а значительный постоянно действующий крутящий момент производит скалывание основного объема породы передней гранью буровой коронки. В бурильных головках вращательно-ударного действия мощность вращателя значительно пре­вышает мощность ударного механизма. Наиболее эффективно вращательно-ударный способ бурения может быть применен в породах с f = 6-12.

При ударно-вращательном способе бурения на коронку действуют аналогичные силы, что и в выше описанном, но соотношение их принципиально другое. При этом способе бурения внедрение лезвия в породу и разрушение ее основного объема происходит за счет ударного им­пульса; постоянный крутящий момент вращает буровую коронку и зачищает грудь забоя от гребешков породы, остающихся между соседними лунками выкола, а постоянное, относитель­но небольшое осевое усилие только прижимает буровой инструмент к забою.

Ударно-вращательное бурение применяют в крепких породах с f = 12-18, но в весьма крепких и аб