Ударный буровой инструмент

При ударном перфораторном бурении рабочим инструментом являются буры, изготовляемые из шестигранной или круглой пустотелой, инструментальной углеродистой стали марок У7А и УЗА или из стали марки 55С2. При мелком бурении (до 2…5 м) применяются цельные буры, при более глубоком бурении — составные, собранные из отдельных штанг, соединяющихся на резьбе с помощью муфт. Рабочим элементом бура является головка или съёмная буровая коронка. Наиболее широкое распространение получили буровые коронки, армированные пластинками металлокерамического твёрдого сплава ВК-15 и ВК-11.

Наиболее часто применяют буровые коронки долотчатой, крестовой и ступенчатой форм, реже — коронки звёздчатой, кольцевой и других форм.

Качество бурового инструмента, а особенно его рабочей части — лезвия, которое выполняет работу разрушения породы, — является одним из основных факторов, влияющих на эффективность буровых работ. Увеличение износостойкости коронки в два раза ведёт к увеличению производительности труда при бурении не менее чем в полтора раза, при этом стоимость бурения снижается также в полтора раза.

Основными показателями ударного бурового инструмента при прочих равных условиях являются:

• 1. Механическая скорость бурения, измеряемая при одинаковых диаметрах коронок в мм/мин, а при разных диаметрах выбуренного объема шпура или скважины в мм³/мин.
• 2. Стойкость буровой коронки, измеряемая в шпурометрах или в м³ выбуренного объема породы на одну заточку коронки и на все заточки до полного износа коронки.
• 3. Величина суммы от стоимости коронки на принятую единицу стойкости коронки в руб/м или руб/м³.
• 4. Удельный расход энергии при бурении см³ разрушенной породы в Дж/м³.

Затраты энергии при разрушении горных пород пропорциональны суммарной площади поверхностей частиц, образовавшихся после разрушения, минус площадь поверхностей, которые были до разрушения. Следовательно, разрушение горных пород при бурении более крупными кусками ведёт к уменьшению удельных затрат энергии на единицу объема скважины, увеличивая скорость бурения, снижая запыленность атмосферы.

Создание конструкций буровых коронок, разрушающих породу крупными кусками, является главным мероприятием, повышающим механическую скорость бурения и улучшающим санитарно-гигиенические условия труда бурильщика, ведущим к значительному повышению технико-экономических показателей буровых работ.

Работоспособность буровых коронок, т. е. их производительность и стойкость, может быть повышена за счёт:

• • уменьшения общей длины лезвий при сохранении диаметра;
• • центрирования коронки при бурении;
• • расположения лезвий по отношению к поверхности забоя в соответствии с количеством работы, затрачиваемой при разрушении породы на различных его участках;
• • уменьшения диаметра коронки;
• • оптимальной величины угла приострения;
• • применения оптимальных режимов бурения;
• • полного удаления буровой мелочи сразу же после отделения её от забоя;
• • охлаждения лезвий и всего корпуса коронки;
• • повышения надежности и стойкости материала лезвий и корпуса коронки.

Зависимость скорости бурения от общей суммарной длины лезвий буровой коронки можно определить по формуле.

где и", — скорость бурения (мм/мин) при суммарной длине лезвий коронки Х"" мм; н" - скорость бурения (мм/мин) при суммарной длине лезвий коронки Х", мм; х — величина, характеризующая физико-механические свойства пород, в которых производится бурение (табл. 1.6).

Наиболее производительными буровыми коронками являются коронки долотчатой формы, имеющие по сравнению с крестовой и звёздчатой формами наименьшую суммарную длину лезвий. Величина отношения между скоростями бурения различными формами коронок в зависимости от физико-механических свойств горных пород меняется.

За счёт уменьшения суммарной длины лезвий буровой коронки можно получить увеличение скорости бурения на 20…30% без снижения её износостойкости.

Таблица 1.6.

При бурении коронками долотчатой формы шпур выбуривается не круглого, а трёхгранного сечения (рис. 1.16, а, б). Бурение происходит нс вокруг центра шпура, а по дугам, вокруг перемещающихся мгновенных центров вращения А, В, С. Такое явление объясняется отсутствием второй точки опоры у бура (как вала, опирающегося только одним концом на подшипник). У бура таким опорным концом является хвостовик, находящийся в гнезде поворотной буксы перфоратора. При вращении бура между гранью лезвия и стенкой шпура возникают силы трения, вследствие воздействия которых коронка поворачивается относительно центра А до тех пор, пока грань лезвия не упрется в стенку шпура в точке В, вокруг которой начнется дальнейший поворот коронки до встречи грани лезвия со стенкой шпура в точке С и т. д. В такой же последовательности работает и четырехлезвийная (крестовая) коронка. При бурении этой коронкой сечение шпура имеет пятигранную форму. Число граней у шпура всегда больше на единицу числа лезвий у коронки. Последнее объясняется тем, что при бурении коронкой долотчатой формы (двухлезвийной) величина угла поворота вокруг центров А, В, С может быть только 60°, а при бурении коронкой крестовой формы (четырехлезвийной) величина угла поворота вокруг центров А, В, С, D, Е может быть только 36°.

Углы поворота А, В, С являются вписанными в окружность, следовательно, длины дуг, на которые они опираются, равны удвоенной величине значений углов, т. е. при бурении двухлезвийной коронкой длина дуги будет равна 2−60° = 120°, а при бурении четырёхлезвийной коронкой 2−36° = 12°. Возможное число поворотов за один оборот у коронки долотчатой формы будет 360°: 120 = 3, а у коронки крестовой формы 360°: 72 = 5. Шпур будет иметь сечение трехгранное, пятигранное и т. д., число граней у него будет всегда равно числу лезвий коронки плюс единица.

Чем больше ширина лезвия коронки, тем больше скругляются углы поворота и тем ближе к форме круга сечение шпура. Круглый шпур получится, если угол поворота вокруг мгновенных центров вращения будет равен нулю и вращение коронки будет происходить вокруг ее геометрического центра. Этого можно достичь, если ширина лезвия коронки, взятая по окружности, будет не менее длины дуги, стягивающей стороны угла поворота коронки. Для коронок долотчатой формы, угол поворота которых равен 120°, ширина лезвия должна быть не менее V₃ лd_K; для коронок крестовой формы, имеющих угол поворота 72°, ширина лезвия должна быть не менее /₅ nd_K. На рис. 1.16, в приведены буровые коронки долотчатой и крестовой форм, при бурении которыми можно получить шпуры круглого сечения.

Круглую форму шпура можно также получить при наличии второй опоры у бура в виде центрирующего элемента (выступающего лезвия или же выреза в центре). Шпур в этом случае выбуривается круглого сечения, при этом скорость бурения увеличивается на К)… 15%.

Мощность, развиваемая пневматическим перфоратором, расходуется при ходе поршня вперед на работу удара, передаваемую на лезвие коронки и производящую разрушение породы, а при ходе поршня назад — на поворот бура. Уменьшение сопротивления вращению бура при его центрировании ведет к уменьшению затрат мощности на поворот бура, вследствие чего увеличивается доля мощности, расходуемой на разрушение породы, что в результате приводит к увеличению скорости бурения. При замере вибрографом частоты ударов поршня перфоратора при бурении без центрирования и с центрированием коронки было отмечено, что во втором случае частота ударов больше на 12%.

Рис. 1.16. Формы сечений шпуров при перфораторном бурении (а, б) и формы сечений буровых коронок (в), обеспечивающих круглое сечение шпура

Наиболее удачно центрирование бура при бурении идет за счёт создания на самой коронке центрирующего выступающего лезвия. Последнее, создавая как бы вторую опору для бура, центрирует коронку при бурении, выбуривая передовой шпур. Как показали исследования, наличие передового шпура определенных размеров облегчает работу разрушения породы за счёт создания дополнительных плоскостей обнажения на забое шпура.

На основании анализа данных эксплуатации коронок ступенчатой формы было определено оптимальное соотношение основных параметров ступенчатой буровой коронки, обеспечивающее наибольшую производительность при бурении.

При заданном наружном диаметре буровой коронки d_K (рис. 1.17) диаметр опережающего лезвия d_s можно определить по формуле.

где — суммарная длина лезвий опережающего элемента коронки; А* - суммарная длина всех лезвий коронки. В случае А* = d" А* = А,. + Х'_р + Х" _р + А'" ^.

Рис. 1.17. Буровая коронка ступенчатой формы

При таком отношении диаметров d_s и cl_k количество породы, разрушаемой опережающими и периферийными лезвиями, будет равномерно распределяться между ними. Последнее обеспечивает более равномерный и одновременный износ всех лезвий коронки, в результате увеличивает шпурообъём, пробуриваемый на каждую заточку коронки.

Чем больше длина выступающего лезвия, тем больше площадь обнажения забоя шпура. Однако на скорости бурения положительно сказывается увеличение длины выступающего лезвия до определенной величины. Объясняется это тем, что скалывание периферийной части забоя шпура при бурении большинства пород происходит под углами 40…55°. Рекомендуется принимать величину /г* = 0,5 d_k. Остальные параметры коронки ступенчатой формы принимаются в соответствии с условиями работы.

Скорость бурения горных пород в значительной степени зависит от величины диаметра скважины. При бурении работа разрушения расходуется по двум направлениям. Одна часть а расходуется на раздробление породы в объеме скважины, а вторая часть 6 расходуется на отрыв, отделение этого же объёма от массива.

Наибольшее количество работы расходуется в области отрыва породы у стенок скважины, где она находится в зажатом состоянии. Меньшее количество работы затрачивается на разрушение породы на участках у центра забоя.

При увеличении диаметра затраты работы на разрушение породы в объёме скважины растут пропорционально площади забоя, а затраты на отрыв этого объёма породы от массива растут пропорционально длине окружности скважины, т. е. затраты работы первого рода растут пропорционально ad', а второго рода — пропорционально bd. При постоянном количестве энергии, передаваемой на лезвие бурового инструмента, и прочих равных условиях увеличение диаметра скважины приводит к уменьшению скорости бурения пропорционально увеличению периметра скважины и её забоя.

На буровых работах одним из основных факторов, снижающих скорость бурения, является неравномерный износ (затупление) лезвий буровой коронки. Наиболее интенсивно изнашиваются концы лезвия, в то же время центральная часть его остаётся незатупившейся. В практике чаще всего бурение прекращают из-за изношенных концов лезвия, так как буровую коронку начинает клинить и её заменяют новой. Время, затрачиваемое на замену затупившихся коронок, составляет от 30 до 50% от общего времени смены.

Создание буровых коронок с равномерным износом всех участков лезвия позволит повысить сменную скорость бурения в полтора раза.

При разрушении (дроблении) хрупких материалов, в том числе горных пород, затраты энергии пропорциональны разрушаемому объему материала. При бурении затрачиваемая работа пропорциональна объёму выбуриваемого шпура, а также объёму, теряемому лезвием коронки вследствие затупления.

Рис. 1.18. Схема к анализу буровой коронки

При перфораторном бурении, кроме затрат на разрушение породы, имеются затраты на преодоление сил трения лезвия о забой при поворотах бура. Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения на участках лезвия, будет пропорциональна средней длине дуги, описываемой участком лезвия. Относительные затраты работы на преодоление сил трения будут пропорциональны радиусам вращения.

Общую суммарную работу, выполняемую на каждом участке лезвия, условно принимаем равной сумме работ, затрачиваемых на разрушение горной породы и преодоление сил трения.

Объём лезвия коронки, теряемого при бурении вследствие затупления, пропорционален количеству работы, выполненной лезвием. Поэтому затупление лезвия будет иметь форму, приведенную на рис. 1.18 (секторы АОВ и COD).

Буровую коронку равного износа можно создать, если лезвия коронки расположить в соответствии с распределением затрат работы при бурении на забое шпура или скважины.

Практикой ударного перфораторного бурения установлены углы а приострения лезвий буровых коронок, при которых наблюдаются наиболее высокие скорость бурения и стойкость:

• • при бурении мягких пород (f < 5) 80…90°
• • при бурении пород средней крепости (/'<10) 90… 100°
• • при бурении крепких пород (f < 15) 100…110°
• • при бурении весьма крепких пород (/ >15) 100…120° При бурении пород мягких и средней крепости и наличии лыски

на лезвии шириной 1…2 мм (площадки) вместо острия наблюдается некоторое увеличение объема на одну заточку.

Повышение их износостойкости — одна из основных задач горного производства.

Рис. 1.19. Коронки для бурения шпуров: а — твердосплавные коронки; б — коронка типа КПД; в — коронка типа БКПМ-36; г — коронка типа БКПМ-40; д — коронка БКПМ-36Ф; е — коронка БКПМ-40Ф; ж — коронка ККП; з — коронка КТШ; и — коронка К-52; к — коронка БКПМ-КМ; л — коронка БКР

Для бурения неглубоких шпуров диаметром 35…65 мм применяются долотчатые и крестовые коронки со сплошным и прерывистым лезвиями (рис. 1.19/.

Для глубокого бурения при диаметре шпуров больше 50 мм применяют коронки ступенчатой формы с опережающим лезвием, реже крестовой формы (рис. 1.19, ж).