Механизация и автоматизация ударного бурения

Увеличение мощности буровых машин, их массы, возрастание шума и вибрации требует механизации и автоматизации всех операций при бурении. Рекомендации по механизации и автоматизации даны в табл. 1.10.

Таблица 1.10.

Максимальный КПД при бурении достигается при условии, что система «буровая машина — бур — забой скважины» занимает определенное, взаимообусловленное положение в пространстве. Бур всегда должен лезвиями касаться забоя скважины, находясь в состоянии покоя или движения вперед. Поршень перфоратора при ходе вперед должен производить удар по хвостовику бура при достижении наибольшей скорости. Последнее требует определенного положения корпуса перфоратора в момент удара, торец поворотной буксы должен соприкасаться с буртом бура. При ходе поршня назад и повороте бура последний не прижимается к забою скважины. Трение лезвий буровой коронки по породе на забое должно быть исключено.

Перечисленные требования можно удовлетворить только при строго фиксированных перемещениях (подаче) перфоратора. Усилие подачи, развиваемое автоподатчиком, прямо пропорционально сумме сил, действующих на корпус перфоратора при ходе поршня вперёд и назад, минус масса корпуса и обратно пропорционально коэффициенту, учитывающему крепость и упругость буримых пород. Полученное значение усилия подачи увеличивается (при направлении оси скважины выше горизонтали) или уменьшается (при направлении оси бурения ниже горизонтали) на величину произведения массы корпуса перфоратора на синус угла, под которым производится бурение. Следовательно, усилие подачи является величиной переменной, изменяющейся соответственно изменению условий работы перфоратора.

Требованиям, приведенным выше, соответствуют дифференциально-винтовые автоподатчики, получающие вращение на гайку подачи от поворотного механизма перфоратора. При такой кинематической схеме достигается полная синхронность работы всех механизмов: ударного, вращательного и подающего. Из пневматических и гидравлических автоподатчиков наиболее соответствуют условиям работы ударной буровой машины конструкции с противодавлением, создающие некоторую фиксацию корпуса перфоратора во время его работы. Возможно создание моторного автоматического подающего механизма с дифференциальновинтовой подачей. Регулировка усилия подачи возможна в узле крепления гайки в проушине корпуса перфоратора не жестко, а с помощью пружинной фрикционной муфты, рассчитанной на передачу оптимального крутящего момента, соответствующего мощности машины.

Длина подачи автоподатчика должна быть максимальной, соответствующей длине штанги, чем обеспечивается минимум перекреплений её при наращивании.

Механизация перестановки буровой машины относительно плоскости забоя горной выработки наиболее эффективно выполняется манипуляторами. Манипулятор выполняет расфиксацию буровой машины после окончания бурения скважины или шпура, перемещение в пространстве на новое место бурения и жеегкую фиксацию в заданном положении. Высокопроизводительная работа буровой машины в значительной мере зависит от степени постоянства в пространстве точки крепления автоподатчика и сохранения постоянного направления оси скважины или шпура при бурении. Указанное требование наиболее качественно выполняют манипуляторы.

Разработаны и выпускаются десятки разнообразных по конструкции и размерам манипуляторы, применяемые в самых различных отраслях промышленности.

Несмотря на многообразие конструктивных решений отдельных узлов манипуляторов, по принципу действия и типу механизма, создающего движение его рабочих элементов, манипуляторы можно разделить на шесть классов:

• 1) винтовые манипуляторы;
• 2) цилиндро-поршневые;
• 3) реечные;
• 4) канатные;
• 5) электросоленоидные;
• 6) комбинированные манипуляторы.

Высокую эффективность показали цилиндро-поршневые гидравлические и механические винтовые манипуляторы. Они обеспечивают высокую гибкость при маневрировании и во время перестановки, обеспечивая достаточную жесткость при установке машины в рабочее положение.

На рис. 1.24 показана схема манипулятора с винтовыми моторными узлами, механизирующими основные операции при бурении перфораторами.

Манипуляторы могут быть смонтированы на любом ходовом механизме — буровой тележке, электровозе, погрузочной машине и т. п.

Рис. 1.24. Винтовой манипулятор с механизацией основных операций при бурении: 1 — перфоратор; 2 — автоподатчик; 3 — механизм перемещения автоподатчика вперед или назад; 4 — механизм поворота автоподатчика в горизонтальной плоскости; 5 — механизм поворота автоподатчика в вертикальной плоскости; б — винтовой механизм поворота стрелы манипулятора в горизонтальной плоскости; 7 — стрела; 8 — кронштейн;

• 9 — винтовой механизм подъёма и опускания стрелы манипулятора в вертикальной плоскости; 10 — стойка; 11 — механизм поворота стойки вокруг оси;
• 12 — корпус установочного оборудования

При разработке новых конструкций буровых машин и оборудования для механизации и автоматизации буровых работ одним из требований является увязка создаваемого объекта с условиями его работы.

Механизация и автоматизация горных работ рационально решается при разработке комплекса машин и оборудования, механизирующих и автоматизирующих все операции, имеющие место при ведении определенного вида горных работ. Комплекс машин должен обеспечивать параллельное или хотя бы параллельно-последовательное выполнение всех операции.

Одной из тяжёлых, занимающих много времени и еще недостаточно механизированных операций при бурении является смена затупившегося бурового инструмента. Решение этой задачи возможно при одновременном усовершенствовании узла соединения буровой коронки со штангой и штанг между собой, а также создании механизма, выполняющего операцию замены затупившейся коронки новой. Рационально такой механизм располагать около устья скважины.

Условием долговечности и надежности машины является качественная смазка всех трущихся пар в конструкции. Автоматическую смазку пневматических машин нетрудно осуществить, используя давление сжатого воздуха. Наличие каналов, подводящих смазку ко всем местам трения при оптимальном её количестве, — обязательное условие нормальной работы машины. Полное удаление разрушенной при бурении породы сразу же после отделения её от забоя и выноса из скважины — одно из условий высокой производительности и увеличения срока службы бурового инструмента и буровой машины. Для очистки скважины или шпура от разрушенной породы часто применяют техническую воду, иногда со специальными добавками, повышающими степень пылесмачивания. Реже применяют очистку скважины или шпура с помощью сжатого воздуха или воздушно-водяной эмульсии. Известны способы удаления разбуренной породы с помощью мыльной пены, отсасывания и др. Подача промывочной жидкости в скважину производится с помощью различных конструкций осевых и радиальных подающих устройств.

Осевое водоподающее устройство находит применение во многих конструкциях пневматических перфораторов и представляет собой трубку-иглу, проходящую сквозь перфоратор и входящую своим концом в канал хвостовика бура. Недостатком этой конструкции является возможность попадания промывочной жидкости внутрь перфоратора и смывание смазки, а также частые поломки конца трубки, входящего в бур.

Радиальные промывочные устройства (рис. 1.25) подают жидкость в канал бура по его радиусу и представляют собой муфты различных конструкций. Промывочная жидкость направляется в бур, минуя перфоратор.

Рис. 1.25. Съёмные промывочные муфты: а — стальная разъёмная промывочная муфта: б — резиновая промывочная муфта: в — стальная промывочная муфта.

Недостатком этих конструкций является необходимость уплотнения в местах сопряжения корпуса муфгы и бура, что является своеобразным тормозом трения, загружающим крутящий момент перфоратора. К тому же удары по буру, на который надета муфта, ведут к некоторым потерям энергии удара, а также к снижению долговечности и надежности самой муфты.

Улучшенная конструкция радиального промывочного устройства предложена Криворожским горнорудным институтом. У этого устройства уплотнения устроены на поворотной буксе в патроне перфоратора.

Для удаления разрушенной породы применяют иногда обратную промывку.