Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения

Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения’ предназначены для бурения скважин в породах средней крепости и крепких.

Принцип бурения

Бурение этими машинами основано на комбинированном способе разрушения породы, объединяющем основные свойства ударного и вращательного бурения.

При этом буровой инструмент в породу внедряется в основном под действием удара, а лучшему скалыванию породы способствует значительный крутящий момент, непрерывно прикладываемый к буровому инструменту мощным вращателем.

Вследствие этого в этих режимах появляется возможность значительно уменьшить усилие подачи по сравнению с вращательным способом, что уменьшает истирание бурового инструмента.

Кроме того, увеличивается скорость бурения, по сравнению с ударным способом.

Устройство машин ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения

Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения состоят из независимо работающих ударного и вращательного механизмов, смонтированных соответственно в одном корпусе или в разных.

Основная отличительная особенность машин ударно-вращательного действия — наличие специально сконструированного погружного ударного механизма-пневмоударника, перемещаемого в скважине вместе с буровой коронкой и обеспечивающего ей внедрение в породу, в основном, за счет ударов, в то время как у машин вращательно-ударного бурения ударный механизм остается вместе с вращателем вне скважины и выполняет вспомогательную функцию по отношению к основному — вращательному механизму.

В большинстве ударно-вращательных и вращательно-ударных буровых машин ударные механизмы используют пневматическую энергию, а вращательные и подающие — пневматическую, электрическую или гидравлическую.

Основные преимущества ударно-вращательных буровых машин — сохранение энергии удара на буровой коронке независимо от глубины скважины и возможность приложения к буровому инструменту большого крутящего момента.

Пневмоударники

У машин ударно-вращательного бурения, которые обычно применяют для бурения глубоких эксплуатационных и разведочных скважин, ударным механизмом служит погружной пневмоударник, которому через штанги передаются крутящий момент и усилие подачи на забой.

Погружные пневмоударники по принципу работы аналогичны перфораторам, но выполняются без встроенного поворотного устройства, вращаются вместе со ставом штанг, вынесенным вращателем, и работают на воздушно-водяной смеси, что значительно упрощает их конструкцию.

Пневмоударник ПП 105-2,2

Пневмоударник ПП 105-2,2 (рис. 1.8) состоит:

• из цилиндра 2, в котором перемещается ударник 3 передней головки 5, в которую вставляется буровая коронка б, закрепленная шпонкой 4 и переходника 1.

Воздухораспределение в пневмоударниках осуществляется с помощью кольцевых клапанов, как и в пневматических перфораторах, и с помощью золотников по схеме «золотник на поршне».

Схема воздухораспределения «золотник на поршне» применена в пневмоударнике ПП105-2,2 (пневмоударник для подземных горных работ, диаметр скважины 105 мм, ударная мощность 2,2 кВт).

Водо-воздушная смесь, поступая в ударник через переходник 1 (рис. 1.8), направляется поочередно через радиальные каналы 7 и 8 в поршне-ударнике 3 в правую и левую части цилиндра 2 и заставляет поршень-ударник совершать возвратно-поступательные перемещения и наносить удары по хвостовику долота (буровой коронки) 6.

Весь отработанный воздух проходит к забою скважины, что позволяет эффективно очищать забой от буровой мелочи.

Пневмоударник М29Т и ПП105-2,4

В пневмоударниках М29Т и ПП105-2,4 с клапанными воздухораспределением воздух для очистки забоя скважины поступает из камеры обратного хода.

При снижении усилия подачи долото отходит вперед и открывает блокировочные окна. В этот момент работа ударного механизма прекращается и происходит интенсивная продувка скважины.

Пневмоударники с индексом «П» предназначены для открытых горных работ, с индексом «ПП» — для подземных.

Буровой инструмент пневмоударников

В качестве бурового инструмента пневмоударников применяются долота:

• однолезвийные,
• крестовые,
• с тремя боковыми лезвиями и центральным опережающим.

Элементами долота (рис. 1.9, а) являются:

• хвостовик 7,
• корпус 2,
• головная часть 3.

Головная часть армируется пластинками 4 твердого сплава ВК8В, ВК10КС, ВК11В и ВК15.

Наибольшее распространение для подземных работ получили долота К100В (рис. 1.9, б) с тремя боковыми лезвиями и центральным опережающим, для открытых работ — Х-образные долота К105К (рис. 1.9, в) с отстающей центральной частью.

Для изготовления корпусов долот применяют стали 40ХН, 40ХН2МА. К буровому инструменту относятся также и штанги, на которые насажен пневмоударник, передающие крутящий момент от вращателя станка к долоту.

Штанги — пустотелые и изготовляются из сталей марок 35 ГС или 36Г2С.

Вращение пневмоударника и подача его на забой могут осуществляться вращателями и податчиками различного типа.

За рубежом погружные пневмоударники выпускаются в Бельгии, Великобритании, Канаде, США, Франции, ФРГ, Японии.

Особенности пневмоударников зарубежных фирм — применение повышенного давления сжатого воздуха и золотникового воздухораспределения по схеме «золотник на поршне».

Применение машин вращательно-ударного бурения

Машины вращательно-ударного бурения применяются в основном при проведении выработок большого сечения для бурения шпуров и скважин и по принципу действия аналогичны тяжелым колонковым перфораторам с независимым вращением бурового инструмента.

Необходимо отметить, что в последние годы в СССР и за рубежом наблюдается стремление использовать машины вращательно-ударного действия и для бурения эксплуатационных скважин.

Основная отличительная черта этих машин — большой крутящий момент, развиваемый так же как и у машин ударно-вращательного бурения специальным вращателем, не зависящим от ударного механизма.

Бурильная головка

Бурильная машина вращательно-ударного действия, состоящая из вращательного и ударного механизмов, скомпонованных в одном корпусе, называется бурильной головкой.

Рис.1.10. Бурильная головка БГА-1М

В шахтных самоходных бурильных установках типа УБШ в качестве бурильных головок широко используют колонковые перфораторы ПК-60А с независимым вращением бура, а также бурильную головку БГА-1М. Головка БГА-1М (рис. 1.10).

Состоит из шестеренного пневмодвигателя 1 с редуктором и ударного узла.

• Сжатый воздух от пульта управления через штуцер 17, трубку 2, полость 15, каналы задней буксы 4 и продольные каналы цилиндра 6 поступает в расточку 11 передней буксы 7, откуда через проточку на штоке ударника подается в камеру обратного хода 12.
• В камеру прямого хода 14 воздух проходит через каналы задней буксы и проточку 5 на хвостовике ударника. Торец хвостовика постоянно находится под давлением сжатого воздуха.
• Выхлоп отработанного воздуха производится через окно 13. При увеличении усилия подачи амортизатор 3 сжимается и выпускной клапан 16 при этом полностью открывается.
• Вращатель, осуществляющий независимое вращение бура, состоит из пневмодвигателя 1 и трех пар зубчатых колес, передающих крутящий момент с помощью шпинделя 8 хвостовику 10. Мощность шестеренного двигателя составляет 1,2 кВт, передаточное число редуктора 34,4.
• Вода на забой скважины подается через муфту боковой, промывки 9, хвостовик 10 и буровые штанги.

Конструктивная схема бурильной головки Б ГА-1М используется фирмой «Гарднер Денвер» (США) для своих перфораторов Р-1000 и Р-2000.

Буровой инструмент машин вращательно-ударного бурения

Буровой инструмент машин вращательно-ударного бурения аналогичен инструменту, описанному для перфораторного бурения, и состоит из буровых штанг диаметром 30—32 мм и буровых коронок.

В отличие от перфораторного бурения коронки, предназначенные для вращательно-ударного бурения, имеют несимметричную заточку.

При этом для бурения мягких и ниже средней крепости пород передний угол заточки лезвия принимается 10—15°, для крепких пород — 20—25°. Угол заточки задней грани составляет 45—60°.

Для армирования коронок используют пластинки металлокерамического твердого сплава ВК8В, ВК10КС и ВК11В.