Машины ударного бурения: назначение, классификация перфораторов, бурильных молотков

Машины ударного бурения предназначены для бурения шпуров (диаметром 36—46 мм и глубиной до 5 м) и скважин (диаметром до 100-150 мм) в породах любой крепости с использованием для разрушения горной породы энергии удара.

К машинам ударного бурения относятся бурильные молотки, называемые также перфораторами (от латинского слова perforate — пробуривать).

Разновидности бурильных молотков

По виду потребляемой энергии различают бурильные молотки:

• пневматические,
• электрические,
• гидравлические (гидроударники).

Пневматические перфораторы

Наибольшее распространение получили пневматические перфораторы, которые по условиям применения подразделяют:

• на переносные (ПП), предназначенные для работы с пневмоподдержками (допускается ручное бурение нисходящих шпуров);
• колонковые (ПК), устанавливаемые на распорных колонках или буровых каретках;
• телескопные (ПТ), предназначенные для бурения восстающих шпуров (скважин) и снабженные подающим телескопным устройством.

Переносный перфоратор (рис. 1.4) состоит из трех основных сборочных единиц:

• головной части 3 цилиндра 8 с направляющей буксой 15 и ствола 9 с буродержателем 14, скрепленных стяжными болтами 79, в которых смонтированы ударно-поворотный механизм, воздухораспределительное устройство 4,
• воздушный кран 2 с рукояткой управления 21 и водяная трубка 12.
• Ударно-поворотный механизм служит для нанесения удара по буровому инструменту и его поворота. Он состоит из поршня-ударника 11 с поворотной гайкой 16, геликоидального винта 7 с храповым устройством 77, шлицевой 10 и поворотной 13 букс.

Принцип работы перфоратора

Принципиальная сущность работы перфоратора заключается в том, что сжатый воздух с помощью клапана 5 воздухораспределительного устройства 4 подается попеременно в правую и левую полости цилиндра, обеспечивая возвратно-поступательное движение поршню-ударнику.

При движении вперед (рабочем ходе) поршень-ударник наносит удар по хвостовику буровой штанги, вставляемой в поворотную буксу 13, а при холостом ходе поворачивается на некоторый угол (обычно 10—15°) вокруг геликоидального винта 7, поворачивая одновременно через шлицевую 10 и поворотную 13 буксы буровую штангу.

Сжатый воздух поступает в перфоратор из шахтной магистрали через патрубок 18.

Воздушный кран 2 имеет четыре положения:

• полная работа,
• забуривание,
• стоп,
• интенсивная продувка.

При бурении шпуров и скважин необходимо удалять буровую мелочь, препятствующую дальнейшему разрушению породы, и подавлять или улавливать пыль, образующуюся при работе бурового инструмента.

Буровая мелочь, образующаяся при бурении, удаляется продувкой, промывкой и отсасыванием ее из шпуров и скважин. В связи с этим перфораторы снабжаются водопромывочными и продувочными устройствами.

Вода, подаваемая в шпур, удаляет буровую мелочь, смачивает опасную мелкодисперсную пыль и охлаждает лезвие головки бура. Промывочная вода подается к перфоратору от водяной магистрали через кран 20, патрубок 22 и поступает в водяную трубку 72, конец которой входит в осевой канал буровой штанги.

В отечественных перфораторах используется главным образом центральная промывка с одновременной продувкой. Применяется блокировка пускового крана с промывочным устройством, благодаря которой одновременно с подачей сжатого воздуха для работы перфоратора автоматически должна подаваться промывочная жидкость к буровому инструменту.

В случае отсутствия должного напора жидкости пусковой кран прекращает подачу сжатого воздуха в перфоратор.

В тех случаях, когда подача воды на промывку шпуров невозможна или затруднена (при ведении работ в пустынных и безводных районах, на высокогорных рудниках) и в тех случаях, когда применение воды не целесообразно по технологическим причинам (в целях предотвращения выщелачивания руды, слеживания горной массы), применяется сухое пылеулавливание.

Этот способ основан на отсасывании из шпура запыленного воздуха и последующей его очистки. Перфораторы снабжены глушителями шума 6 и виброгасящим устройством, снижающими уровень шума и вибрации до действующих технических и санитарных норм без потери скорости бурения.

Масса глушителя не превышает 0,3 кг. Перфораторы комплектуются магистральными масленками МА8.

Видео: бурение шпуров перфораторами

Клапанные воздухораспределительные устройства с кольцевым и мотыльковым клапанами

В конструкциях современных перфораторов получили распространение клапанные воздухораспределительные устройства с кольцевым и мотыльковым клапанами.

Воздухораспределительное устройство с кольцевым клапаном

Воздухораспределительное устройство с кольцевым клапаном (рис. 1.5, а) состоит из втулки 1 клапана, клапанной коробки 2, клапана 3 и крышки 4 клапанной коробки.

При рабочем ходе поршня 8 (положение I) клапан 3 находится в крайнем левом положении; а сжатый воздух поступает к крышке 4 клапана через отверстия 9 и 10 в кольцевое пространство 11, после этого воздух через зазор между клапаном и крышкой 4 попадает в поршневую (левую) полость цилиндра.

Под влиянием воздуха поршень совершает рабочий ход.

Из штоковой (правой) полости цилиндра воздух сперва вытесняется в атмосферу через выхлопное отверстие 5 и глушитель шума 6.

Затем, когда по мере движения поршня 8 выхлопное отверстие 5 перекрывается, воздух, оставшийся в правой полости цилиндра, сжимается и поступает в кольцевое пространство 13 по продольным каналам 7 и радиальным отверстиям 12.

Воздух давит на клапан 3 и в конце рабочего хода поршня, когда левая полость цилиндра через отверстие 5 и глушитель шума 6 соединяется с атмосферой, клапан перебрасывается в правое положение.

При холостом ходе поршня (положение II) сжатый воздух через зазор между клапаном 3 и клапанной коробкой 2 поступает в кольцевое пространство 13, а затем через радиальные отверстия 12 и продольные каналы 7 — в штоковую (правую) полость цилиндра.

Под давлением сжатого воздуха поршень 8 совершает холостой (обратный) ход, перемещаясь влево. Воздух из левой полости цилиндра вытесняется в атмосферу через выхлопное отверстие 5 и глушитель шума 6.

После перекрытия выхлопного отверстия поршнем, оставшийся в левой полости воздух сжимается и давит на кольцевой клапан 3.

Когда поршень пройдет выхлопное отверстие и сжатый воздух из правой половины цилиндра выйдет в атмосферу, произойдет переброска клапана в левое положение и поршень начнет совершать вновь рабочий ход.

Воздухораспределительное устройство с мотыльковым клапаном

Воздухораспределительное устройство с мотыльковым клапаном (рис. 1.5, б) получило применение в колонковых перфораторах, где раньше использовалось золотниковое воздухораспределительное устройство, не обеспечивающее большой частоты ударов поршня.

При рабочем ходе (положение 7) сжатый воздух из кольцевого пространства 1 крышки 2 ударника через отверстие 9 гнезда 4 клапана 3 поступает в левую половину цилиндра и давит на поршень 5, который движется вперед (рабочий ход).

Из правой половины цилиндра воздух сначала вытесняется в атмосферу через выхлопное отверстие 5 и глушитель шума 6, а после перекрытия поршнем выхлопного отверстия сжимается и через каналы 7 и отверстие 10 давит на нижний конец клапана, стремясь его перебросить.

Клапан 3 выполнен в виде металлического кольца с конусностью по диаметру. Благодаря конусности он может плотно прижиматься к гнезду 4 верхней или нижней стороной. Переброска клапана произойдет после прохода поршнем выхлопного отверстия 5.

При холостом ходе (положение II) сжатый воздух из кольцевого пространства 1 поступает через отверстие 10 и каналы 7 в правую половину (штоковую полость) цилиндра, и осуществляет перемещение поршня 8 назад (влево).

Из левой половины цилиндра воздух сначала вытесняется в атмосферу через отверстие 5 и глушитель шума 6, а затем сжимается и через отверстие 9 давит на клапан 3.

В конце холостого хода, после открывания выхлопного отверстия 5 давление в правой части цилиндра упадет и произойдет переброска клапана.

(ПП) — Переносные перфораторы

Переносные перфораторы (ПП) применяются для бурения шпуров диаметром от 32 до 46 мм, глубиной от 2 до 5 м в породах с коэффициентом крепости от 12 до 20.

Обозначения перфораторов расшифровываются следующим образом:

• ПП — перфоратор переносной;
• 36, 50, 54, 63 — энергия удара, Дж;
• В — пылеподавление водой;
• 1 — первая модернизация;
• Б — боковая промывка;
• С — продувка;
• П — пылеотсос;
• СВП — продувка с увлажнением.

Перфоратор ПП63П работает в комплексе с пылеотсасывающей установкой ВНИИ-1М-64РД.

Перфораторы ПП54ВБ1 и ПП63ВБ имеют боковую промывку (вода для промывки шпура подается в бур с помощью специальной муфты, установленной в конце ствола молотка после поворотной буксы).

Перфораторы ПП36В, ПП50В1, ПП54В1 и ПП63В с пылеподавлением водой имеют устройство кратковременной интенсивной продувки, при включении которого ударно-поворотный механизм не работает.

Перфоратор ПП63С кроме интенсивной продувки имеет устройство усиленной регулируемой продувки, действующей в период работы.

Характеристики переносных перфораторов

Параметры	ПП36В	ПП54В	ПП54ВБ	ПП63В	ПП63ВБ	ПП63С
Энергия удара поршня- ударника, Дж	36,26	54,00		63,74
Частота ударов, с-1 (мин-1)	38,33 (2300)			30,00 (1800)
Крутящий момент, Н * м, не менее	20	28,43		26,93
Удельный расход воздуха, м3/(с * кВт),не более	0,029
Номинальное рабочее давление, МПа	0,5
Масса, кг, не более (с виброгасящим устройством и глушителем)	24,0	31,5	31,5	33,0	33,0	33,0
Длинна перфоратора, мм	705	775	850	880	900	750
Внутренний диаметр рукава, подводящего воздух, мм, не менее	25,0
Внутренний диаметр рукава, подводящего воду, мм, не менее	12,5

(ПТ) — Телескопные перфораторы

Телескопные перфораторы (ПТ) предназначаются для бурения восстающих шпуров и скважин (с отклонением от вертикали до 45 ) в породах любой крепости при ведении очистных и проходческих работ.

В телескопных перфораторах обычно используют основные узлы переносных перфораторов и отличаются от последних лишь наличием собственного по датчика и устройств, предотвращающих попадание в механизм бурового шлама.

Колонковые перфораторы (ПК) предназначены для бурения шпуров и скважин по породам средней крепости и крепким в наиболее тяжелых условиях при проведении горных выработок и на очистных работах.

В связи с этим они выполняются более мощными и тяжелыми, чем переносные, выпускаются в комплекте с податчиками и всегда устанавливаются на распорных колонках, буровых каретках или манипуляторах.

В колонковых перфораторах ПК60А и ПК75А осуществляется независимый от движения поршня поворот бура с помощью высоко-моментного гипоциклоидного пневмодвигателя, встроенного в корпус перфоратора.

Перфоратор ПК75А (рис. 1.6) состоит из двух основных частей: ударной части и вращателя, соединенных стяжными болтами.

Ударная часть включает в себя:

• цилиндр 4,
• поршень 7,
• клапан мотылькового типа 2,
• гнездо 3 клапана,
• крышку 20.

Принцип работы ПК75А

Поршень 7 под действием сжатого воздуха, поступающего попеременно в камеры прямого 19 и обратного 17 хода, совершает возвратно-поступательные движения.

В конце рабочего хода поршень наносит удар по хвостовику 14, в который при работе перфоратора ввинчена буровая штанга. Удаление отработанного воздуха попеременно из камер 17 при рабочем ходе поршня и 19 при холостом ходе поршня осуществляется через выхлопное отверстие 5 и глушитель шума 6. Сжатый воздух в ударную часть подается через штуцер 7.

Вращатель предназначен для независимого вращения хвостовика 14 вместе с буровой штангой и совмещает в себе высокомоментный пневмо двигатель и планетарный редуктор.

Он состоит из ротора 9 с запрессованным золотником 77, статора 75, передней 72 и задней 8 крышек и шпинделя 13.

Статор 15 представляет собой шестерню с внутренними зубьями в виде свободно вращающихся в пазах статора роликов 10. Ротор 9 свободно помещен в статоре 75, зубья которого являются опорой для ротора.

Ротор выполнен в виде шестерни с наружными круговыми зубьями, число которых на один меньше числа зубьев статора. Поэтому за одно обкатывание ротора вокруг оси статора ротор повернется вокруг своей оси только на шаг зубьев статора.

Планетарное движение ротора преобразуется во вращательное движение шпинделя 13, частота которого регулируется дросселированием сжатого воздуха, подаваемого к вращателю.

Сжатый воздух для работы вращателя по каналам в задней крышке 8 попадает в кольцевую полость 16, откуда поступает в распределительное устройство, представляющее собой золотник 11 с винтовыми каналами.

Вращатель является реверсивным, что облегчает развинчивание бурового става.

Перфоратор имеет центральную промывку. Промывочная жидкость попадается через штуцер 21 в водяную трубку 18, затем в хвостовик и через полую буровую штангу на забой.

Перфоратором управляют с дистанционного пульта буровой каретки или бурильной установки. Отечественные перфораторы унифицированы с перфораторами, выпускаемыми странами — членами СЭВ: ВНР, ПНР, СРР, ЧССР.

Гидравлические перфораторы

В последние 8—10 лет значительные усилия в разных странах направлены на создание гидравлических перфораторов, которые при одинаковых размерах и массе с пневматическими, позволяют передавать буровому инструменту в 2—3 раза большую мощность и повысить производительность бурения в 1,5 — 2 раза.

Ударные механизмы гидроперфораторов работают обычно при давлении рабочей жидкости 14 — 16 МПа, механизмы вращения — при давлении 5 — 10 МПа, податчики — при давлении 4 — 8 МПа.

Расход рабочей жидкости составляет: ударными механизмами 60 — 100 л/мин, механизмами вращения 20 — 60 л/мин, по датчиками 5 — 20 л/мин.

В Советском Союзе Кузнецким машиностроительным заводом и Карагандинским политехническим институтом были разработаны гидравлические перфораторы ГП-1, ГП-2 и ГП-3 для бурения шпуров и скважин.

Они имеют энергию удара от 98 до 245 Дж, выходную мощность от 8,8 до 11 кВт и крутящий момент на шпинделе 294 Н • м.

За рубежом фирмы:

• «Ингерсол Рэнд», «Чикаго-Пневматик», «Кливленд», «Гарднер Денвер», «Бюсайрус» и др. (США);
• «Атлас Копко», «Линден Алимак» (Швеция) ;
• «Холмен», «Консолитейдет Пнев-матик» (Великобритания);
• «Секома», «Монтабер» (Франция);
• «Зальц-гиттер», «Хаузхер» (ФРГ);
• «Тамрок» (Финляндия);
• «Фурукава» (Япония) выпускают более 300 типов пневматических и более 70 типов гидравлических перфораторов.

Установочные механизмы и податчики перфораторов

Для облегчения труда бурильщика и увеличения производительности бурильной машины применяют различные установочные механизмы и приспособления, из которых наибольшее распространение получили пневмоподдержки, распорные колонки и манипуляторы.

Пневмоподдержки

Пневмоподдержки применяют при бурении горизонтальных и наклонных шпуров ручными перфораторами и обеспечивают не только поддержание перфоратора в требуемом положении, но и подачу его на забой.

По конструктивным признакам различают пневмоподдержки с подвижными штоком и цилиндром, а также реверсивные и нереверсивные. Для увеличения хода подачи пневмоподдержки выполняют одно- и двухступенчатыми.

Перфораторы переносные предназначены для работы с пневмоподдержками П 8 или П 12.

Податчики

При бурении шпуров и скважин тяжелыми перфораторами появляется необходимость в применении автоподатчиков, перемещающих на забой перфоратор в процессе бурения.

Перфораторы с податчиками могут аналогично колонковым сверлам монтироваться на распорных винтовых колонках, а также на манипуляторах бурильных установок и буровых станков.

Буровой инструмент перфораторов

Рабочим инструментом перфораторов служат буры, которые бывают цельными и составными. Широкое распространение для глубокого бурения получили составные буры, представляющие набор буровых штанг, соединенных между собой муфтами, буровую коронку и хвостовик.

В зависимости от мощности перфоратора и глубины бурения буры изготовляют из шестигранной стали с диаметром вписанной окружности 19, 22, 25, 28, 32, 35 мм и круглой стали диаметром 32, 38, 44 и 55 мм. Буровую сталь получают методом горячей прокатки.

В настоящее время в России начала применяться сталь 28ХГНЗМ, которая имеет лучшую усталостную характеристику, чем сталь 55С2.

Диаметр внутреннего канала буровых штанг изменяется в зависимости от диаметра вписанной окружности шестигранной стали или от диаметра круглой стали от 6 до 17,4 мм.

Для повышения прочности и износостойкости буровых штанг их цементируют и нитро цементируют с последующей закалкой и отпуском. Внутренний канал для защиты от коррозии фосфатируют.

Буровые коронки

Буровая коронка (рис. 1.7, а) состоит из корпуса 7, изготовленного из сталей марок 35ХГСА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, и лезвия 2, затачиваемого с углом заострения 90 — 120. При этом большие значения угла заострения принимают для более крепких пород.

Лезвия коронок армируют пластинками (П) или штырями (Ш) из твердого сплава.

По числу и расположению лезвий буровые коронки могут быть долотчатыми (рис. 1.7, а, б), крестовыми (рис. 1.7, в, г, д) и с тремя боковыми лезвиями и центральным опережающим (рис. 1.7, е).

(КД) — Долотчатые коронки

Долотчатые коронки (КД) для перфораторного бурения изготовляют обычно диаметром D = 32-65 мм. Они могут иметь боковые отверстия для промывки шпура (рис. 1.7, а) или центральное отверстие (рис. 1.7, б), расположенное по продольной оси коронки.

Долотчатые коронки армируют обычно твердосплавными призматическими пластинками с клиновой породоразрушающей поверхностью, и имеют обозначение КДП.

Целесообразная область их применения — монолитные породы малой и средней абразивности и любой крепости.

(КК) — Крестовые коронки

Крестовые коронки (КК), у которых угол между лезвиями составляет 90 , могут иметь диаметр до 85 мм и обычно выполняются с центральным отверстием для промывки.

Крестовые коронки ККП и ККШ, армированные соответственно твердосплавными пластинками (рис. 1.7, в, г) и штырями с клиновидной породоразрушающей поверхностью (рис. 1.7, д) используются для бурения абразивных пород средней и высокой крепости.

Трехпёрые коронки

Для бурения крепких пород средней и высокой абразивности используют трехпёрые коронки с твердосплавными пластинками (КТП) и штырями (КТШ), угол между лезвиями которых составляет 120 .

Коронки с тремя боковыми лезвиями и центральным опережающим применяют для бурения скважин тяжелыми колонковыми и телескопными перфораторами.

Лезвие 3 (рис. 1.7, е) создает опережающий вруб, облегчающий работу боковых лезвий, и достаточно точно центрирует коронку.

Наиболее широкое распространение в горной промышленности страны получили долотчатые (55 — 60%), крестовые (15 — 20%) и трехперые (15 — 20%) коронки для перфораторов.

Существуют конусное и резьбовое соединения коронок со штангами. Конусное соединение применяют при бурении перфораторами с энергией удара до 120 Дж, т.е. для переносных и телескопных.

В отечественных коронках (рис. 1.7, а, в, г, д) угол конусности составляет 3°50 . Резьбовое соединение (рис. 1.7, е) применяют для мощных колонковых перфораторов.

Буровые коронки, армированные твердым сплавом, впервые в мировой практике были испытаны в СССР в 1931 г. и уже в 1934 г. стали широко применяться на рудниках.

Для армирования коронок используют металлокерамические твердые сплавы вольфрамокобальтовой (ВК) группы марок: ВК15 и ВК11В — для крепких пород (f > 12); ВК8; ВК8В, ВК10КС — для пород средней крепости; для пород более мягких (f < 10) — ВК6 и ВК6В. Цифра в марке твердого сплава указывает на процентное содержание кобальта — связующего вещества для тонкоизмельченных карбидов вольфрама.

Химический состав различных марок твердых сплавов группы ВК приведен в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Как видно из табл. 1.5, с увеличением процентного содержания карбидов вольфрама и уменьшением содержания кобальта повышается твердость сплава, а следовательно, и его способность сопротивляться абразивному изнашиванию.

В то же время предел прочности при изгибе снижается. При бурении крепких пород основная причина потери работоспособности коронки — выколы под действием ударной нагрузки клиновой’ породоразрушающей поверхности твердосплавных пластинок и штырей.

Поэтому для крепких пород прочность сплава имеет превалирующее значение и коронки армируются твердым сплавом с повышенным содержанием кобальта.

Правила безопасности при работе с перфораторами

К работе на перфораторах допускаются лица, прошедшие обучение и имеющие документ на право работы и управление перфоратором. Забуривание и бурение должны обязательно производиться с промывкой водой.

Необходимо постоянно следить за состоянием воздушных рукавов и надежностью их присоединения к перфоратору. При использовании переносных перфораторов нельзя работать без виброгасящего устройства или при его неисправности.

Запрещается бурение перфоратором без глушителя шума. Для снижения вредного воздействия шума необходимо обязательно пользоваться индивидуальными средствами защиты от шума.

Соблюдение правил безопасности ведения работ телескопными перфораторами усложняется расположением буровых штанг над бурильщиком и непрерывно стекающей по ним воде с буровым шламом.

Бурильщик должен принимать особые меры предосторожности при наращивании или сокращении длины бурового инструмента. Для этого целесообразно применять специальные поддержки; быть особенно осторожным при забуривании шпура или скважины, когда буровой инструмент еще не получил направления и перфоратор вместе с ним может вывернуть из рук бурильщика.

При работе с телескопными перфораторами особенно эффективны шламоулавливатели, предохраняющие бурильщика от обливания водой и шламом.

Колонковые перфораторы могут работать на распорных колонках. Поэтому при их эксплуатации необходимо особое внимание уделять установке и креплению бурильной машины в выработке, оснащению распорных колонок специальными подъемными лебедками и исправности всего оборудования, обеспечивающего надежность установки и работы тяжелых перфораторов.

Запрещается производить ремонт перфораторов во время их работы и заливать масло в фильтр-автомасленку, находящуюся под давлением сжатого воздуха.

Перед началом работы необходимо внимательно осматривать забой. Нельзя приступать к бурению, не устранив заколы и обнаружив невзорвавшиеся заряды.