Станки для бурения скважин: классификация, типы, принцип работы

Буровые станки предназначены для бурения глубоких скважин в породах различной крепости на подземных и открытых разработках полезных ископаемых.

Классификация станков для бурения

По назначению различают станки для бурения взрывных и разведочных скважин, а также специальных (дегазационных, опережающих и др.).

• По способу разрушения породы различают станки вращательного, ударно-вращательного и вращательно-ударного действия.
• Станки вращательного действия по типу применяемого бурового инструмента подразделяют на оборудованные резцовыми или алмазными коронками, а также шарошечными долотами.
• Станки ударно-вращательного бурения подразделяют по месту расположения ударников на погружные, расположенные в скважине, и выносные, установленные непосредственно на станке. Ударники могут работать на пневматической и гидравлической энергии.
• Станки для подземного бурения взрывных скважин в породах средней крепости и крепких подразделяют на станки ударного бурения (БУ), оснащенные бурильными головками ударно-вращательного и вращательно-ударного действия, станки ударного бурения с погружными пневмоударниками (БП) и шарошечные (БШ).
• Станки могут быть самоходными и несамоходными. Самоходные станки должны иметь возможность бурить круговой веер скважин в вертикальной плоскости.
• Для подземных горных работ в последнее время большинство заводов и зарубежных фирм выпускают станки на пневмошинном ходу, а для открытых горных работ на гусеничном ходу.

Для бурения кругового веера скважин диаметром 50 — 85 мм и глубиной до 30 м в породах средней крепости и крепких применяются самоходные станки ударно-вращательного действия, оснащенные колонковыми перфораторами или гидроударниками.

Станок ударно-вращательного действия ПБУ-80М (БУ-80СА)

Промышленностью в настоящее время выпускается станок ударно-вращательного действия ПБУ-80М (БУ-80СА).

Основными элементами станка ПБУ-80М (рис. 1,14) являются:

• пульт управления 5,
• дублирующий пульт 1,
• бурильная головка 6,
• податчик 4,
• пневмошинный ход 8,
• гидродомкраты горизонтирования 7,
• гидроцилиндр заваливания бурильной группы 2.

В процессе бурения станок выставляется и горизонтируется с помощью четырех гидродомкратов, а буровая группа распирается в стенки выработки с помощью цилиндра надвигания 3.

Станок СБ-Ш

Станок СБ-Ш сконструирован на базе ходовой части погрузочно-доставочной машины МПДН-1 и имеет канатно-поршневой податчик с двумя цилиндрами.

В станке СБУ-55F85 использовано шасси от бурильной установки УБШ-121 и установлены две бурильные головки.

Буровой станок СБУ-50Э

Буровой станок СБУ-50Э приводится в действие от электросети напряжением 380 В.

Бурильной головкой станка является гидроударник золотникового типа, наносящий удары частотой 42 с^-1. Частота вращения шпинделя — 2 с^-1.

Ходовая часть снабжена электродвигателем мощностью 48 кВт и системой гидронасосов.

Для замены станка СБУ-50Э готовится к выпуску станок 2СБУ-80 с гидравлической бурильной головкой ГБГ300-500.

Буровой станок НКР-100МА

На рудниках получили распространение станки ударного бурения с погружными пневмоударниками (БП) для бурения глубоких (до 50 м) скважин в породах средней крепости и крепких.

Наибольшее распространение получили станки типа НКР (НКР-100МА, НКР-100МПА) оборудованные вращательным и подающим механизмами и погружным пневмоударником.

Станки в конструктивном отношении выполняются обычно аналогично станкам вращательного бурения с пневматической подачей и при соответствующих режимах работы могут использоваться для бурения разведочных скважин резцовыми и алмазными коронками.

Основными элементами станка НКР-100МА (рис. 1.15) являются:

• подающий патрон 1, перемещающийся по направляющим,
• неподвижный патрон с редуктором и пневмозахватом 11,
• электродвигатель 9,
• пульт управления 2,
• подающий цилиндр 5,
• оградительный щиток б,
• салазки с роликом 10.
• В комплект станка входят буровые штанги 7,
• пневмоударник 8,
• распорная колонка 4,
• ручная грузоподъемная лебедка 3 и автоматическая масленка.

Принцип работы станка НКР-100МА

Редуктор 11 с пневмозахватом состоит из планетарного редуктора, одноступенчатой зубчатой передачи, зажимного устройства, шлицевого вала и концевых клапанов прямого и обратного хода.

Подающий патрон 1., представляющий собой одноступенчатый редуктор с пневматическим зажимным устройством, предназначен для подачи и вращения бурового инструмента во время бурения или при выдаче инструмента из скважины. Патрон перемещается по двум направляющим с помощью пневматических податчиков.

Подвижное шлицевое зацепление соединяет подающий патрон и редуктор с пневмозахватом, передающим крутящий момент от двигателя ставу штанг.

Пневмозахват удерживает и вращает став штанг, когда подающий патрон разъединяется со штангой для последующего ее захвата на новом месте.

Технические характеристики

Полуавтоматические буровые станки НКР-100МА и НКР-100МПА позволяют бурить скважины диаметром 85—105 мм на глубину до 50 м в любом направлении, осуществляя усилие подачи до 6 кН.

Масса станков составляет соответственно 425 и 420 кг.

Для привода вращателя в станке НКР-100МА применен электродвигатель 4А100, обеспечивающий частоту вращения бурового става, равную 1,3 с^-1, в станке НКР-100 МПА — пневматический двигатель ДАР14М.

Частота вращения бурового става станка НКР-100МПА составляет 2 с^-1. Расход воздуха равен 9 м3/мин, а станка с пневмодвигателем — 15 м3/мин.

При бурении станки устанавливают в камерах. Горизонтальные и слабонаклонные скважины бурят из камер высотой 2,2 м. При бурении вертикальных скважин высота камеры должна составлять 2,5 — 2,9 м.

При необходимости бурить глубокие восстающие скважины на станках устанавливают два дополнительных цилиндра подачи бурового става (модификации НКР-100МВА и НКР-100МПВА с четырьмя подающими цилиндрами). Салазки позволяют перемещать станки волоком по горным выработкам.

Буровой станок вращательного действия Б100F200Э

Для бурения дегазационных скважин, скважин для нагнетания воды в пласт и другого назначения на угольных шахтах применяется буровой станок вращательного действия Б100F200Э (рис. 1.16).

Станок бурит скважины диаметром 100 и 130 мм на глубину до 200 м в пологих и до 150 м в крутых угольных пластах, опасных и не опасных по внезапным выбросам угля и таза из подготовительных выработок в любом направлении.

Станок имеет дистанционное управление и автоматическое наращивание бурового става.

• Вращение от электродвигателям (см. рис. 1.16) мощностью 15 кВт через зубчатую муфту 11 передается шестерням 7 и 5, с которыми может входить в зацепление подвижный блок шестерен 6.
• Далее через шестерни 8 и 9 вращение передается перемещаемым на валу шестерням 10 и 4, которые поочередно могут вводиться в зацепление с блоком шестерен 2, передающим вращение на шестерню 3.
• Шестерня 3 через зубчатую муфту 1 передает вращение на шлицевый ходовой вал 14, расположенный вдоль рамы станка.
• По шлицам вала 14 перемещается шестерня 13, которая размещена в корпусе подвижного вращателя и через шестерню 12 вращает буровой став.

Буровой инструмент может иметь четыре частоты вращения: 1,3; 2,08; 3,34 и 5 с1, что достигается различными комбинациями блока шестерен 6 с шестернями 7 и 8 и подвижных шестерен 10 и 4 с блоком 2.

Буровой инструмент на забой подается с помощью двух телескопических гидроцилиндров 15 с рабочим усилием 50 кН. Рабочая скорость подачи регулируется в диапазоне ОД — 2 м/мин.

Маневровая скорость подачи составляет 10 м/мин вперед и 8 м/мин назад.

Для сохранения направленности бурового става при забуривании скважины и удержания его от продольных перемещений при установке или демонтаже и развинчивании имеется специальное устройство 16.

Станок БЖ45-100Э

При проведении работ на шахтах по увлажнению угольного массива используется также станок БЖ45-100Э. Станок вращательного действия и может бурить скважины по углю и включениям породы крепостью до F = 5 на глубину до 1000 м и под, любым углом к горизонту.

Станок может применяться также для бурения водоспускных и дегазационных скважин. Приводом вращения бурового инструмента с коронками диаметром 42 и 45 мм служит электродвигатель 2BP100F2 мощностью 5,5 кВт.

Буровой став подается на забой с помощью гидродомкрата с усилием подачи, до 8 кН.

Длина буровой штанги составляет 1380 мм.

Станки Б100F200Э и БЖ45-100Э не самоходные, в горных выработках они устанавливаются на распорных устройствах из гидростоек.

Станок вращательного действия Б48КП

Для бурения по углю восстающих технических скважин диаметром 300 и 400 мм, длиной до 160 мF (на высоту этажа) и последующего разбуривания их до диаметров 600 и 800 мм применяется станок вращательного действия Б48КП.

Станок имеет дистанционное управление и обеспечивает механизированное наращивание бурового става, собираемого путем свинчивания штанг длиною 1000 мм, часть из которых оснащена опорными фонарями.

Станок выпускается в исполнениях с пневматическим (30 кВт) и электрическим (36 кВт) приводами. Два гидроцилиндра обеспечивают усилие подачи бурового става на забой при бурении до 196 кН и при разбуривании до 294 кН.

Буровой станок БГА4М

Бурение скважин большого диаметра не только на крутых, но и на наклонных и пологих пластах производится станком БГА4М и БГА4М-01.

Буровой станок БГА4М бурит скважины на пластах с углами падения от 45 до 90° диаметром 500 мм на глубину до 150 м с возможностью увеличения диаметра скважин при разбуривании до 1000 мм.

Станок БГА4М-01 бурит скважины диаметром 500 мм на глубину до 60 м на пластах с углами падения от 0 до 45°. Станки могут работать на углях любой крепости, в том числе имеющих породные прослойки мощностью до 0,2 м с коэффициентом крепости до 5.

Гезенко-проходческая машина «Стрела-77»

Для проходки гезенков глухим забоем снизу вверх с углом наклона 40 — 90 диаметром 1000 мм и длиной до 100 м по породам с коэффициентом крепости F до 10, используемых для выдачи угля из очистного забоя, и их проветривания, передвижения людей, доставки материалов, а также для спуска породы на нижний горизонт при углубке вертикальных и проведении слепых стволов, выпускается гезенко-проходческая машина «Стрела-77».

Машина «Стрела» (рис. 1.17) состоит из:

• снаряда-вращателя 3,
• механизма подачи 5,
• маслостанции 7, на которой смонтирован пульт управления станком,
• бурового става 4 с опорными фонарями 5,
• установочных 8 и распорных 10 домкратов.

Снаряд-вращатель включает в себя электро- или пневмодвигатель и редуктор, имеющий планетарную передачу, и служащий для вращения шарошек 2 и опережающего долота 1 относительно оси скважины.

Машина «Стрела-77» на шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по внезапным выбросам, применяется с пневмоприводом. Гидроцилиндры механизма подачи 6 создают во время работы осевое усилие до 38 кН.

Для подавления пыли, охлаждения электродвигателя и породоразрушающего инструмента в забой по шлангу 9 подается вода.

Машина может применяться для проходки гезенков по предварительно пробуренной другими станками скважине диаметром 190 мм, соответствующей диаметру опережающего долота.

Машина комплектуется буровым ставом (ставом подачи) для проходки гезенков длиной 25, 50, 75 и 100 м. Масса машины в зависимости от комплекта поставки составляет 14,37 — 21,77 т, а собственно машины (без става подачи и запчастей) — 6,6 — 6,96 т.

Станки шарошечного бурения

Для бурения взрывных скважин на открытых разработках широко применяются станки шарошечного бурения, которые предназначены для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 160 — 320 мм и глубиной 32 — 60 м в породах с коэффициентом крепости F = 16-=-18.

По массе М (т), развиваемому осевому усилию Р (кН) и диаметру буримых скважин dc (мм) станки шарошечного бурения подразделяют на три класса: легкие (Мс 350 кН; dc > 269,9 мм).

• Легкие станки применяют для бурения скважин по породам с коэффициентом крепости F = 6-Н6;
• средние — F = 10-Н6;
• тяжелые — F до 18.

Буровое оборудование станков шарошечного бурения состоит из става буровых штанг и шарошечного долота.

Долота

Наибольшее распространение получили трёхшарошечные долота (рис. 1.18), состоящие:

• из трех, сваренных между собой лап 5,
• на цапфах 4 которых смонтированы шарошки 6, свободно вращающиеся на подшипниках качения 5 и 7.

В зависимости от условий применения долота выпускают с зубчатыми и штыревыми шарошками.

Для бурения по мягким и средней крепости породам применяют зубчатые долота, для бурения по крепким и очень крепким породам — штыревые. Штыри твердого сплава 8 могут иметь клиновую или сферическую рабочую поверхность.

Для удаления буровой мелочи из скважины шарошечное долото имеет каналы, по которым на забой скважины поступает сжатый воздух или воздушно-водяная смесь.

В лапах долот имеются каналы 2 для обдува опор шарошек. Воздух или воздушно-водяная смесь подается через буровые штанги, которые имеют для этой цели специальные штуцеры и ниппели.

Буровые штанги

Буровые штанги изготовляют из цельнотянутых стальных труб. Буровые штанги между собой соединяются конической замковой резьбой. С помощью такой же резьбы 1 соединяется и шарошечное долото с буровой штангой.

Промышленностью выпускается 13 типов трехшарошечных долот. Каждый тип долота предназначен для бурения пород с определенными свойствами.

Шарошки и лапы долот изготовляют в основном из хромоникелевой стали 12ХН2, 2ХНЗА и никель-молибденовой стали 17НЗМА и подвергают химикотермической обработке.

При вращении бурового става и большом осевом усилии шарошки долота, перекатываясь по забою скважины, разрушают своими зубьями или штырями породу за счет ее смятия и раздавливания.

Устройство станка шарошечного бурения СБШ-250-32МН

Принципиальное устройство станка шарошечного бурения показано на примере станка СБШ-250-32МН (СБШ-250МН) (рис. 1.19), который предназначен для бурения вертикальных и наклонных скважин в сухих и обводненных, а также в трещиноватых породах.

Станок состоит:

• из машинного отделения 2,
• гусеничного хода 4,
• кабины машиниста 5,
• мачты 7 и опор 6 для ее крепления.

Все узлы рабочего органа смонтированы на мачте. Основные из них:

• вращательно-подающий механизм,
• кассета со штангами,
• механизм развинчивания штанг,
• верхний ключ с гидроприводом.

Мачта представляет собой пространственную сварную ферму, на верхней обвязке которой смонтирована опора блока механизма подачи, на нижней — установлены гидроцилиндры канатно-поршневой системы подачи бурового става, механизма развинчивания штанг и верхний ключ.

Заваливание мачты станка при переездах осуществляется двумя гидроцилиндрами 1. При работе станок горизонтируется тремя гидродомкратами 3.

Буровой станок смонтирован на унифицированном Гусеничном ходу УГ60. Привод гусеничного хода состоит из электродвигателя и четырехступенчатого бортового редуктора, ведущая звездочка которого приводит в движение гусеничную ленту.

Свинчивание и развинчивание буровых штанг и шарошечного долота осуществляется шпинделем вращателя.

Кассета секторного типа вмещает три буровые штанги длиной по 8 м.

Гидрооборудование

Гидрооборудование станка обеспечивает:

• создание осевого усилия на долоте,
• перемещение бурового става,
• свинчивание и развинчивание штанг и долота,
• подвод и отвод штанг в кассету,
• разбор и наращивание бурового става,
• подъем и опускание мачты и горизонтирование станка на гидродомкратах.

Для управления механизмами станка имеются три пульта. Основной пульт управления процессом бурения и вспомогательными операциями расположен в кабине машиниста, второй пульт — в нижней части мачты и предназначен для дублирования управления некоторыми операциями.

Механизмом хода станка управляют с третьего, выносного пульта управления.

Наибольшую установленную мощность привода имеют винтовые компрессоры, которые предназначены для продувки скважин с применением на станке систем сухого или мокрого пылеулавливания.

Техника безопасности работы на шарошечных буровых станках

Обслуживают во время работы шарошечные буровые станки машинист и помощник машиниста, которые должны иметь документы на право управления шарошечными станками.

Машинист станка ответственен за соблюдение правил безопасности членами бригады в своей смене.

Кроме соблюдения общих норм и правил безопасности по ведению буровзрывных работ на карьерах, необходимо перед началом работы:

• проверять исправность заземления,
• производить внешний осмотр питающего кабеля,
• проверять работу всех механизмов на холостом ходу.

При переезде станка помощник машиниста должен находиться в зоне видимости машиниста и следить за электрическим кабелем. При переезде на расстояние более 100 м мачта станка должна быть опущена и приведена в транспортное положение.

Перед началом работы или перед включением какого-либо механизма машинист обязан подать звуковой сигнал, а по окончании работ — обесточить станок.