Лекция по дисциплине "Горные машины и комплексы" на тему: "Шахтные бурильные установки"

Лекция № 6.

Шахтные бурильные установки.

1.  Общие сведения о шахтных бурильных установках.

Шахтные бурильные установки предназначены для бурения шпу­ров в породах различной крепости при проведении горных вырабо­ток, строительстве тоннелей, а также при ведении очистных работ в рудниках. Шпуры бурят вдоль оси выработки, в кровлю, бока и поч­ву выработки. Бурильные установки полностью механизируют про­цесс бурения, улучшают санитарно-гигиенические условия работы и частично механизируют процессы заряжания шпуров и крепления, вы­работки.

Бурильные установки разделяют на фронтальные и радиально-фронтальные. Фронтальными установками шпуры бурятся только вдоль оси выработки, радиально-фронтальными — вдоль оси выработки и пер­пендикулярно к ней.

По типу бурильных головок бурильные установ­ки подразделяют на оборудованные бурильными головками вращатель­ного (f < 8), вращательно-ударного (f = 8-14) и ударно-вращатель­ного (f= 12-20 и более) действия.

Бурильные установки подразделяют по роду пот­ребляемой энергии - на пневматические, электрические и комбини­рованные; по типу ходовой части – пневмошинные,  колесно-рельсовые и гусеничные, а также по числу бурильных головок - 1 -3.

Шахтная бурильная установка состоит из следующих основных сборочных единиц: бурильной головки  с податчиком , манипулятора , рамы с ходовой частью, привода, пульта и сис­темы управления.

Рис. 1. Шахтная бурильная установка:

1 — ходовая часть; 2 — привод хо­довой части; 3 — гидросистема; 4 — система управления; 5 — пози­ционер; 6 — манипулятор; 7 — бурильная машина

В настоящее время выпускает­ся большое разнообразие конструктивного исполнения самоход­ного бурового оборудования. В целях его унификации ГОСТ 20785-83 предусмотрен выпуск шести типоразмеров установок типа УБШ  (Установка бурильная шахтная). Первая цифра после букв - означает размерную группу машин, последующие цифры -  означа­ют порядковый номер модификации конструкции.

Размерная группа машин	Зона бурения, м
	высота	ширина
УБШ1	2.0	2.2
УБШ2	2.5	3.3
УБШЗ	3.6	4.5
УБШ4	5.0	6.0
УБШ5	7.0	8.4
УБШ6	10.0	9.4

Установка бурильная УБШ-221П

Методика экономического расчета при выборе типа бурильного обо­рудования приводится в рекламных материалах фирм. В основе ее лежит расчет себестоимости бурения при добыче 1 т полезного ископаемого с учетом всех расходов на бурение.

Подробный расчет приведен фирмой "Крупп" (ФРГ) для бурения в условиях гранитного карьера. В основу расчета взято бурение скважин глубиной 3,5 м и диаметром 89 мм. При этом скорость бурения гидрав­лической машины принята 30 м/ч, а пневматической — 15 м/ч. Расчет ведут исходя из годовой производительности 2 млн. т (740 тыс. м³/год), причем на этот объем требуется 6*10⁴ м скважин, т.е. 33,3 т/м.

Результаты расчета приведены на графике, из которого следует, что; существует область, в которой применение пневматических машин более, рентабельно, чем гидравлических. Объясняется это тем, что стоимость гидравлической машины в 1,5 раза больше, чем пневматической, хотя у гидравлических машин производительность выше. При малом объеме производства это преимущество не проявляется.

Зависимость стоимости бурения 1 м скважины от заданного годового объ­ема бурения гидравлическим (1) или пневматическим (2) оборудованием

Гидравлическая буровая установка StopeMaster

Зарубежными фирмами, производящими шахтные бурильные ус­тановки, являются: "Атлас Копко" и "Линден Алимак" (Швеция), "Ингерсол Рэнд" и "Гарднер Денвер" (США), "Тамрок" (Финляндия), ЗИГ (Швейцария), "Болер" (Австрия), "Секома" (Франция), "Фуракава" (Япония). Установки гидрофицированы. В качестве буриль­ных головок используют гидровращатели, пневматические и гидрав­лические перфораторы.

2. Бурильные машины шахтных установок

Бурильная машина представляет совокупность бурильной головки и податчика, объединенных конструктивно. В шахтных самоходных бурильных установках в качестве бурильных головок широко используют колонковые пневматические перфораторы ПК-60А и ПК-75А с независимым вращением бура, гидравлические перфораторы, а также бурильную голов­ку БГА-1М.

Податчики предназначены для перемещения бурильных головок совместно с буровым инструментом с рациональным осевым усили­ем подачи на забой во время бурения шпуров и возврата их в исход­ное положение после окончания бурения.

Различают податчики постоянной длины, применяемые на буриль­ных установках фронтального и радиально-фронтального типов, ког­да линейные размеры выработки превышают длину податчика, и телескопические податчики, которыми обуривают забой выработки с полной раздвижностью податчика, а кровлю и боковые стенки — уко­роченными шпурами с помощью сложенного податчика.

В конструктивном плане податчики могут быть винтовыми, цеп­ными, канатными и канатно-поршневыми.

По типу привода различа­ют податчики с приводом от двигателя и от цилиндра, по применяе­мой энергии — пневматические и гидравлические.

Податчики характеризуются следующими основными парамет­рами: длиной подачи 2—4,5 м; усилием подачи 1,5—20 кН; массой 30-850 кг (обычно 350 кг); скоростью подачи бурильной головки при бурении до 0,3 м/с, а при обратном ходе — от 0,2 до 0,4 м/с.

            Рис.2. Винтовой податчик постоянной длины: 1- двигатель, 2 – ползун, 3 – тяги, 4 – амортизатор, 5 – бурильная головка, 6 – направляющие салазки, 7 –подвижный люнет, 8 – буровая штанга, 9 – неподвижный люнет, 10 – упор, 11 – гайка, 12 – винт, 13 – рама.

Винтовой податчик постоянной длины – (рис.2) состоит из рамы, верхняя часть которой служит направляющей салазок бурильной головки. Внутри рамы размещен винт, вращающий­ся от привода. Гайка связана с салазками буровой головки. Приводом вращательное движение винта преобразуется в посту­пательное передвижение буровой головки. Упор обеспечивает фиксацию буровой машины на забое выработки. Опора буровой штанги обеспечена, соответственно, подвижным  неподвиж­ным люнетами. Подвижной люнет ползуном связан с буровой машиной. Для гашения вибрации в салазки встроен амортизатор в виде пакета тарельчатых пружин.

Люнет является важным элементом бурильной машины. Он должен надежно фиксировать штангу, а при ее замене легко рас­крываться.

Рис.3. Цепной податчик постоянной длины: 1- бесконечная цепь, 2 – бурильная головка, 3 – салазки, 4 – натяжная звездочка, 5 – отклоняющая звездочка, 6 – приводная звездочка, 7 –пружинная подвеска.

Цепной податчик постоянной длины - (рис. 3) бесконечная цепь 1 закреплена на салазках 3 буриль­ной головки 2. Цепь огибает натяжную 4, отклоняющие 5 и приводную 6 звездочки. Пружинная подвеска звездочки 7 снижа­ет уровень вибрации механизма подачи. Прямой и обратный ход механизма подачи обеспечен реверсированием привода.

Рис.4. Податчик постоянной длины с гибким тяговым органом и приводом от гидравлического цилиндра: 1- звездочка, 2 – натяжной барабан, 3 – бурильная головка, 4 – салазки, 5 – промежуточный люнет, 6 – рама, 7 – цепь (или канат), 8 – гидроцилиндр.

Податчик постоянной длины с гибким тяговым органом и приводом от гидравлического цилиндра (рис. 4), на переднем конце которого закреплена звездочка, огибаемая цепью, конец которой закрепляется на салазках бурильной головки.

При подаче масла в поршневую полость корпус ци­линдра начинает двигаться вперед, подавая бурильную головку вперед с удвоенной скоростью. Вместе с корпусом цилиндра дви­гаются промежуточный люнет и натяжной барабан. При об­ратном ходе рабочая жидкость податчика поступает в штоковую полость гидроцилиндра, и корпус цилиндра с помощью цепи, огибающей звездочку, возвращает подвижные части в исходное положение.

Рис.5. Схема телескопного податчика: 1- нижняя направляющая балка, 2 – верхняя направляющая балка, 3 – бурильная головка, 4 – люнет, 5 – люнет, 6 – фиксатор

Телескопный податчик состоит из двух направляющих балок: нижней и верхней. В процессе бурения бурильная головка перемещается по верхней балке. Суммарный ход подачи складывается из хода подачи головки по верхней балке и хода верхней балки по ниж­ней. При бурении укороченных шпуров верхнюю балку соединяют с нижней фиксатором и длинную буровую штангу заменяют уко­роченной. Оба люнета жестко соединены каждый со своей балкой.

Имеются аналогичные конструкции телескопических податчиков с винтовым, цепным и гидравлическим приводами.

Рис.6. Схема телескопного гидравлического податчика: 1- верхняя направляющая балка, 2 – нижняя направляющая балка, 3 – гидроцилиндр.

3. Манипуляторы бурильных установок

Важный элемент бурильной установки — манипулятор, который предназначен для перемещения бурильной головки с податчиком в пространстве и ее фиксации в нужных точках для бурения шпуров.

Основными элементами современных манипуляторов являются: основание, стрела и позиционер. Основание служит для крепле­ния манипулятора к раме установки. Стрела позволяет устанав­ливать бурильную машину в различные части забоя выработки. Позиционер служит для крепления бурильной машины на мани­пуляторе, придания ей нужного направления при бурении, а также для раскрепления ее в забое.

В качестве привода манипуляторов служат гидравлические ци­линдры, пневматические цилиндры или двигатели с червячными редукторами и винтами. Неоспоримыми преимуществами гидро­приводов являются быстрота действия, жесткость установки эле­ментов манипулятора и малые размеры.

К манипуляторам предъявляются следующие требования: высо­кие скорости перемещения; надежное закрепление бурильной голов­ки в положении для бурения; обеспечение автоматического сохране­ния параллельности податчика в процессе манипуляций; возможность бурения наклонных шпуров под различными углами, определяемы­ми технологическими требованиями, и оконтуривающих шпуров с минимальными углами наклона (до 5°) к оси выработки.

Манипуляторы обеспечивают следующие движения бурильной машины:

- перемещение по горизонтали;

- перемещение по вертикали;

- изменение угловой координаты оси инструмента в вертикальной плоскости (наклон бурильной машины);

- изменение угловой координаты оси инструмента в горизонтальной плоскости (поворот бурильной машины);

- перемещение бурильной машины на забой (надвигание и распор);

- вращение бурильной машины, при котором она обращается к стенке выработки своим наименьшим габаритом, с целью максимального приближения оси шпура к контуру выработки.

Эти движения обеспечивают приводы манипуляторов, которые делятся на четыре группы: приводы надвигания (движение бурильной машины на забой), поворота, наклона и вращения.

Известно большое число конструктивных схем манипуляторов и их исполнений.

По технологическим свойствам манипуляторы подразделяют на специализированные и универсальные.

Специализированные манипуляторы -  предназначают для бурения в ограниченной зоне. Они имеют меньшее число приводов и проще по конструкции. Их применяют для обуривания фронтальных забоев, главным образом, при проведении выработок.

Универсальные манипуляторы - имеют большее число приво­дов и позволяют их применять при фронтально-радиальном расположе­нии шпуров.

Для управления манипуляторами и необходимой координации перемещения бурильной машины в систему входят механические и гидравлические кинематические связи.

Рис.7. Механическая схема управления приводами: 1 -  кронштейн, 2,3,4,6 – элементы параллелограмма, 5 – податчик, 7 – привод.

Механические связи наиболее просто осуществляют по схеме параллелограмма (рис. 7). На крон­штейне 1 крепится параллелограмм из элементов 2, 3, 4 и 6. При работе привода 7 элемент 5 перемещается параллельно своему первоначаль­ному положению.

Рис.8. Гидравлическая схема управления приводами: 1 -  кронштейн, 2 – пилот-цилиндр, 3 – штоковая полость цилиндра, 4 – поршневая полость цилиндра, 5 – стрела, 6 – штоковая полость исполнительного цилиндра, 7 – исполнительный цилиндр, 8 - поршневая полость исполнительного цилиндра, 9 – податчик, 10 – звено, 11 – гидроцилиндр, 12 привод вращения стрелы.

При телескопической стреле такая схема неприемлема, нужна схема с гидравлическими связями.

На рис. 8 показана схема манипулятора, состоящего из крон­штейна 1, с которым шарнирно соединена стрела 5, связанная звеном 10 с податчиком 9. Вращение стрелы осуществляется приводом 12. При опускании стрелы 5 с помощью гидроцилиндра 11 масло из штоковой плоскости 3 пилот-цилиндра 2 протекает в штоковую полость 6 испол­нительного цилиндра 7, а из поршневой полости 4 - в полость 8. При такой схеме сохраняется параллельность податчика.

Описанная выше схема может работать и без пилот-цилиндра. В этом случае гидравлическая связь осуществляется последовательным соединением штоковых полостей цилиндров подъема стрелы и наклона податчика. Необходимым условием для соблюдения параллельности движения податчика является соответствие размеров цилиндра наклона податчика размерам цилиндра подъема стрелы.

Рис.9. Привод вращения манипулятора: 1 -  гидроцилиндр, 2 – плунжер с рейкой, 3 – шестерня.

Приводы вращения современных манипуляторов выполняют по различным схемам, каждая из которых имеет свои особенности. Широко распространена схема (рис. 9), используемая в бурильных установках среднего и большого размеров. Вращение стрелы манипулятора производится гидравлическим цилиндром. При осевом перемещении плунжера вращается колесо и передает момент на стрелу с позиционером.

Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного действия.

1.                  Бурильные головки ударно-вращательного и вращательно-ударного  действия.

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

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

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".

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

Головка БГА-1М состоит из шестеренного пневмодвигателя с редуктором и ударного узла. Вращатель, осуществляющий независимое вращение бура, состо­ит из пневмодвигателя  и трех пар зубчатых колес, передающих кру­тящий момент с помощью шпинделя  хвостовику. 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 БГА-1М используется фирмой «Тарднер Денвер» (США) для своих перфораторов Р-1000 и Р-2000.

Буровой инструмент машин вращательно-ударного бурения 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.