Бурение горных пород

                                         Оглавление 

Введение ……………………………………………………………………....3

   1.Общие сведения о бурении горных пород……………………………...5

       2. Горные сверла……………………………………………………….....9

       3 Переносные перфораторы………………………………………..…..13

       4 Погружные пневмоударники……………………………………………16

       5 Установочно-подающие механизмы для переносных перфораторов…18

      6 Бурильные головки……………………………………………………20

      7 Шахтные бурильные установки……………………………………….22

Заключение…………………………………………………………………..26

Библиографический список………………………………………………..37

                                              ВВЕДЕНИЕ

Бурением называют процесс образования земляной выемки обычно круглого поперечного сечения путем разрушения грунта (горной породы) в ее лобовой (донной) части и извлечения на поверхность продуктов разрушения. В зависимости от ориентации подачи рабочего органа на забой различают вертикальное, горизонтальное и наклонное бурение. Вертикальные выемки глубиной, соизмеримой с размерами поперечного сечения, называют ямами. В ямы устанавливают столбы дорожных знаков, надолб и ограждений, железобетонные опоры линий электропередачи и связи и т. п. Выемки большой глубины по сравнению с размерами поперечных сечений называют скважинами (например, вертикальные колодезные скважины, горизонтальные скважины для бестраншейной прокладки труб под насыпями дорог и т. п.). Скважины с малыми размерами поперечных сечений, используемые для закладки в них взрывчатых веществ при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом, называют шпурами. 
Для образования ям и вертикальных или наклонных скважин применяют бурильно-крановые машины, на которых кроме бурового рабочего оборудования монтируют крановое оборудование для установки в ямы столбов, надолб, опускания в скважины свай, блоков колодезных облицовок и т.п. Из-за рассредоточенности строительных объектов и необходимости в связи с этим частого перебазирования бурильно-крановое оборудование монтируют на автомобилях, тракторах или специальных самоходных шасси. Горизонтальные скважины под насыпями шоссейных и железных дорог разрабатывают полустационарными установками горизонтального бурения в комплекте с обслуживающими их грузоподъемными машинами (обычно трубоукладчиками) и экскаваторами для перегрузки вынутого из скважины грунта в отвал или транспортные средства. По окончании работ буровое оборудование демонтируют и перевозят на новый строительный объект. Для бурения шпуров при разработке прочных грунтов и горных пород взрывом в строительстве применяют самоходные буровые установки на базе пневмоколесных и гусеничных тракторов. Перечисленные машины и оборудование реализуют вращательный или ударно-вращательный способы бурения, наряду с которыми известны также другие способы (ударный, термический), применяемые в горных работах. Бурильно-крановые машины. Отечественная промышленность выпускает бурильно-крановые машины на базе автомобилей, пневмоколесных и гусеничных тракторов для бурения ям и скважин диаметром 0,3...0,8 и глубиной 3 м (на тракторной базе) и до 8 м (на автомобильной базе). Для разработки выемок различного диаметра машины комплектуют сменным буровым оборудованием. Эксплуатационная скорость бурения скважин в грунтах немерзлого состояния без каменистых включений составляет в среднем 0,6... 1.4 м/мин в зависимости от диаметра и глубины скважины. При разработке мерзлых грунтов эта скорость снижается в 3 раза. Процесс бурения грунтов — наиболее энергоемкий способ их разработки. На бу-рение 1 м3 грунта немерзлого состояние затрачивается на порядок больше энергии чем на разработку одноковшовыми экскаваторами. В меньшей мере эти машины уступают одноковшовым экскаваторам по удельной материалоемкости (в среднем в 1,5...3 раза). Однако для полной оценки бурильно-крановых машин по технико-эксплуатационным показателям следует учитывать, что для отрывки ям и скважин эти машины пока что являются единственно возможными технически и экономически обоснованными средствами. Лишь в отдельных случаях при разработке выемок больших поперечных сечений в грунтах немерзлого состояния возможно использовать одноковшовые экскаваторы с грейферным рабочим оборудованием, энергоемкость которого несколько ниже, чем у бурильных машин. 

   1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  О БУРЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД 
Отделение крепких горных пород от массива при проведении подготовительных выработок на рудных и угольных шахтах и при ведении очистных работ на рудных шахтах производится с помошью буровзрывных работ. Разрушение массива горных пород в этом случае осуществляется энергией взрыва. Взрывные вещества размещают в специальных цилиндрических полостях, искусственно образованных в горных породах. 
Цилиндрическая полость в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м обычно называется шпуром. Шпур длиннее 5 м и любая цилиндрическая полость в горной породе диаметром более 75 мм называется скважиной. Сам процесс образования цилиндрических полостей в горной породе называется бурением, а машины, осуществляющие этот процесс, называются буровыми. 
Шпуры и скважины используют не только для буровзрывных работ. Короткие шпуры могут применяться при установке анкерной крепи. Скважины могут использоваться для дегазации, дренажа, вентиляции, прокладки силовых кабелей, трубопроводов, а скважины большего диаметра (более 500 мм) могут использоваться и как технологические выработки. 
В подземных условиях наиболее широкое применение в горной промышленности получил механический способ бурения шпуров и скважин, при котором разрушение горных пород производится буровым инструментом под действием механических усилий, а удаление буровой мелочи производится водой, сжатым воздухом либо воздушно-водяной смесью. При механическом разрушении породы буровой инструмент создает на груди забоя местные напряжения, превышающие предел прочности породы, что вызывает ее разрушение. 
В зависимости от характера силового воздействия бурового инструмента на горную породу и схемы его работы механическое бурение может осуществляться следующими способами: вращательным, ударным, вращательно-ударным и ударно-вращательным. 
Вращательное бурение производится буровым инструментом, имеющим форму резца, непрерывно вращающимся вокруг своей продольной оси и поступательно перемещающимся вдоль этой оси на забой. В результате сложения этих двух движений каждое перо резца движется по винтовой линии. Для эффективного использования этого способа бурения необходимо, чтобы осевое усилие превышало предел прочности буримых пород на вдавливание, а крутящий момент - сопротивление породы скалыванию и силы трения резца о породы, что, в свою очередь, определяет очень жесткие требования к прочности породоразрушающего инструмента. 
Достоинства вращательного способа бурения: высокая производительность бурения, так как процесс разрушения породы непрерывен; невысокие удельные энергозатраты; относительно низкая запыленность рабочей зоны; отсутствие опасных вибраций машины при работе. К недостаткам данного способа бурения нужно отнести ограничения области применения по крепости и абразивности горных пород.

 
 
Шарошечное бурение дает возможность бурить более крепкие породы (f >8) вращательным способом. Однако шарошечные буровые станки пока не получили широкого распространения на подземных горных работах. 
Ударное (ударно-поворотное) бурение производится клиновым буровым инструментом. Под действием ударного импульса лезвие буровой коронки внедряется в породу, образуя радиальные канавки . Секторы породы между канавками разрушаются за счет скалывающих напряжений. Перед ударом буровой инструмент незначительным осевым усилием подачи прижимается к груди забоя, а поворот  бурового инструмента на некоторый угол (15...20°) после каждого удара для разрушения всей площади забоя шпура или скважины осуществляется крутящим моментом. Кратковременная и значительная динамическая нагрузка на буровую коронку создает большие удельные нагрузки в месте контакта лезвия коронки с породой, что дает возможность бурить крепкие и абразивные породы. Существенным недостатком этого метода бурения является относительно низкая производительность из-за цикличности воздействия бурового инструмента на разрушаемую породу. 
Вращательно-ударный способ бурения является комбинированным, сочетающим резание с одновременным приложением к буровому инструменту ударной нагрузки. При  вращательно-ударном бурении непрерывно вращающаяся буровая коронка, лезвия которой имеют форму асимметричного клина, внедряется в породу под действием значительного осевого усилия и ударного импульса. Ударная нагрузка способствует более эффективному внедрению режущей кромки коронки в породу, а значительный постоянно действующий крутящий момент производит скалывание основного объема породы передней гранью буровой коронки. В бурильных головках вращательно-ударного действия мощность вращателя значительно превышает мощность ударного механизма. Наиболее эффективно вращательно-ударный способ бурения может быть применен в породах с f = 6-12. 
При ударно-вращательном способе бурения на коронку действуют аналогичные силы, что и в выше описанном, но соотношение их принципиально другое. При этом способе бурения внедрение лезвия в породу и разрушение ее основного объема происходит за счет ударного импульса; постоянный крутящий момент вращает буровую коронку и зачищает грудь забоя от гребешков породы, остающихся между соседними лунками выкола, а постоянное, относительно небольшое осевое усилие только прижимает буровой инструмент к забою. 
Ударно-вращательное бурение применяют в крепких породах с f = 12-18, но в весьма крепких и абразивных породах происходит интенсивное истирание лезвий буровой коронки.

 
2.                                                 ГОРНЫЕ                                                 СВЕРЛА

    Горные сверла применяются для бурения шпуров и скважин вращательным способом по углю и горным породам с f<8. Горные сверла можно классифицировать по следующим признакам: но роду применяемой энергии - на электрические, пневматические и гидравлические; по способу подачи бурового инструмента на забой - на сверла с ручной и механической подачей. 
Ручные сверла предназначены для бурения шпуров диаметром до 50 мм и глубиной до 3 м по углю и мягким породам (f< 3). 
Ручное электросверло СЭР-19М состоит из асинхронного электродвигателя 1 и двухступенчатого редуктора 6. Управление сверлом осуществляется с помощью выключателя 4 и вмонтированной в рукоятку 7 клавиши. Двигатель охлаждается вентилятором 2, смонтированным на валу ротора двигателя, а поверхность корпуса сверла сделана ребристой. Вентилятор закрыт затыльной крышкой 3 с окнами для всасывания воздуха. Для обеспечения безопасной работы сверла затыльная крышка сверла 3 и рукоятки 7 сверла покрываются слоем диэлектрического материала. В передней части сверла в корпусе редуктора имеется шпиндель 5, в который вставляется хвостовик буровой штанги.                        

Рис. 2. Ручное электросверло СЭР-19М.

 
Запитываются электросверла от трехфазной сети напряжением 127 В, а в цепи дистанционного управления - 36 В. 
Отечественная промышленность выпускает ручные электросверла, аналогичные по конструктивной схеме, описанной выше, и отличаются они лишь электрическими параметрами двигателя и кинематической схемой редуктора. 
       В шахтах опасных по газу и пыли для бурения шпуров применяют ручные пневмосверла.  
       Пневматические и гидравлические ручные сверла обладают повышенной надежностью и безопасностью в работе и имеют возможность плавно регулировать частоту вращения бурового инструмента в зависимости от крепости буримых пород. 
       Для бурения шпуров на всю глубину одной штангой без перехвата применяют бурильные головки вращательного действия, которые монтируются на длинноходовых податчиках и манипуляторах. Такое сочетание бурильной головки с механизмами, обеспечивающими пере-мещение бурильной головки по забою и наведение на ось буримого шпура, позволяет ликвидировать физический труд бурильщика и резко сократить время на эти операции, что приводит к существенному росту производительности буровых работ. Бурильные головки с длинноходовым податчиком и манипулятором используются на всех шахтных буровых установках и в качестве навесного бурового оборудования на ряде погрузочных машин типа ПНБ. 
       Бурильные головки вращательного действия могут быть с электроприводом и гидроприводом. Бурильные головки с электроприводом обеспечивают дискретное изменение частоты вращения бурового инструмента, что ограничивает возможности выбора оптимальных режимных и силовых параметров бурения. Применение гидропривода в бурильных головках вращательного действия дает возможность плавно регулировать частоту вращения бурового инструмента, а в сочетании с податчиком с гидроприводом дает возможность полностью автоматизировать процесс бурения. 
       Конструкция бурильной головки вращательного действия приведена на рис.3.3. Крутящий момент от ротора электродвигателя 1 шпинделю 5 передается через систему шестерен редуктора 2. Перемещением блока шестерен 6 по шлицевому валу 7 обеспечивается включе¬ние одной из трех скоростей вращения шпинделя 5. Осевое усилие подачи воспринимается упорным двухрядным подшипником 3. Вода для очистки шпура от буровой мелочи подается через сальниковую муфту 4. 
                               
Рис. 3. Бурильная головка вращательного действия УБШ-204. 
Перфораторы в переводе с латинского перфоратор означает пробивать, прокалывать, пробуривать. На сегодняшний день к перфораторам относят бурильные машины для бурения шпуров и скважин в породах выше средней крепости (f > 8) ударным, ударно-вращательным и вращательно-ударным способами. 
По способу применения перфораторы можно подразделить на переносные, телескопные и колонковые (бурильные головки). Переносные перфораторы (более раннее название - ручные) в свою очередь по массе можно разделить на легкие - до 18 кг, средние - 18...25 кг и тяжелые - более 25 кг. В горной промышленности в основном нашли применение средние и тяжелые переносные перфораторы, которые работают с пневмоподдержек или других установочно-подающих устройств. Без вспомогательных устройств переносными перфораторами можно бурить шпуры сверху вниз (при проходке стволов шахт). 
Телескопные перфораторы предназначены для бурения восстающих шпуров снизу вверх при проходке восстающих выработок или шпуров под анкерную крепь. Подача перфоратора на забой осуществляется специальным податчиком (телескопом). 
Колонковые перфораторы в том конструктивном исполнении, в котором они применялись ранее, а настоящее время не используются. Их заменили бурильные головки. 
По роду используемой энергии перфораторы подразделяются на пневматические, гидравлические и электрические. Электрические перфораторы в горной промышленности пока не нашли применения. 
По способу распределения энергоносителя перфораторы можно разделить на три группы: клапанные, золотниковые и бесклапанные, когда распределение энергоносителя производит сам поршень-ударник. 
По конструкции механизма поворота бура перфораторы можно разделить на две группы: с автоматическим зависимым и независимым вращением буровой штанги. 
По способу очистки шпура от бурового шлама различают перфораторы: с осевой или боковой промывкой шпура водой; с отсосом пыли и с продувкой шпура сжатым воздухом. Последний способ очистки шпура от буровой мелочи санитарными нормами запрещен к использованию в подземных условиях. Однако может быть применен в тех условиях, где невозможно использовать воду (в зоне вечной мерзлоты) или в конце бурения для очистки шпура от бурового шлама и более полного использования глубины шпура.

 
3. ПЕРЕНОСНЫЕ ПЕРФОРАТОРЫ 
Устройство переносного пневматического перфоратора рассмотрим на примере перфоратора ПП63В. Этот перфоратор состоит из цилиндра (корпуса) 3, передней головки 11 и крышки 1. В цилиндре возвратно-поступательно движется поршень-ударник 8. Цилиндр, передняя головка и крышка соединены между собой стяжными болтами 18 с гайкой 17.На крышке 1 имеется штуцер 20, через который подводится сжатый воздух к воздухораспределительному устройству, расположенному внутри цилиндра, а вода подводится через штуцер 21.  
Рис. 4. Перфоратор ПП63В 
Между воздухораспределительной коробкой 2 и крышкой 1 помещено устройство для поворота бура, состоящее из геликоидального стержня 6 и храпового кольца 14 с собачками 15. 
Геликоидальный стержень 6 проходит через воздухораспределительную коробку 2 и гайку 7 поршня-ударника 8, входя, таким образом, внутрь последнего. В передней головке 11 помещаются разъемные шлицевая 9 и поворотная 10 буксы. Шлицы поршня-ударника 8 находятся постоянно в зацеплении с шлицами буксы 9. Букса 10 имеет шестигранное отверстие, в которое вставляется хвостовик бура 12, удерживаемый в буксе 10буродержателем 13. По оси перфоратора проходит промывочная трубка 16 и входит в канал хвостовика бура на 60-70 мм. Через эту трубку вода поступает к забою шпура для очистки его от разрушенной породы. 
 
            

Рис. 4. Перфоратор ПП63В. 
Воздухораспределительный механизм служит для подачи сжатого воздуха в правую или левую часть цилиндра. Если сжатый воздух поступает в левую часть цилиндра, то поршень-ударник, двигаясь слева направо, совершает рабочий ход, в конце которого шток поршня- ударника наносит удар по хвостовику бура. При обратном ходе (сжатый воздух поступает в правую часть цилиндра) поршень движется по нарезкам геликоидального стержня, фиксируемого храповым механизмом, поворачиваясь при этом на некоторый угол. Отработанный воздух выходит через выхлопное отверстие 4 и глушитель шума от выхлопа воздуха 5. 
Перфоратор оборудуется виброгасящим устройством 19, которое выполнено в виде сварной рамы соответствующей конструкции и системы пружин. 
Телескопический перфоратор состоит из двух функциональных узлов, объединенных в единое целое: пневматического телескопического податчика 1 и перфоратора 2. Податчик представляет из себя полый цилиндр, в котором перемещается поршень 8 со штоком 9. Шток оснащен упором 10 для фиксации телескопного перфоратора на опорной поверхности. Для управления подачей на перфораторе имеется рукоятка 7 с кнопкой для сброса сжатого воздуха из телескопа.  
Сам перфоратор по конструкции принципиально аналогичен переносным перфораторам, но имеет некоторые конструктивные особенности, учитывающие специфику работы. Так, буродержатель заменен буксой 4, которая соединена с поворотной буксой и препятствует попаданию бурового шлама внутрь перфоратора. Хвостовик бура изготовляется без буртика, и глубину посадки хвостовика в поворотной буксе ограничивает промежуточный боек 3. Для предотвращения попадания в ствол перфоратора стекающего по буру шлама имеется постоянная продувка работающего и выключенного перфоратора осуществляемая но специальной трубке 6, расположенной концентрично промывочной трубке 5. 
Для условий, где использование воды для очистки шпура от буровой мелочи затруднено, разработаны и изготовляются однотелескопные и двухтелескопные (УБ2Т-С) перфораторы с пылеотсосом.