Шахтные бурильные установки

Шахтные бурильные установки

Реферат

Шахтные бурильные установки

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.

Установка бурильная УБШ-221ПМетодика 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.

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.

Манипуляторы бурильных установок

бурильный шахтный гидравлический

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);

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.

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.

Литература

Автоматизированная система диагностики напряжённо - деформированного состояния горного массива. - М.:МГГУ.2005.-76 с.: ил.

Аренс В.Ж. Основы методологии горной науки: Учебное пособие для вузов. - М: МГГУ.2003.-223 с.: ил.

Буровой станок НКР-100М. практикум: Учебное пособие для вузов. - М.:МГГУ, 2006.-83 с.: ил.

Гончаров С.А. Физико-технические основы ресурсосбережения при разрушении горных пород М.: МГГУ.-2007.-211 с.: ил.

Жаров А.И. Закономерности геомеханических процессов при 44 с. бесцеликовых технологических схемах.-2-е изд. стер. - М.:МГГУ,2007.-44 с.

Зайков В.И. и Берлявский Г.П. Эксплуатация горных машин и оборудования: Учебник для вузов. -4-е изд. - М.: МГГУ,2006-257 с.

Зайков В.И. и Берлявский Г.П. Эксплуатация горных машин и оборудования: Учебник для вузов. -3-е изд. - М.: МГГУ, 2001-257 с.

Макаров А.Б. Практическая Геомеханика. Пособие для горных инженеров. - М.: Изд-во «Горная книга», 2006.-391 с.: ил.

Основы гонного дела: Учебник для вузов. -2-е изд. - М.: Изд-во МГУ, 2006.-408 с.

Перед загл. авт.: Егоров П.В., Бобёр Е.А., Кузнецов Ю.Н., Косьминов Е.А., Решетов С.Е., Красюк Н.Н.

Основы гонного дела: Учебник для вузов. - М.: МГГУ,2003.-408 с.

Пучков Л.А. О структуре горных наук. - М.: МГГУ, 1995.-24 с.

Пучков Л.А. и Аюров В.Д. Синергетика горно-технологических процессов. -2-е изд.- М.: Изд-во МГГУ, 2004.-204 с.