Реферат на тему.
«Ударно вращательное бурение»
По дисциплине Горные машины и проведение горных выработок .
Выполнил студент гр з-2231
Морозов И.В
Введение.
Для разведки, вскрытия или добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, а также для различных вспомогательных целей в горных породах бурят вертикальные, горизонтальные или наклонные шпуры и скважины.
Бурение — процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы путем разрушения горных пород в торцевом забое.
Буровой станок — буровая машина, установленная на самоходной платформе или передвижной раме, применяемая для бурения взрывных и разведочных скважин и шпуров при открытой и подземной разработке полезных ископаемых, при сплошных камерных и особенно этажно-камерных и блоковых системах разработки для бурения скважин.
Шпуром принято называть искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м.
Скважиной называют искусственное цилиндрическое углубление в горных породах диаметром более 75 мм и глубиной более 5 м.
Бурение производится с помощью буровой установки — комплекса оборудования, включающего буровую вышку (мачту), силовой привод, механизм передвижения, оборудование для механизации спуско-подъемных операций и очистки скважин и др.
Для ведения буровзрывных работ бурят шпуры или скважины, в которые помещают взрывчатое вещество (ВВ).
В общей технологии открытых горных работ буровзрывные работы являются одним из основных и трудоемких производственных процессов. На долю буровзрывных работ приходится в среднем от 16 до 32 % всех затрат, необходимых для добычи твердых полезных ископаемых.
В нашей стране ежегодно бурятся десятки миллионов метров взрывных скважин и шпуров, и с каждым годом объемы бурения растут.
От качества рыхления горных пород зависят производительность погрузочного и транспортного оборудования, его долговечность и эффективность эксплуатации.
Дальнейшее развитие буровой техники предусматривает: создание станков для бурения скважин диаметром до 400 мм шарошечными долотами; разработку новых способов бурения; совершенствование автоматизации управления режимами бурения и вспомогательными операциями; снижение времени на спуско-подъемные операции в 1,5—2 раза; осуществление бурения взрывных скважин глубиной до 18—24 м без наращивания буровых штанг; разработку невращающихся буровых ставов; использование стабилизаторов и амортизаторов; совершенствование и внедрение на станках шарошечного бурения электровибробуров; освоение новых типов шарошечных долот и дополнительных устройств к ним и более интенсивное применение станков комбинированного бурения.
УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ — способ бурения, при котором разрушение породы осуществляется путём нанесения ударов по непрерывно вращающемуся породоразрушающему инструменту. Применяется при ведении горных работ для бурения шпуров и скважин глубиной 25-50 м, диаметром от 40 до 850 мм и при поисках и разведке месторождений для бурения скважин глубиной до 2000 м, диаметром 59-151 мм. При горных работах для ударно-вращательного бурения шпуров используют тяжёлые пневматические бурильные молотки на каретках, скважин — поверхностные пневмо- и гидроударные машины; для бурения геологоразведочных скважин — погружные гидро- и пневмоударники. Осевая нагрузка и крутящий момент передаются с поверхности через колонну бурильных труб породоразрушающему инструменту (коронки и долота с лезвийными и штыревыми твердосплавными вставками, шарошечные долота и коронки, армированные сверхтвёрдыми материалами и алмазами).
При ударно-вращательном
бурении разрушение породы происходит путём её скалывания и дробления за счёт нанесения ударов по породоразрушающему
инструменту. Образующиеся на забое выступы частично срезаются лезвиями
породоразрушающего инструмента при поворотах между ударами. Энергия единичного
удара главным образом 1-2 Дж на 1 мм длины лезвия (пневматические молотки,
пневмоударники) и 0,1-0,15 Дж на 1 мм диаметра коронки (гидроударники),
расстояние между насечками от ударов по контуру шпура или скважины от 2 до 8 мм
(в зависимости от крепости пород), частота ударов от 1000 до 3000 уд/мин, осевая
нагрузка 150-400 Н на 1 см диаметра шпура или скважины.
Различают ударно-поворотное (в т.ч. виброударное) ударно-вращательное бурение и
вращательно-ударное бурение и его разновидности (гидроударное бурение).
Ударно-поворотное бурение характеризуется высокими значениями энергии
единичного удара (2-3 Дж на 1 мм длины лезвия) и малым углом поворота между
ударами (2-3°), т.к. разрушение породы (скалывание, дробление) происходит
только за счёт ударов при отсутствии контакта инструмента с породой между
ударами. Породоразрушающий инструмент представляет собой коронки и долота,
армированные пластинчатыми твердосплавными вставками с симметричным углом при
вершине (90-110°С) или цилиндрическими со сферической рабочей поверхностью.
Способ наиболее эффективен при бурении крепких абразивных пород.
Ударно-вращательное бурение впервые применено в России в 1905-07 инженером В. В. Вольским при бурении скважин
на нефть и газ на Кавказе. Для
бурения скважин на твёрдые полезные
ископаемые ударно-вращательное
бурение впервые было использовано в CCCP на Урале в
1930 инженером В. Н. Комаровым. Первые экспериментально-теоретические работы по
ударно-вращательному бурению применительно к бурению шпуров и взрывных скважин
выполнены в 1934-37 в Днепропетровском горном институте профессором Е. Ф. Эпштейном.
Классификация буровых станков
- буровые станки вращательного бурения шарошечными долотами
- буровые станки вращательного бурения резцовыми коронками
- буровые станки ударно-вращательного бурения б
- уровые станки комбинированного бурения
- буровые станки ударно-канатного бурения
Буровые станки классифицируются по характеру (способу) разрушения горной породы, типу привода и назначению (рис. 1).
Классификация буровых станков для открытых работ
Бурение горной породы можно производить механическим и немеханическим способами. Механический способ реализуется в машинах ударного, вращательного, ударно-вращательного бурения, когда разрушение горной породы производится инструментом под действием прикладываемых к нему силовых нагрузок.
Ударный способ бурения осуществляется в результате нанесения ударов инструмента по породе. Удары можно наносить по хвостовику бура, лезвие которого, внедряясь, разрушает некоторый объем породы. После каждого удара буровой инструмент принудительно поворачивается и постепенно разрушает породу по всему сечению скважины. Этот способ бурения используется в бурильных машинах — перфораторах.
Для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях с перемежающимися" породами различной крепости и структуры высоты на забой под действием собственного веса. Ударом создаются большие удельные нагрузки на лезвие коронки, что более эффективно для разрушения хрупких горных пород. Поворот инструмента происходит под действием упругих сил закручивания каната, на котором подвешен буровой инструмент. Так осуществляется бурение станками ударно-канатного бурения.
При вращательном способе бурения разрушение забоя скважины скалыванием, смятием, истиранием осуществляется вращающимся инструментом с приложением к нему значительной осевой нагрузки. Этот способ реализуется в станках вращательного бурения шарошечными долотами и резцовыми коронками.
При ударно-вращательном способе бурения буровой инструмент непрерывно вращается вокруг своей оси и по нему наносятся удары. Осевое усилие прикладывается к инструменту для нейтрализации сил отдачи, действующих на него в момент удара. Этот способ применяется в станках ударно-вращательного бурения с погружными пневмо-ударниками. Немеханическим (физическим) способом производится термическое, взрывное, гидравлическое, электро-гидрав-лическое, ультразвуковое и комбинированное бурение. При этом способе бурения силовые нагрузки на горную породу передаются через жидкую или газообразную среду. Несмотря на создание новых немеханических способов бурения, механический способ является преобладающим.
По типу привода буровые станки делятся на электрические и тепловые, работающие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
По назначению буровые станки делятся на машины для бурения шпуров и небольших скважин и для бурения скважин среднего и большого диаметра.
Основные параметры буровых станков — диаметр, глубина и угол наклона пробуриваемой скважины.
Наибольшее распространение на открытых горных работах получили станки вращательного бурения шарошечными долотами, которыми выполняется около 80 % всех объемов бурения. Остальные 20 % объема выполняются станками вращательного бурения резцовыми коронками, ударно-вращательного и комбинированного бурения. Кроме того, на открытых горных работах еще находятся в эксплуатации станки ударного бурения.
Станки ударного бурения
К станкам ударного бурения относятся станки ударно-канатного бурения. Ударный способ бурения используется также в перфораторах, которые применяются на карьерах для бурения шпуров в негабаритных кусках горной породы, при добыче декоративного камня и др.
Станки ударно-канатного бурения находят преимущественное применение при проходке скважин на воду, гидрогеологических, водопонижающих и взрывных скважин, а также при геологической разведке россыпных и других месторождений.
Этими станками бурят вертикальные скважины диаметром 200—900 мм на глубину 50— 500 м в породах различных категорий крепости.
Рис. 4. Конструктивная схема станка ударно-канатного бурения
Станки ударно-канатного бурения (рис. 4.) имеют тяжелый (1000—3000 кг) буровой снаряд U подвешенный на канате 2. Кри-вошипно-шатунный механизм 3 с помощью оттяжного блока 4 периодически поднимает и опускает буровой снаряд, который лезвием долота, имеющим форму клина, наносит удары по породе забоя. Накапливаемая при падении кинетическая энергия при ударе долота по породе расходуется на ее разрушение. Привод всех механизмов осуществляется через главный вал 5 от двигателя 6 с помощью муфт и шкивов, что позволяет независимо включать любой механизм станка.
Для получения скважины круглого сечения и равномерного разрушения породы в забое долото с ударной штангой после каждого удара во время его подъема над забоем скважины поворачивается на угол от 15 до 60°. При подъеме бурового снаряда канат натягивается и раскручивается, что приводит к поворачиванию бурового снаряда. При ударе снаряда о забой натяжение каната ослабевает и замок, соединяющий канат со штангой (долотом), поворачивается под действием закручивающих усилий каната.
По мере углубления скважины увеличивают свободную длину каната. Во время бурения в скважину подается вода. Разрушенная порода находится во взвешенном состоянии, образуя с водой шлам, удаляемый из скважины с помощью специального инструмента — желонки.
Чистка скважин при бурении крепких пород производится через 0,4—0,9 м, при бурении слабых пород — через 0,9—1,5 м и более.
Основной недостаток станков этого типа — малая частота ударов (45—60 мин"1) ограничи&ающая их производительность. Увеличить частоту ув&рвв въвош&жт так как продолжительность падения бурового снаряда зависим от ускорения свободного падения и высоты ирд>ъё*т инструмента (0,8—1 м).
Станки ударно-вращательного бурения
Бурение станками ударно-вращательного бурения основано на комбинированном способе разрушения породы, объединяющем основные достоинства ударного и вращательного воздействия на породу. Отличительной особенностью этих станков является наличие погружного ударного механизма — пневмоударника / (рис. 5). Пнев-моударнику через штанги 2 передается вращение от вращателя 3, установленного на плите 4. Подача бурового става йа забой и создание осевого усилия осуществляются с помощью подающего механизма 5. Вращатель перемещается по мачте 6> изменение угла наклона которой осуществляется гидроцилиндром 7.
Рис. 5. Конструктивная схема станка ударно-вращательного бурения
Основными преимуществами ударно-вращательных станков являются сохранение энергии удара на буровой коронке независимо от глубины скважины и возможность приложения к буровому инструменту большого крутящего момента, хотя при этом пневмоударник, непрерывно вращающийся в скважине, подвержен значительному износу.
Станки могут бурить вертикальные и наклонные скважины.
Станки комбинированного бурения
Эти станки являются универсальными машинами, позволяющими вести бурение скважин в сложных горно-геологических условиях с перемежающимися породами различной крепости и структуры. Эффективность разрушения твердых горных пород достигается за счет комбинированного воздействия на породу различных механических и немеханических способов бурения.
Рис. 6. Конструктивная схема станка комбинированного (термомеханнческого) бурения
Из немеханических способов бурения широкое применение получил термический, который в сочетании с механическим способом позволяет эффективно бурить плотные породы высокой крепости.
При термическом бурении разрушение горной породы происходит вследствие интенсивного одностороннего нагревания забоя скважины раскаленными струями газов. Наиболее эффективно разрушаются кварцсодержащие породы, имеющие низкую теплопроводность при большом коэффициенте линейного расширения.
Сущность термомеханического способа бурения заключается в том, что нагрев породы вызывает значительное снижение ее прочности, а окончательное разрушение достигается механическим способом.
Схема станка термомеханического бурения показана на рис. 6. Станок оснащен термошарошечным рабочим инструментом. Высокотемпературные газовые струи, вытекающие из сопел / термобура, разрушают и ослабляют горную породу на забое скважины. С помощью шарошечного бурового инструмента 2 производится разрушение породы. Термошарошечный рабочий инструмент, закрепленный на штанге 3, вращается с помощью вращателя 4. Рабочие компоненты — керосин, кислород и вода — подаются к входному коллектору 5 на вращателе и далее по каналам в штанге поступают к горелке термобура. Разрушенная порода выносится парогазовой смесью.
Станки термошарошечного бурения позволяют вести проходку скважины шарошечным долотом, с последующим расширением до необходимого диаметра термобуром.
На горных предприятиях, где требуется после взрыва получать более равномерный по фракционному составу материал и без переизмельчения, например на щебеночных карьерах, применяют частую сетку взрывания при меньших диаметрах скважин – от 105 до 160 мм. Наиболее продуктивно на крепких породах, например на гранитах, бурение такого диаметра производят станками типа СБУ. Эти станки широко востребованы и при обуривании труднодоступных участков, при работе в сложных горногеологических условиях, на стесненных рабочих площадках.
|
|
|
Станок ударно-вращательного бурения Atlas Copco |
Физика процесса ударно-вращательного бурения схожа с шарошечным бурением. Отличие – в способе создания усилия на рабочем инструменте. Долото для СБУ снабжено твердосплавными зубками с рабочей поверхностью сферической формы, которые внедряются в породу при ударном воздействии, передаваемом на долото погружным пневмоударником или гидроударником через буровой став. При этом вращатель бурового станка непрерывно поворачивает буровой став, обеспечивая тем самым рассредоточенное внедрение зубков по всей поверхности забоя скважины. При внедрении зубков в разрушаемом породном слое возникают максимальные напряжения сдвига, вокруг зубков происходит скол чешуек, которые удаляют из скважины сжатым воздухом.
Корпус долот для ударно-вращательного бурения состоит из головки и хвостовика, выполняемых сплошными. По форме головок они могут быть лезвийными или штыревыми (со сплошной забойной поверхностью, покрытой зубками). Различаются и способы продувки – центральная, внецентренная и внешняя. Долота могут быть многолезвийные, их стойкость выше, чем однолезвийных долот. Лезвийное долото К-105К имеет выемку в центральной части. При бурении в центре образуется керн, который затем разрушается штырем, расположенным между четырьмя лезвиями. Энергоемкость бурения при этом снижается, а скорость бурения возрастает.
Многие годы на карьерах успешно эксплуатируются станки модели СБУ-100Г-35 Кыштымского машзавода. Эта модель оснащена гусеничным ходом и состоит из следующих узлов: рабочий орган, шарнирно закрепленный в передней части станка, включающий в себя пневмоцилиндр подачи, оснащенный направляющими, по которым перемещается вращатель. Механизм подачи пневмопоршневой, включает неподвижный цилиндр и подвижной шток, связанный с плитой вращателя.
|
|
|
Станок ударно-вращательного бурения на известняке |
Вращатель состоит из асинхронного двигателя мощностью 4 кВт и планетарного двухступенчатого редуктора. Гусеничный ход представляет собой две тележки с индивидуальным приводом на каждую гусеницу. Привод хода – асинхронный двигатель и червячный редуктор с тормозным устройством. Источник питания станков – компрессорная станция и электрическая сеть 380 В. Модификации станка: СБУ-100Н-35 – на салазках, СБУ-100П-35 – на пассивном пневмоколесном ходу. На базе станка в свое время были созданы новые образцы – СБУ-100Г-50 и 2СБУ-100Н-32.
Более мощный СБУ-125А-32 включает уже цепную систему подачи, мачту (длина штанг более 4 м) и кассетирующее устройство для механизированной сборки-разборки бурового става. Вращатель состоит из двухскоростного электродвигателя и планетарного редуктора. Гусеничный ход с индивидуальным приводом на каждую гусеницу.
Погружные пневмоударники представляют собой цилиндр с поршнем-ударником, с бесклапанной системой. Двигаясь в цилиндре, поршень сам перекрывает окна циркуляции сжатого воздуха, совершая колебательные движения и нанося удары по хвостовику буровой коронки. На современных станках широко применяются гидроударники, которые устанавливают на самом станке совместно с гидровращателем, и удары на коронку при этом передаются через весь буровой став. Однако такая схема эффективна при небольших глубинах бурения, так как энергия удара теряется за время прохождения по буровому ставу.
Новые методы разрушения горных пород
Рассматривая перспективы развития открытых горных работ, можно утверждать, что преобладающим способом бурения шпуров и скважин по-прежнему будет механический. Ввиду роста объемов добычи полезных ископаемых будут возрастать и объемы бурения, что, естественно, требует дальнейшего совершенствования способов и средств бурения.
Опыт ведения буровзрывных работ показал, что с ростом крепости и абразивности пород значительно возрастает трудоемкость их бурения и дробления. Установлено, что с увеличением крепости пород скорость механического бурения снижается, в то же время при термическом воздействии на породу наблюдается обратная картина, т. е. с ростом крепости возрастает и скорость бурения. Это и обусловливает основное направление в поисках эффективных средств и устройств, реализующих принцип теплового воздействия на породу. Конкретные варианты реализации этого принципа имеют большое разнообразие, так как все зависит от принятой схемы контакта источника (генератора) тепла и породы.
В настоящее время разработаны следующие принципиально новые схемы теплового воздействия на породу для ее разрушения:
- контактная передача теплового поля от генератора непосредственно горной породе (использование тепловых потерь при трении от контактного воздействия инструмента на породу, разрушение с помощью термита, электронагревательный бур, атомный бур);
- свободная передача теплового поля от генератора горной породе (электродуговой бур);
- воздействие на породу высокотемпературной струей газов (кислородное копье, огневое бурение, плазматрон);
- воздействие лучистой энергии оптической области, основанное на ее поглощении горной породой и последующем переходе в тепловую (бипараболоидный генератор, эллипсоидный генератор);
- разрушение горных пород с помощью частиц высокой энергии (электронов, фотонов), основанное на том, что при про-
- вождении этими частицами горной породы их кинетическая энергия в результате торможения переходит в тепловую (бур на базе вакуумной электронно-лучевой трубки, лазерный бур);
- контактная передача преобразуемой энергии породе и ее разрушение при электрическом пробое (импульсный высоковольтный разрядник, высокочастотный контактный нагрев);
- разрушение пород в переменном электромагнитном поле (конденсаторные устройства, магнетрон, одновитковый или спиральный индуктор).
Перспективность применения того или иного способа бурения целесообразно рассматривать с позиций обеспечения высокой производительности бурения.
Технические характеристики станков ударно-вращательного бурения.
|
В практике конструирования пневмоударников применяется комбинация двух способов очистки: подача всего отработавшего воздуха на забой и отдельная продувка. Этот способ обеспечивает хорошую продувку забоя и применяется за рубежом.
Необходимое условие нормальной работы пневмоударника в скважине – ее очистка, которая производится продувкой воздушно-водяной смесью или сжатым воздухом.
Процесс воздухораспределения у современных бесклапанных пневмоударников отличается простотой исполнения и отсутствием каналов в теле цилиндра пневмоударника. Отсутствие каналов позволяет максимально увеличить диаметр поршня при заданном диаметре пневмоударника, что повышает энергию единичного удара.
Среди всех бесклапанных пневмоударников наиболее совершенными можно считать пневмоударники с воздухораспределением двустороннего действия, бесканальные с хвостовиком или с трубкой, но с воздухораспределительной парой поршень-цилиндр.
Воздухораспределение двустороннего действия обеспечивает большую частоту ударов, а следовательно, и большую мощность.
Применение воздухораспределительной пары «поршень-цилиндр» обеспечивает использование всей возможной рабочей площади поршня. Применение трубки позволяет уменьшить размеры переходника пневмоударника. Использование же хвостовика приводит к удлинению переходника, но повышает надежность конструкции пневмоударника.
Бесклапанные пневмоударники выпускает Кыштымский завод. Их технические характеристики приведены в табл. 7.
Таблица.
Технические характеристики пневмоударников.
|
Технические характеристики буровых станков.
Техническое описание бурового станка 2СБУ-100-32М
Буровые станки 2СБУ-100-32М представляет собой несамоходный буровой агрегат, состоящий из салазок, на которых с помощью оси и раздвижной опоры крепится рабочий орган с вращателем, и выносного пульта управления.
Буровые станки 2СБУ-100-32Мпредназначены для бурения взрывных скважин диаметром 110; 130 мм глубиной до 32 метров погружными пневмоударниками в породах и рудах с коэффициентом крепости f=6…20 по шкале профессора Протодьяконова при проведении горных работ и дорожном строительстве.
Конструкция станков позволяет произвести быструю разборку на транспортабельные узлы и сборку в местах применения. В качестве энергоносителя для привода вращателя станка 2СБУ-100-32М применяется электроэнергия 380 В, 50 Гц.
Габаритные размеры бурового станка:
- В рабочем положении, мм
Длина: 1950
Ширина: 800
Высота: 2770
- Масса станка, кг: 610
- Диаметр скважины условный, мм: 110-130
- Глубина бурения вертикальных скважин, м: 32
- Угол наклона скважины к вертикали, град: 0-90
- Привод вращателя: электрический
- Мощность привода вращателя, кВт: 4,0
- Частота вращения бурового става, об/мин: 41
- Ход подачи, мм: 1050
Буровой станок СБУ-100ГА-50 аренда
СБУ – 100ГА – 50 – это буровой станок, который предназначен для бурения взрывных скважин, чей диаметр составляет 110 и 130 мм глубиной до 50 м на строительных объектах, с помощью погружения пневмоударников из породы.
Буровой станок является самоходной маневровой установкой на гусеничном ходу с отдельным электроприводом для каждой гусеницы. Управлять ходом можно с переносного пульта. На раме станка устанавливается рабочий орган, который выполняет все работы, которые связаны с бурением, вращением бурового снаряда, созданием осевого усилия на забой, спуска и подъёма снаряда из скважины.
С помощью трёх гидродомкратов осуществляется выравнивание по горизонтали, а система пыле подавления, в свою очередь, исключает загрязнение внешней среды.
Использование станка распространяется даже в труднодоступных участках, благодаря высокой проходимости и устойчивости станка.
Используется электроэнергия, напряжение которой равняется 380 В, а так же сжатый воздух, который передается станку, либо передается от передвижного компрессора.
Технические характеристики бурового станка СБУ-100ГА-50- Крепость пород, f: -
- Основной диаметр, мм/глубина бурения, м: < 50
- Угол наклона скважины к вертикали, град.: 0, 15, 30
- Крутящий момент на долоте, кг х м: -
- Усилие подачи (осевое давление) на забой, кН: -
- Напряжение питающей сети, В: -
- Суммарная мощность двигателей, кВт: 26,5
- Скорость передвижения, км/ч: 0,8
- Габаритные размеры с поднятой/с опущенной мачтой , мм: 4000x2286x5350
- Масса, т: 5,0
Список использованной литературы.
1. Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И., Разведочное бурение, М., 1966;Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых, М., 1966
2. Скрыпник С.Г., Данелянц С.М., Механизация в автоматизация трудоёмких процессов в бурении, М., 1968
3. Арш Э.И., Виторт Г.К., Черкасский Ф.Б., Новые методы дробления крепких горных пород. К., 1966. Волков С.А., Сулакшин С.С., Андреев М.М., Буровое дело, М., 1965;
4. Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И., Разведочное бурение, М., 1966;
5. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых, М., 196
(zip - application/zip)
Статистика файлового архива
