Резцы и штанги для сверления шпуров

Резцы для сверления шпуров по назначению подразделяют на угольные, углепородные и породные.

Угольные резцы предназначены для ручных сверл при работе по углю любой крепости и породам с коэффициентом крепости до f = 3 по шкале проф. М. М. Протодьяконова; углепородные резцы — для ручных и колонковых сверл при работе по углю любой крепости и породе с коэффициентом крепости f = 2 ÷ 6; породные резцы — для колонковых сверл и буровых установок при бурении пород с коэффициентом крепости f = 6 - 10. Кроме того, выпускают угольные резцы для бурения шпуров под беспламенное взрывание и породные резцы — для анкерования.

Согласно проекту параметрического ряда, разработанному ВНИИПТуглемашем и ИГД им. А. А. Скочинского, основной параметр резца (диаметр 40 - 43 мм) выбран в соответствии с диаметром серийно выпускаемых патронов ВВ, а также из условия возможности применения резцов для вспомогательных работ при проведении горных выработок (диаметры 28 - 32 и 60 мм).

Конструкции серийных угольных и углепородных резцов приведены на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 – Угольные и углепородные буровые резцы (а) и геометрические параметры витой штанги (б)

Резцы РУ-4М широко применяют в угольной промышленности СССР и особенно в Донецком бассейне.

Угольный резец РУ-43 предназначен для вращательного бурения шпуров ручными сверлами по углям низкой и средней крепости. Угол заострения по главным и вспомогательным режущим кромкам равен 65°.

По каменным и калийным солям эффективно применяются резцы РМС-43, характеризующиеся увеличенным до +20° передним углом.

Для угольных резцов характерно наличие больших диаметров раствора и положительных либо нулевых передних углов. Это способствует снижению усилий подачи, что особенно важно для ручных сверл. U - образные растворы скалывающего типа используют в резцах для хрупких пород; V- образные растворы режущего типа — в резцах для вязких пород (соль, гипс и др.). К числу угольных относятся также резцы РУ-12С диаметром 60 мм для сверления шпуров под беспламенное взрывание.

Углепородные резцы РУ-13М имеют асимметричные режущие кромки, что способствует снижению усилия подачи.

Угольные и углепородные резцы имеют клиновидные хвостовики для соединения их с буровыми витыми штангами. На базе резца РУ-13М разрабатывается резец с отверстием для подачи воды в шпур при сверлении пустотелой витой штангой.

Породные резцы в сравнении с угольными имеют меньшую величину раствора, диаметр которого находится в пределах 8 - 12 мм; более короткие перья и, как правило, отрицательные передние углы.

Буровой штыб из шпура резцов для пород средней крепости выдается промывкой или витыми буровыми штангами, резцов для крепких пород — промывкой водой. В случае отсутствия воды в шахте (например, в условиях вечной мерзлоты) возможно применение пылеотсоса.

Конструкции наиболее распространенных породных резцов показаны на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 – Буровые породные резцы для крепких пород (а) и схема дифференциального резца (б).

При этом используют буровые штанги шестигранного и круглого сечений с каналами для промывки, применяемые при ударно-поворотном бурении.

Резцы БИ-741 (рис. 2.10, а) имеют отрицательный передний угол, равный 15°, соединяются с буровой штангой шестигранного сечения при помощи конусного соединения. В корпусе резца предусмотрены два промывочных отверстия.

Резцы РП-42 (см. рис. 2.10, а) имеют малый концевой угол, равный 60°; смещение главной и боковой кромок плоской твердосплавной вставки с радиального направления в сторону вращения, а вспомогательной кромки и кромки рассечки — в обратном направлении; передний отрицательный угол, изменяющийся по длине режущей кромки от —10 до —20° при угле заострения 80°. Эти резцы наряду с высокой прочностью обеспечивают высокие скорости бурения при усилиях подачи до 20 кН.

Стремление повысить прочность режущих кромок привело к многочисленным попыткам создания новых резцов. Из их числа следует отметить двухперые резцы РПХ-2 (см. рис. 2.10, а) и трехперые РПХ-3, разработанные Институтом геотехнической механики АН УССР. Они имеют прерывную режущую кромку, образованную твердосплавными вставками с цилиндрической передней поверхностью, наклоненными под углом 15° в сторону, обратную вращению. В корпусе резца для промывки предусмотрено два-три отверстия. Испытания по крепким породам показали высокую прочность этих резцов, однако для обеспечения должных скоростей бурения они требуют значительных усилий подачи — до 25 кН и более. Резцы применяют на некоторых предприятиях цветной металлургии.

Всесторонние лабораторные исследования, выполненные в Новочеркасском политехническом институте (НПИ), а также производственные испытания показали, что применение переднего отрицательного угла, равного 20 - 25°, позволяет резцу выдерживать нагрузки без поломок режущих кромок при остром состоянии последних до 15 кН, при затупленном состоянии — до 40 кН.

В последнее время в НПИ разрабатываются породные и углепородные резцы, названные дифференциальными. Резец состоит из корпуса 1 (рис. 2.10,б) и двух асимметричных перьев с наклонными лезвиями — опережающего 2 и отстающего 3, имеющих одинаковую ширину m, меньшую половины радиуса R шпура 4. Опережающее перо смещено в сторону оси вращения на ширину т пера, поэтому размер резца по внешним боковым лезвиям меньше диаметра шпура, что устраняет заклинивание последнего в шпуре. Так как суммарная ширина перьев меньше радиуса шпура и каждое перо обрабатывает свою часть забоя, то усилие подачи и крутящий момент на резце снижаются, что приводит к увеличению скорости бурения.

Применяемые в зарубежной практике конструкции резцов не отличаются большим разнообразием, особенно режущей части. При испытаниях в отечественных условиях (ПО «Ростов уголь») хорошие результаты показали резцы фирмы «Вимет» (Великобритания) марок Р148 (угольные) и Р189 и Р400 (породные).

Создание новых буровых резцов должно идти по пути: повышения стойкости и прочности в связи с возросшими энергетическими и силовыми параметрами бурильных машин; повышения термостойкости резцов для крепких пород с целью увеличения частоты их вращения и соответственно производительности; применения новых материалов (включая алмазы и безвольфрамовые сплавы); унификации и улучшения качества изготовления.

— Буровые витые штанги предназначены для передачи резцу осевого усилия и крутящего момента от шпинделя сверла, а также для выдачи штыба (см. рис. 2.9,б). Штанги изготовляют ромбического, прямоугольного и фасонного профилей из старей У7, У7А или 40. Стальным прутьям таких профилей придают форму винтового шнека закручиванием (свивкой) их в горячем состоянии.

В СССР применяют почти исключительно ромбический профиль с усиленными ребрами и размером диагоналей 36x18 мм.

Штанги характеризуются профилем поперечного сечения размерами b и а, диаметром d_ш, шагом витка h _B, углами ω₁ и ω₂ соответственно подъема и наклона витка.

Шаг витка принимают в пределах 60—160 мм, причем разница в шаге на одной штанге может составлять до 20 мм. Длина штанг на буровых установках выбирается в соответствии с глубиной шпура.

Как показала киносъемка, при вращении штанги штыб, находящийся в кольцевом зазоре между штангой и стенкой шпура, не участвует в движении. Для уменьшения кольцевого зазора необходимо брать диаметры резца D_p и штанги d_ш с минимальной разницей, а именно: D_p/d_ш = 1,1÷ 1,15. Большое влияние на работу штанги оказывает шаг витка. Наилучшее удаление штыба происходит при шаге 70—80 мм.

Пустотелые штанги имеют осевое отверстие, через которое в шпур подается такое количество воды, чтобы влажность бурового штыба находилась в пределах 21—33%. При этом обеспечиваются эффективные выдача штыба, охлаждение резца и подавление пыли. Расход жидкости составляет 1,5—2 л/м вместо 25 л/м при сверлении с промывкой.