Бурового инструмента

Легированные стали придают инструментам более высокую прочность и износостойкость. В целях повышения износостойкости бурового инструмента его рабочую часть армируют твердыми сплавами или алмазами. Инструмент, армированный алмазами применяют в основном в геологоразведочном бурении. Из твердых сплавов применяют металлокерамические твердые сплавы в виде пластин, штырей, электродов, трубчатозерновые и зерновые сплавы.

Наибольшее распространение получили металлокерамические вольфрамокобальтовые сплавы типа ВК. Трубчатый зерновой сплав Рэлит применяют для упрочнения корпуса шарошечных долот от истирания о стенки скважины. Кроме того, этот сплав применяют для наплавки зубьев ковшей экскаваторов, ножей бульдозеров, ковшей погрузчиков.

Буровым инструментом для перфораторов являются буры. Бур состоит из штанги, хвостовика и коронки. Различают сплошные и составные буры. У сплошных буров коронка откована заодно с телом бура, а у составных - коронка съемная. Для глубокого бурения буры изготавливают составными, из отдельных штанг, соединенных муфтами или ниппелями.

В комплект инструмента входят несколько буров: забурник, длиной 0,5 ÷ 0,8м; несколько штанг, каждая последующая длиннее предыдущей на 0,3 ÷ 0,7м. Диаметр коронки каждого последующего бура на 1 – 3мм меньше предыдущего. Суммарная длина составного бура может достигать 9м.

Буры изготавливают из пруткового стального профиля шестигранного или круглого сечения диаметром 22, 25,4 и 32мм. Бур по оси имеет канал диаметром 6мм для продувки или

промывки шпура. Для соединения штанг между собой или коронки со штангой применяют специальную круглую резьбу, которая лучше воспринимает ударные нагрузки и предохраняет инструмент от самопроизвольного развинчивания. Наибольшее распространение для крепления коронки на штангу получило конусное крепление. Коронка держится силами трения. Угол конусности – 3,5°.

Коронки бывают простыми и сложными. К простым относят коронки долотчатой формы. Наибольшее распространение получили долотчатые и крестовые коронки. Лезвия коронок затачиваются под углом 90 ÷ 120° (в зависимости от крепости пород).

По типу армирования коронки маркируются:

- КДП, КДШ – долотчатые;

- КТП, КТШ – трехпёрые;

- ККП, ККШ – крестовые;

- КХП, КХШ – Х-образные;

- КОШ – коронки одноразового использования.

Комплект бурового инструмента для ударно-вращательного бурения состоит из буровых штанг, переходника, пневмоударника и коронки.

Буровая штанга состоит из трубы, муфты и ниппеля. Переходник соединяет став штанг с пневмоударником. Различают три вида соединения штанг: замковое с конусной резьбой, муфтовое и ниппельное.

Буровые коронки классифицируют:

- по числу разрушающих лезвий – долотчатые, трехперые, крестовые, Х-образные, многолезвийные;

- по расположению разрушающих лезвий – одноступенчатые, двухступенчатые (с опережающим лезвием), многоступенчатые.

Коронки маркируются: К- 105К, К- 125К, К- 100В, БК- 155.

Погружные пневмоударники являются одновременно и буровым инструментом и ударным механизмом.

В комплект бурового инструмента для шарошечного бурения входят штанги, шарошечные долота, переходники и инструмент для ликвидации аварий в скважине.

Штанги имеют конструкцию, аналогичную конструкции штанг для ударно-вращательного бурения.

Шарошечное долото состоит из корпуса и шарошек. Шарошка является разрушающим элементом долота. По числу шарошек различают одно-, двух-, трех-, четырех- и многошарошечные долота. Многошарошечные долота применяют при бурении скважин более 600мм диаметром. Наибольшее распространение для бурения взрывных скважин получили трехшарошечные долота.

Трехшарошечные долота, применяемые в горнорудной промышленности, состоят из трех сварных секций (лап), на которых монтируют шарошки. Опоры шарошек в зависимости от размеров долот выполняют по различным схемам. В горной промышленности трехшарошечные долота применяют с опорами (Р—Ш—Р), имеющими два силовых роликоподшипника и между ними один шариковый (замковый). На долотах малых диаметров нижний подшипник может быть шариковым (Р—Ш—Ш) или скользящего типа. Долота, предназначенные для тяжелых условий эксплуатации, снабжают упорным подшипником скольжения (УПС).

Шарошки и лапы долот, в основном, изготовляют из хромоникелевой малоуглеродистой (12ХН2), (20ХНЗА) и никель-молибденовой (17НЗМА) сталей, и подвергают химико-термической обработке.

Тип шарошечного долота выбирают в зависимости от назначения, конструкции, формы шарошек, расположения последних относительно оси долота и забоя, числа и размера зубьев, абразивной стойкости зубьев и способа очистки от, буровой мелочи (воздухом или воздушной смесью).

Для бурения горных пород в зависимости от их крепости применяют трехшарошечные долота тринадцати различных типов (табл. 4.3).

Для бурения взрывных скважин на карьерах горнорудной промышленности наиболее широко используют трехшарошечные долота типов К, ОК и Т с диаметрами 146; 161; 215,9; 244,5 и 320 мм и массой 12—90 кг.

Зубья шарошек (вооружение) долот МЗ, МЗС, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К и ОК выполняют в виде фрезерованных на теле или запрессованных в пояски тела шарошек твердосплавных из карбида вольфрама вставок (штырей) с клиновидными (МЗ, СЗ и ТЗ) или сферическими (К и ОК) рабо- чими поверхностями. Долота типа ТКЗ имеют чередующиеся клиновые и сферические штыри, а типа ТК — комбинированное вооружение, состоящее из чередующихся твердосплавных зубьев с полусферическими головками, запрессованных в тело шарошки, и выфрезерованных в ней зубьев, наплавленных зерновым твердым сплавом. Шарошки долот С, Т, СТ, М, МС и МЗС имеют только фрезерованные зубья, наплавленные зерновыми твердыми сплавами.

Таблица 4.3. Типы шарошечных долот (по ГОСТ 20692—75)

Затылки лап долота защищаются от абразивного износа твердосплавными вставками или штырями из карбида вольфрама.

Для внешнего определения типа с целью удобства выбора долота окрашивают в различные цвета и маркируют на торцовой части ниппеля долота. К долоту прикладывают паспорт с шифром, например Ш 269,9 К-ПГВ, означающим, что это трехшарошечное (Ш) диаметром 269,9 мм, долото для бурения крепких (К) пород, имеющее центральную (П) и периферийную (Г) продувку, а также подшипники качения. На долоте обозначают также номер и дату (обычно месяц и год) выпуска с завода. Нумерация долот на заводах обычно ведется ежегодно, начиная с первого номера.

Основные заводы — изготовители шарошечных долот для горнорудной промышленности

— Верхне-Сергинский, Дрогобычский и Куйбышевский долотные заводы, Востокмашзавод и Поваровский опытный завод Минтяжмаша.

Эффективность шарошечного бурения в значительной степени зависит от эксплуатационных свойств бурового инструмента и режима его работы. Практика эксплуатации шарошечных долот диаметром 161—381 мм показывает, что наилучшая стойкость вооружения

долота и его подшипников обеспечивается при осевых нагрузках соответственно не более, 0,8— 1,35 МН/м (табл. 4.4).

Таблица 4.4. Типы шарошечных долот и предпочтительные средние режимные параметры их эксплуатации

Одно из основных условий успешной работы долота является подача к нему достаточного количества воздуха требуемого давления. Благодаря подаче воздуха по воздушному каналу на подшипники обеспечиваются их охлаждение и предотвращение поступления к ним тонкого абразивного материала, образующегося при бурении на забое скважины. Величина воздушного потока, поступающего на подшипники, регулируется сменными дроссельными насадками, выбор которых производится из расчета подачи на подшипники около 20 % общего расхода воздуха.

Остальная часть воздуха подается через периферийные насадки на забой скважины для его очистки от продуктов разрушения. Сухой воздух — наилучшая рабочая среда, обеспечивающая долговечность подшипников.

Однако в большинстве случаев при бурении взрывных скважин требуется подавление пыли, что осуществляется инжекцией воды вместе с подаваемым воздухом. Для защиты подшипников долота от абразивного шлама, попадающего в них главным образом из продувочных магистралей буровой колонки, куда он заливается из скважин при временном прекращении продувки, в ниппель устанавливают диффузор со встроенным сетчатым воздушным фильтром, водоотделителем и обратным клапаном.

При поступлении в канал долота водовоздушной смеси более плотная вода оттесняется к периферии и направляется через насадки, в то время как практически обезвоженная часть потока воздуха изменяет направление движения и поступает в канал, подводящий воздух к подшипникам. При подаче сжатого воздуха к долоту обратный клапан открывается, пропуская воздух к каналам опор.

С увеличением коэффициента крепости пород f от 6 до 20 расходы на буровой инструмент в стоимости бурения 1 м скважины возрастают от 15 до 75 %. Большинство зубчатых долот в

породах с показателем Пб>8 выходит из строя из-за низкой стойкости вооружения (средняя стойкость долот не превышает 120—170 м).

Штыревые долота при бурении пород с показателем Пб>13—14 в основном выходят из строя из-за заклинивания подшипников опор. Стойкость опор резко возрастает и в результате применения принудительной их смазки в процессе работы. Смазка опор долота осуществляется с помощью масляно-воздушного лубрикатора, устанавливаемого над долотом.

Комплект бурового инструмента для станков вращательного бурения режущими коронками состоит из резцовых коронок и шнековых штанг.

Резцовые коронки различаются числом лезвий (перьев), способом их закрепления, формой режущей кромки, способом армирования твердым сплавом и расположением резцов на корпусе. Существуют коронки как со сплошной, так и с прерывистой режущей кромкой. В последнем случае могут применяться съемные резцы.

Резцовые коронки со сплошной режущей кромкой (рис. 4.1, а) армируются пластинками 3 твердого сплава, напаянными непосредственно на корпус 2, отлитый совместно с хвостовиком /. При бурении сравнительно большая длина режущей кромки не позволяет развивать высоких удельных усилий. Коронка предназначена для бурения по породе и рассчитана на периодическую заточку. Наличие рассечки и развод перьев предо- храняют ее от заклинивания в трещинах.

Резцовые коронки с режущей кромкой ступенчатой формы (рис. 4.1, б), обеспечивающей разрыв сплошности контакта кромки с забоем, снижают энергоемкость бурения. Они имеют съемные периферийные 1 и центральные 2 резцы, закрепляемые в корпусе 3 шплинтами 4.

Для армирования бурового инструмента применяют металлокерамические (ВК) твердые сплавы.

Стойкость коронок типа ДР-160Ш в породах с /<5 составляет 1600—2000 м, при этом удельный расход твердого сплава не превышает 0,7—0,9 г/м.

В КузПИ разработаны буровые коронки КПБ-1 со смен- ными резцами от проходческих комбайнов. Коронка имеет каналы для подвода сжатого воздуха и предназначена для бурения со шнекопневматической очисткой скважины от буровой мелочи.

Шнековый буровой став служит для передачи крутящего момента долоту, а также очистки скважины. Он составляется из

Рис. 4.1. Резцовые коронки для вращательного бурения

секций, каждая из которых состоит из трубы (рис. 4.2) с приваренной к ней спиралью 2 из полосовой стали и хвостовиков 3 и 4. Соединение

Рис.4.2.Шнековые буровые штанги со спиралью:

а- сплошной; б- полой коробчатой; в- полой уступчатой; г- ленточной; д- с радиальными отверс-тиями в трубе; е- секционной

секций (не имеющих продувки) между собой производится с помощью валиков, продеваемых сквозь отверстия хвостовиков. Аналогичным образом верхний шнек става соединяется с переходником шпинделя вращателя, а к нижней штанге присоединяется долото.

Штанги для шнекопневматической очистки имеют сквозное внутреннее отверстие, резьбовое соединение и различную форму спирали.

Для станков шнекового бурения в основном применяют три типа штанг диаметром по спирали от 107 до 155 мм, длиной от 1800 до 8190 мм и массой от 20 до 270 кг. Долговечность штанги до разрушения составляет 3—4 тыс. м (в зависимости от абразивности и крепости породы).

Наружный диаметр шнека для уменьшения трения о стенки скважины должен быть на 10 % меньше диаметра долота.

У штанг с продувкой сжатый воздух подается не только к забою скважины, но и через радиальные отверстия в трубе штанги к межвитковому пространству шнека, что позволяет смещать буровую мелочь к периферии скважины — к зоне более интенсивного движения воздушного потока.

Контрольные вопросы

1. Требования, предъявляемые к буровому инструменту.

2. Материалы, применяемые для изготовления бурового инструмента.

3. Конструкции инструмента для перфораторов.

4. Конструкции инструмента для пневмоударного бурения.

5. Конструкции инструмента для шарошечного бурения.

6. Конструкции инструмента для вращательного (шнекового) бурения.

7. Типы и область применения шарошечных долот.

Литература

1. Подэрни Р.Ю. Горные машины для открытых горных работ. В 2-х ч. М.: МГИ, 1999

2. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ. М.: Недра, 1985

3. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. М.: Недра.

4. Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист бурового станка на карьере. М.: Недра.