СОВРЕМЕННЫЙ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ КАРЬЕРНЫХ БУРОВЫХ СТАНКОВ ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Бурение взрывных скважин является начальным этапом процесса открытой добычи полезных ископаемых во всех тех случаях, когда вскрыша представлена достаточно крепкими породами. От качества проведения буровых работ зависит своевременная и качественная подготовка горной массы к экскавации и транспортированию, а, следовательно, и технико-экономические показатели добычи в целом.

Основным видом породоразрушающего инструмента современных карьерных станков вращательного бурения тяжелого типа (СБШ) являются шарошечные и буровые долота.

Наибольшее распространение получили трехшарошечные долота, изготавливаемые из трех сваренных между собой секций, на цапфах которых смонтированы шарошки, свободно вращающиеся на опорах, снабженных подшипниками качения или скольжения. Наружные рабочие поверхности шарошек оснащены зубьями различной формы и размеров. Верхняя часть долота для соединения со штангами имеет стандартную замковую коническую резьбу.

Шарошки и лапы долота изготавливаются из легированных сталей (марок 12ХН2, 20ХНЗА и др.) и подвергаются химико-термической обработке. Шарошечные долота имеют каналы для подвода сжатого воздуха, которым забой скважины очищается от буровой мелочи. Кроме того, имеются каналы в лапах долота и их цапфах для направления части подводимого к долоту воздуха в полость опор шарошек для их охлаждения, смазки и предотвращения попадания в опоры мелких частиц буровой мелочи.

В зависимости от назначения (типа буримых пород) наружные рабочие поверхности шарошек (вооружение) имеют зубья различной формы и размеров. Это отражается в обозначении долота следующими буквами: М – для мягких пород; МС – для мягких пород с пропластками пород средней твердости; МЗ – для мягких абразивных пород; МЗС – для мягких абразивных пород с пропластками средней твердости; С – для пород средней твердости; СТ – для пород средней твердости с пропластками твердых; СЗ – для абразивных пород средней твердости; Т – для твердых пород; ТЗ – для твердых абразивных пород; ТК – для твердых пород с пропластками крепких; К – для крепких пород; ОК – для очень крепких пород.

Шарошки долот Т, СТ, МС и М имеют фрезерованные зубья, наплавленные твердым сплавом, и отличаются друг от друга количеством и размерами зубьев. Зубья шарошек МЗ, СЗ0 ТКЗ, К и ОК выполнены в виде запрессованных в тело шарошек твердосплавных штырей с клиновидной (МЗ, СЗ и ТЗ – угол клина 90°) или сферической (К, ОК) рабочей поверхностью. Шарошки долот МЗС и ТК имеют чередующиеся фрезерованные и вставные зубья.

На карьерах черной и цветной металлургии в основном применяются долота диаметром 244,5 мм, частично диаметром 269,9 и 215,9 мм. и в совсем небольшом объеме применяются долота диаметром 320 мм. На угольных разрезах, карьерах горно-химического сырья и стройматериалов находят применение в основном долота диаметром 215,9 мм, и частично диаметром 244,5 мм. Около половины всех потребляемых в стране долот составляют долота диаметром 244,5 мм.

В зависимости от расположения и конструкции продувочных каналов шарошечные долота бывают с центральной (П) и боковой (ПГ) продувкой, а опоры шарошек могут быть с телом качения (В), на двух и более подшипниках скольжения (С) или содержать упорный подшипник скольжения (УПС).

В настоящее время большинство долот диаметром 2145,9 мм и выше выполнено на опорах, имеющих схему: роликовый подшипник – шариковый (замковый) подшипник – роликовый подшипник (Р-Ш-Р).

Долота диаметром 244,5 мм и более могут дополнительно содержать на цапфах упорный подшипник скольжения (УПС). Опоры скольжения имеют долота диаметром меньше 120 мм. Марка долота 320ТЗ-ПГВ – обозначает долото диаметром 320 мм с вооружением ТЗ (со вставными зубьями), с продувкой опор (П) и боковой (периферийной) схемой очистки зубьев (Г).

У долот с центральной продувкой подвод воздуха к забою осуществляется через центральное отверстие. Кроме того, в лапах и их цапфах выполняются специальные каналы (рис. 1), по которым до 20–25 % общего расхода воздуха поступает в опоры шарошек. Это способствует их охлаждению и предотвращает попадание в них частиц выбуренной породы.

Серийные трехшарошечные долота для горной промышленности

Основным изготовителем шарошечных долот в нашей стране являются заводы объединений «Волгабурмаш» и «Уралбурмаш».

Основной объем производства шарошечных долот за рубежом для горно-рудной промышленности приходится на фирмы США. Несколько фирм фактически являются монополистами по выпуску шарошечных долот: это компания «ЮЗ», «СМИТ», «Секьюрити», «Чикаго пневматик», «Рид»; «Ойл мэньфакчуринг», SANDVIK и др.

Многолетняя практика эксплуатации шарошечных долот в горно-рудной промышленности позволила зарубежным фирмам выработать наиболее работоспособную и прочную конструкцию опор шарошек, используемую всеми ведущими фирмами. Это комбинированная опора, состоящая из большого роликового подшипника, располагаемого у основания цапфы, замкового шарикового подшипника, размещаемого в средней части цапфы, концевого подшипника скольжения и торцовой опорной пяты.

Чтобы уменьшить трение в подшипнике скольжения и торцовой пяте, конец цапфы наплавляют твердым сплавом и шлифуют, а в шарошку запрессовывают втулку из антифрикционного материала и опорную пяту. Пята и втулка перед запрессовкой охлаждаются до температуры минус 100°С.

Чтобы обеспечить проход сжатого воздуха к поверхностям трения в долотах с продувкой опор, на цапфе подшипника скольжения предусматривают продольные пазы.

Торцевая опорная пята надежно воспринимает тангенциальную составляющую нагрузки на долото, позволяя разгрузить замковый шариковый подшипник и торцы роликов от восприятия тангенциальной составляющей, а это резко уменьшает износ шариков, исключает перекос и заклинивание роликов в процессе работы и тем самым увеличивает срок службы опор.

Сложность изготовления такой опоры состоит в необходимости выплавки цапфы твердым сплавом с последующей шлифовкой, изготовлением и запрессовкой опорной пяты и втулки из антифрикционного материала, прецизионной точности изготовления и сборки опоры.

За рубежом шарошечные долота изготавливают из высоколегированных сталей, обеспечивающих повышенную прочность и износостойкость материала шарошек и лап долота. Благодаря выполнению подшипникового узла с более высокой точностью уменьшается люфт шарошек на цапфах и увеличивается срок службы долот. Применение герметизированных опор шарошек препятствует попаданию продуктов разрушения в опорные подшипники и этим существенно снижает их износ. Изготовление долот с устройствами для консистентной смазки опор из масленок, смонтированных в лапах долот, позволяет улучшить условия работы опор и увеличить ресурс подшипников и долот в целом. Широкое использование шарошечных долот с боковой продувкой улучшает аэродинамическую характеристику и повышает стойкость долот. Применяются специальные формы рабочих поверхностей твердосплавных штырей шарошек – коническая, клиновая с овальным притуплением и др. Конструктивные и технические особенности зарубежных шарошечных долот способствуют значительному увеличению эффективности разрушения породы на забое и их работоспособности.

Однако до сих пор ни одной из зарубежных фирм не освоено серийное изготовление комбинированных режуще-шарошечных долот, разборных (со съемными лапами) долот и долот для бурения скважин некруглой формы, разработанных в России.

Режущие буровые долота также находят ограниченное применение на зарубежных карьерах.

Основными недостатками всех типов долот, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными фирмами, является большое количество пыли, образующейся на забое скважины, высокая стоимость долот и низкая износостойкость опор шарошек.

Образование большого количества пыли на забое скважины не только неизбежно связано со значительным расходом энергии на разрушение породы, но и с необходимостью установки на буровых станках сложных, громоздких и ненадежных пылеулавливающих устройств.

Анализ отработки шарошечных долот на угольных разрезах показывает, что до 80–90 % общего их количества выходит из строя в результате износа опор шарошек, т. е. срок службы шарошечных долот практически определяется стойкостью их опор.

Проникая в подшипник опоры, образующаяся на забое пыль поглощает смазку и спрессовывается. Затем наступает заклинивание шарошки. Заклиненные шарошки быстро изнашиваются вследствие истирания о забой, и самое качественное долото выходит из строя через 10–15 м.

У современных серийных долот с центральной продувкой в их лапах и цапфах выполняются специальные каналы, по которым в опоры долота поступает от 5 до 25–30 % общего расхода воздуха, подводимого к долоту.

По замыслу авторов, разрабатывавших шарошечные долота для горной промышленности, это должно было способствовать не только смазке и охлаждению опор, но и предотвращать попадание в них частиц выбуренной породы. Однако для обеспечения прохода воздуха через опору необходимо предусматривать достаточные зазоры между шарошкой и лапой, что неизбежно связано с проникновением в опору частиц буровой мелочи во время прекращения продувки, например, при наращивании штанг. Так что о решении проблемы надежной герметизации опор говорить пока не приходится.

Воздухоподводящие каналы, выполняемые в лапах и цапфах долот, не оправдывают своего назначения и лишь усложняют конструкцию долота.

Высокий уровень пылеобразования при бурении скважин шарошечными долотами с пневматической очисткой скважин от буровой мелочи, чрезвычайно высокая стоимость этих долот, при их относительно низкой износостойкости существенно осложняют эксплуатацию карьерных буровых станков и удорожают буровзрывные работы.

Решение проблемы заключается в коренном изменении конструкции опор. При этом первостепенное значение имеет их герметизация и надежная смазка. Эта проблема может быть решена при использовании в опорах долот, вместо наиболее подверженных перекосам и заклиниванию роликов, подшипников скольжения в виде втулок из антифрикционного материала при их надлежащей смазке и герметизации, что может быть обеспечено только при маслонаполненной опоре и минимальном зазоре между поверхностями скольжения шарошки и цапфы. При такой конструкции опор нет необходимости в продувочных каналах в лапах и цапфах долот. Охлаждение опор может надежно обеспечиваться подачей в скважину достаточного количества воздушно-водяной смеси, попадание которой в опоры в этом случае почти полностью исключается.

Заслуживают внимания мероприятия, позволяющие продлить срок службы и повысить стойкость серийных долот. Так, если через 50–60 м проходки производить промывку долота смесью солярового и машинного масла, то вымываются частицы минеральной пыли, попавшие в подшипник, а машинное масло служит легкой смазкой, действующей относительно короткое время между промывками. Это мероприятие позволяет повысить стойкость серийных шарошечных долот на 40–60 %.

Применение в долотах обратных клапанов позволяет увеличить проходку на долото от 30–50 % до 2–2,5 раза в обводненных породах. Находит применение смазка опор долот от встроенных в буровой став лубрикаторов и маслоотражательных втулок.

Применение смазки на ряде карьеров позволило увеличить среднюю стойкость долот более чем в 1,5 раза.

Таким образом, основное внимание при дальнейшем совершенствовании шарошечных долот должно быть обращено на повышение долговечности опор и, прежде всего, на улучшение их смазки и изоляции от внешней среды.

Шарошечные долота состоят из сваренных между собой секций, на цапфах которых вращаются шарошки, и являются, таким образом, неразборными конструкциями, вследствие чего при выходе из строя одной шарошки или ее опоры бракуется все долото.

В связи с этим весьма заманчивым является создание долота со съемными шарошками, что позволило бы, заменяя вышедшую из строя шарошку, значительно (в 1,5–2 раза) продлить срок службы дорогостоящего долота.

Режущие долота

При бурении взрывных скважин по породам небольшой крепости (f=6) применение дорогостоящих шарошечных долот нецелесообразно. Задача производительного и экономичного бурения по таким породам успешно решается при использовании на стойках вращательного бурения как тяжелого (СБШ), так и легкого (СБР) типов режущих буровых долот (рис. 2).

Отличительные особенности новых конструкций таких долот – наличие каналов для подвода к забою сжатого воздуха и оснащение их съемными режущими инструментами.

Накопленный опыт эксплуатации режущих буровых долот на станках вращательного бурения легкого типа (СБР) позволил в дальнейшем разработать рациональные конструкции режущих буровых долот и для станков вращательного бурения тяжелого типа (СБШ). В качестве съемных резцов наиболее целесообразно использовать породные резцы РК-8б или специальные буровые резцы РБ-224 с твердосплавной пластиной чечевицеобразной формы. Такие долота имеют преимущества не только в части износостойкости и скорости бурения, но при их использовании существенно снижается количество мелких фракций буровой мелочи, а следовательно, пылеобразование.

Существенный экономический эффект от использования породных резцов достигается за счет увеличения срока службы долота и увеличения производительности бурового станка. Опыт эксплуатации долот показал, что целесообразнее иметь цилиндрические державки съемных резцов, что, однако, связано с необходимостью дополнительной токарной обработки стандартных резцов.

Освоение серийного выпуска и широкое внедрение режущих долот позволит по-новому оценить номенклатуру выпускаемых промышленностью станков вращательного бурения и создать новые, более совершенные их модели, что, в свою очередь, улучшит качество подготовки горной массы к экскавации и транспортированию и технико-экономические показатели добычи угля открытым способом.

Режуще-шарошечные долота

Одним из направлений совершенствования инструмента карьерных буровых станков является создание комбинированных режуще-шарошечных долот (рис. 3), имеющих в качестве породоразрушающих элементов шарошки и режущие лопасти или резцы. Степень эффективности таких долот в значительной степени зависит от их компоновки, т.е. расположения шарошек и режущих органов на корпусе долота.

На значительной части вскрышных пород рационален переход на комбинированный буровой инструмент, который позволит обуривать мягкие породы наиболее производительным режущим рабочим органом, а крепкие прослойки – шарошечным.

Существенный недостаток РШД сравнительно быстрый износ режущих лопастей, которые непрерывно находится в контакте с забоем при бурении как слабых, так и крепких пород. Поэтому целесообразно режущую лопасть выполнить ступенчатой, у которой периферийный участок располагается выше центрального на высоту зуба шарошек.

При бурении слабых пород величины осевого усилия, передаваемого через пружины, достаточно для внедрения в породу обоих участков лопасти, и долота работает, как режущее.

При бурении крепких пород, усилия, передаваемого пружинами на режущую лопасть, недостаточно для ее внедрения в породу. При сжатии пружин лопасть смещается вверх, и в контакт с забоем вступают шарошки. При этом режущая лопасть контактирует с забоем только центральным участком, износ которого незначителен вследствие его малого радиуса, а следовательно, и малой линейной окружной скорости.

В дальнейшем кафедрой горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) были предложены РШД с автоматической и принудительной разгрузкой режущего органа.

Испытания РШД показали, что комбинированным инструментом одинаково эффективно бурятся как мягкие, так и крепкие породы.

Иркутским и Кузбасским техническими университетами разработаны работоспособные конструкции режуще-шарошечных долот.

Шнекопневматическая очистка скважин

При бурении скважин шарошечными, режущими и комбинированными режуще-шарошечными долотами наиболее целесообразна шнекопневматическая очистка скважин от буровой мелочи, при которой вместо гладких труб используются полые шнековые штанги, а охлаждение долота осуществляется сжатым воздухом, подводимым к забою скважины.

Использование шнекопневматической очистки позволяет значительно уменьшить количество пыли, выдаваемой из скважины, и вследствие этого в ряде случаев существенно упростить систему пылеулавливания бурового станка.

Шнековый буровой став при шнекопневматической очистке можно рассматривать как батарею последовательно расположенных мультициклонов. Пылевоздушный поток, проходя по межвитковому пространству шнеков, закручивается. При этом легкие частицы, соприкасаясь со стенкой скважины, теряют скорость и флоккируются (слипаются), образуя флоккулы, которые оседают на стенке, а затем соскребаются с нее спиралью шнека и транспортируются к устью скважины. При бурении увлажненных пород этот процесс значительно интенсифицируется. Таким образом, при шнекопневматической очистке выделение пыли из скважины значительно сокращается. При этом для улавливания наиболее крупных продуктов разрушения в качестве первой ступени используется зонт, устанавливаемый над устьем скважины, а в качестве второй ступени – циклон или батарея мультициклонов.

Третья, наиболее громоздкая и ненадежная, ступень в виде рукавных фильтров ввиду резкого сокращения количества мелкодисперсных фракций в большинстве случаев становится излишней. Такая упрощенная система пылеулавливания может обеспечить снижение запыленности воздуха до санитарных норм.

Буровые штанги

Буровые штанги для бурения взрывных скважин служат не только для одновременной передачи долоту крутящего момента и осевого усилия, но и для подвода к забою сжатого воздуха с целью охлаждения долота и выдачи из скважин буровой мелочи. Штанга представляет собой бесшовную стальную трубу. Для изготовления штанг могут быть использованы стальные бесшовные холоднодеформированные трубы, а также горячедеформированные трубы. В комплект буровых штанг входит концевая штанга (забурник), а также несколько основных рабочих штанг.

Основные размеры буровых штанг приведены в таблице 1.

При бурении скважин с шнекопневматической очисткой первостепенное значение имеет конструкция применяемых при этом шнековых буровых штанг (рис. 4).

Для интенсификации процесса шнекопневматического транспортирования кафедрой горных машин и комплексов КузГТУ было предложено несколько специальных типов шнековых штанг, которые обеспечивают увеличение взаимодействия транспортируемого материала со стенкой скважины и воздушным потоком, что способствует торможению частиц, а, следовательно, большему их проскальзыванию относительно спирали и увеличению вертикальной составляющей скорости, т.е. скорости транспортирования.

Исследования по шнеко-пневматическому бурению, проведенные в КузГТУ, а также НИИОГРе, институте горно-химического сырья (ГИГХС) и тресте «Союзвзрывпром» создали хорошие предпосылки для оснащения карьерных буровых станков оборудованием и буровым инструментом для бурения скважин с этим способом очистки.

 

---