Теория рабочего процесса буровых машин. Ударное и ударно-вращательное бурение. Вращательное бурение.

17) 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 трубпородоразрушающему 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.

УДАРНОЕ БУРЕНИЕ — способ бурения, при котором разрушение породыпроисходит под действием ударов падающего на забой скважины бурового снаряда либо ударов по снаряду, стоящему на забое. Используется в основном в мягких и рыхлых отложениях с обломочными включениями, а также скальных породах до глубины 100 и более метров. Разрушение пород носит характер дробления, раздавливания и рыхления. Бурение осуществляется сплошным или кольцевым забоем.

После нанесения очередного удара инструмент отрывается от забоя либо постоянно контактирует с ним (забивание). Для спуска бурового снаряда используются канат или штанги (ударно-канатное и ударно-штанговое бурение) и специальные двойные концентрические трубы. В узком смысле под ударным бурением понимают только ударно-канатное бурение, получившее в практике наибольшее распространение. Разрушение породы при ударно-канатном бурении сплошным забоем осуществляется снарядом, включающим долота различных типов, ударные штанги, яссы (ножницы) и канатный замок, в котором закреплён конец инструментального каната. Для бурения в мягких породах используют плоские долота с клинообразным (иногда сменным) лезвием, в вязких породах — двутавровые, в твёрдых трещиноватых — крестовые, в валунах — пирамидальные. Разрушение достигается сбрасыванием снаряда массой 500-2500 кг с высоты 300-1000 мм с частотой 45-60 уд/мин. В момент подъёма снаряда под действием упругости каната происходит его поворот на 20-50°, что обеспечивает обработку всей площади забоя. Для подъёма и сбрасывания ударного снаряда используется ударный механизм (качающаяся рама с приводом от кривошипно-шатунного механизма, эксцентричный ролик, система гидроцилиндров). В сухих скважинах на забой периодически подливают воду. После разрушения участка скважины определённой длины (0,2-0,6 м) продукты разрушения извлекаются с забоя посредством обычной или поршневой желонки, которая в песках и галечниках применяется также и для бурения (забивания в породу)

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ — способ сооружения скважин путём разрушения горной породы за счёт вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (долото, коронка).Основные разновидности вращательного бурения, используемого для сооружения исследовательских и эксплуатационных скважин, — роторное бурение (вращение передаётся инструменту через бурильную колонну ротором, установленным в буровой вышке),турбинное бурение (вращение инструмента двигателем-турбобуром непосредственно на забое), роторно-турбинное бурение (вращение инструмента турбобуром, установленным в забойном агрегате, вращаемом через колонну ротором), реактивно-турбинное бурение (вращение инструмента турбобуром, агрегат вращается от реактивных моментов), электробурение (вращение инструмента электромотором непосредственно на забое), бурение объёмным двигателем (вращение инструмента винтовым гидравлическим двигателем на забое).

Вращательное бурение неглубоких (главным образом взрывных) скважин осуществляется путём передачи вращательного момента через штангу от бурового станка к породоразрушающему инструменту либо шарошечного типа (см. шарошечное бурение), либо лопастного с удалением пород по витым штангам — шнекам (см. шнековое бурение); принцип вращательного бурения используется также при бурении свёрлами. Вращение бурового инструмента в комбинации с ударом применяют, например, при вращательно-ударном бурении, ударно-вращательном бурении. В зависимости от глубины бурения мощность буровых установок, используемых для вращательного бурения, составляет от нескольких десятков кВт до нескольких тысяч кВт. При вращательном бурении породы разрушаются по всему забою или по кольцевому пространству с отбором керна (колонковое бурение). В зависимости от горнотехнических условий при вращательном бурении сооружают вертикальные, горизонтальные, наклонные, разветвлённые и кустовые скважины.

18. Принцип конструкции буровых станков СБШ-250. Шарошечное бурение.

18) Станок буровой СБШ-250электрический, самоходный, предназначен для бурения шарошечным долотом взрывных скважин диаметром 200-270 мм в крепких высокоабразивных (6-18 ед. по шкале проф. Протодьяконова) породах на открытых горных работах. Он способен перемещаться по рабочим площадкам с плавно регулируемой скоростью - от 0 до 1 км/ч.Данный станок работает со штангами, позволяющими бурить скважины глубиной 17,5 м за один проход, что соответствует высоте уступа большинства разрезов. При этом значительно повышается производительность, т.к. исключаются операции наращивания и разбора бурового става, что особенно актуально при разработке мягких пород и пород средней твердости, когда время проходки сопоставимо со временем вспомогательных операций.
Для обеспечения непрерывного хода подачи, соответствующего длинным штангам, использован канатно-полиспастный привод подачи от двух лебедок. Буровой станок СБШ-250 состоит из гусеничного хода, машинного отделения со смонтированными на нем кабиной машиниста и мачтой. Все узлы рабочего органа смонтированы на мачте, и включают: вращательно-подающий механизм, кассету со штангами, механизм развинчивания штанг, верхний ключ с гидроприводом Гусеничный ход бурового станка состоит из двух независимых тележек, соедененных осями с приводом на каждую тележку. Звенья, колеса и катки отлиты из высоколегинованной стали с термической обработкой по специальной технологии. Натяжение гусениц осуществляется гидроцилиндром двустороннего действия. Наклонная поверхность рамы и установка поддерживающих роликов на консольной оси исключают их зашламовывание и налипание грунта при работе во влажных условиях. В подшипниковых узлах гусеничного хода применены подшипники, заполненные смазкой на весь срок службы.

Машинное отделение станка представляет собой сварную конструкцию, обшитую металлическим листом. Внутри размещается:
- компрессорная установка;
- маслостанция, основными рабочими элементами которой являются: главный насос с регулируемой производительностью, который обеспечивает создание заданного усилия на буровой став и выполнение других операций, вспомогательный насос, который обеспечивает быстрый спуск и подъем бурового става при наращивании или его разборке;
- приводы вращателя и хода, электрические шкафы и другое оборудование.
Два частотных преобразователя обеспечивают управление асинхронными электродвигателями хода при передвижении станка. В процессе бурения преобразователи переключаются на управление асинхронными электродвигателями вращателя и гидронасоса.
В качестве опций станок может быть оснащен системой сухого пылеподавления, состоящей из пылеотсадительной камеры, циклонов грубой очистки, фильтров тонкой очистки и отсасывающего вентилятора.

Кабина бурового станка сварная, цельнометаллическая. Изготавливается с утепленными стенами, потолком и полом, создает комфортные условия для обслуживающего персонала. Для снижения вибрации при бурении крепких пород кабина может устанавливаться на домкратах и отделяться от машинного отделения.
Для машиниста установлено регулируемое по высоте виброзащищенное кресло, для управления процессом бурения и контроля работы основеых узлов бурового станка удобно расположены пульты с индикацией параметров бурения и состояния работающего оборудования. Двери с надежными замками и уплотнениями обеспечивают герметичность, а кондиционер, подавая очищенный воздух, создает избыточное давление. При минусовых температурах включается обогреватель. Удобно расположеные окна обеспечивают машинисту хороший обзор работающих механизмов.

Мачта представляет собой пространственную сварную ферму, через подшипники скольжения крепящуюся на опорах. На верхней обвязке смонтирована опора блока механизма подачи, на нижней - установлены гидроцилиндры канатно-поршневой системы подачи бурового става, механизма развинчивания штанг и верхний ключ. Установка мачты в рабочее или транспортное положение осуществляется двумя гидроцилиндрами. Закрепление ее в рабочее положение производится двумя фиксаторами.Гидрооборудование станка обеспечивает создание осевого усилия на долоте, перемещение бурового става, свинчивание и развинчивание штанг и долота, подвод и отвод штанг в кассету, разбор и наращивание бурового става, подъем и опускание мачты и горизонтирование станка на гидродомкратах.

Для управления механизмами станка имеются три пульта. Основной пульт управления процессом бурения и вспомогательными операциями расположен в кабине машиниста, второй пульт - в нижней части мачты и предназначен для дублирования управления некоторыми операциями. Механизмом хода станка управляют с третьего, выносного пульта управления

ШАРОШЕЧНОЕ БУРЕНИЕ — вращательный способ буренияскважин с использованием в качестве породоразрушающего инструмента шарошечного долота. Впервые применено в США в 1920-х, а в CCCP в 1930-х гг.

Горные породы при шарошечном бурении разрушаются стальными или твердосплавными зубками шарошек, вращающимися на опорах бурового долота, которое, в свою очередь, вращается (60-600 об/мин) и прижимается с большим осевым усилием к забою (500-2000 кг на 1 см диаметра). Зубки вращающихся шарошек перекатываются по забою и за счёт больших напряжений, развивающихся в зоне контакта зубков с породой, разрушают её путём раздавливания и скола. С увеличением крепости пород частота вращения уменьшается, а осевое усилие увеличивается. Разрушенная на забое скважины порода удаляется на поверхностьпромывкой, продувкой или сочетанием этих способов.

Шарошечное бурение эксплуатационных и исследовательских скважин осуществляется стационарными многоузловыми установками, горнотехнических скважин — самоходными или передвижными буровыми станками.

Шарошечное бурение применяется для проведения геологоразведочных, нефтяных и газовых скважин при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, взрывных скважин при подземной и открытой разработке месторождений, восстающих выработок и шахтных стволов.