Шахтные бурильные установки
Реферат
Шахтные
бурильные установки
Общие сведения о шахтных бурильных
установках
Шахтные бурильные установки
предназначены для бурения шпуров в породах различной крепости при проведении
горных выработок, строительстве тоннелей, а также при ведении очистных работ в
рудниках. Шпуры бурят вдоль оси выработки, в кровлю, бока и почву выработки.
Бурильные установки полностью механизируют процесс бурения, улучшают
санитарно-гигиенические условия работы и частично механизируют процессы
заряжания шпуров и крепления, выработки.
Бурильные установки
разделяют на фронтальные и радиально-фронтальные. Фронтальными
установками шпуры бурятся только вдоль оси выработки, радиально-фронтальными -
вдоль оси выработки и перпендикулярно к ней.
По типу бурильных головок бурильные
установки подразделяют на оборудованные бурильными головками вращательного (f
< 8), вращательно-ударного (f
= 8-14) и ударно-вращательного (f=
12-20 и более) действия.
Бурильные установки подразделяют по роду
потребляемой энергии - на пневматические, электрические и комбинированные;
по типу ходовой части - пневмошинные, колесно-рельсовые и гусеничные,
а также по числу бурильных головок - 1 -3.
Шахтная бурильная установка состоит из следующих
основных сборочных единиц: бурильной головки с податчиком, манипулятора, рамы с
ходовой частью, привода, пульта и системы управления.
Рис. 1. Шахтная бурильная
установка: 1 - ходовая часть; 2 - привод ходовой части; 3 - гидросистема; 4 -
система управления; 5 - позиционер; 6 - манипулятор; 7 - бурильная машина
В настоящее время выпускается большое
разнообразие конструктивного исполнения самоходного бурового оборудования. В
целях его унификации ГОСТ 20785-83 предусмотрен выпуск шести типоразмеров
установок типа УБШ (Установка бурильная шахтная). Первая цифра после букв -
означает размерную группу машин, последующие цифры - означают порядковый номер
модификации конструкции.
Размерная
группа машин
|
Зона
бурения, м
|
|
высота
|
ширина
|
УБШ1
|
2.0
|
2.2
|
УБШ2
|
2.5
|
3.3
|
УБШЗ
|
3.6
|
4.5
|
УБШ4
|
5.0
|
6.0
|
УБШ5
|
7.0
|
8.4
|
УБШ6
|
10.0
|
9.4
|
Установка бурильная УБШ-221ПМетодика
экономического расчета при выборе типа бурильного оборудования приводится в
рекламных материалах фирм. В основе ее лежит расчет себестоимости бурения при
добыче 1 т полезного ископаемого с учетом всех расходов на бурение.
Подробный расчет приведен фирмой
"Крупп" (ФРГ) для бурения в условиях гранитного карьера. В основу
расчета взято бурение скважин глубиной 3,5 м и диаметром 89 мм. При этом
скорость бурения гидравлической машины принята 30 м/ч, а пневматической - 15
м/ч. Расчет ведут исходя из годовой производительности 2 млн. т (740 тыс. м3/год),
причем на этот объем требуется 6*104 м скважин, т.е. 33,3 т/м.
Результаты расчета приведены на графике, из
которого следует, что; существует область, в которой применение пневматических
машин более, рентабельно, чем гидравлических. Объясняется это тем, что
стоимость гидравлической машины в 1,5 раза больше, чем пневматической, хотя у
гидравлических машин производительность выше. При малом объеме производства это
преимущество не проявляется. Зависимость стоимости бурения 1 м скважины от
заданного годового объема бурения гидравлическим (1) или пневматическим (2)
оборудованием
Гидравлическая буровая установка StopeMaster
Зарубежными фирмами, производящими шахтные
бурильные установки, являются: "Атлас Копко" и "Линден
Алимак" (Швеция), "Ингерсол Рэнд" и "Гарднер Денвер"
(США), "Тамрок" (Финляндия), ЗИГ (Швейцария), "Болер"
(Австрия), "Секома" (Франция), "Фуракава" (Япония).
Установки гидрофицированы. В качестве бурильных головок используют
гидровращатели, пневматические и гидравлические перфораторы.
Бурильные машины шахтных установок
Бурильная машина
представляет совокупность бурильной головки и податчика, объединенных
конструктивно. В шахтных самоходных бурильных установках в качестве бурильных
головок широко используют колонковые пневматические перфораторы ПК-60А и
ПК-75А с независимым вращением бура, гидравлические перфораторы, а также
бурильную головку БГА-1М. Податчики предназначены для перемещения
бурильных головок совместно с буровым инструментом с рациональным осевым
усилием подачи на забой во время бурения шпуров и возврата их в исходное
положение после окончания бурения.
Различают податчики постоянной длины,
применяемые на бурильных установках фронтального и радиально-фронтального
типов, когда линейные размеры выработки превышают длину податчика, и телескопические
податчики, которыми обуривают забой выработки с полной раздвижностью
податчика, а кровлю и боковые стенки - укороченными шпурами с помощью
сложенного податчика.
В конструктивном плане податчики могут
быть винтовыми, цепными, канатными и канатно-поршневыми.
По типу привода различают податчики
с приводом от двигателя и от цилиндра, по применяемой энергии
- пневматические и гидравлические.
Податчики характеризуются следующими основными параметрами:
длиной подачи 2-4,5 м; усилием подачи 1,5-20 кН; массой 30-850
кг (обычно 350 кг); скоростью подачи бурильной головки при бурении до
0,3 м/с, а при обратном ходе - от 0,2 до 0,4 м/с.
Рис.2. Винтовой податчик постоянной длины: 1-
двигатель, 2 - ползун, 3 - тяги, 4 - амортизатор, 5 - бурильная головка, 6 -
направляющие салазки, 7 -подвижный люнет, 8 - буровая штанга, 9 - неподвижный
люнет, 10 - упор, 11 - гайка, 12 - винт, 13 - рама.
Винтовой податчик постоянной длины -
(рис.2)
состоит из рамы, верхняя часть которой служит направляющей салазок бурильной
головки. Внутри рамы размещен винт, вращающийся от привода. Гайка связана с
салазками буровой головки. Приводом вращательное движение винта преобразуется в
поступательное передвижение буровой головки. Упор обеспечивает фиксацию буровой
машины на забое выработки. Опора буровой штанги обеспечена, соответственно,
подвижным неподвижным люнетами. Подвижной люнет ползуном связан с буровой
машиной. Для гашения вибрации в салазки встроен амортизатор в виде пакета
тарельчатых пружин.
Люнет является
важным элементом бурильной машины. Он должен надежно фиксировать штангу, а при
ее замене легко раскрываться.
Рис.3. Цепной податчик постоянной длины: 1-
бесконечная цепь, 2 - бурильная головка, 3 - салазки, 4 - натяжная звездочка, 5
- отклоняющая звездочка, 6 - приводная звездочка, 7 -пружинная подвеска.
Цепной податчик постоянной длины
- (рис. 3) бесконечная цепь 1 закреплена на салазках 3 бурильной головки 2.
Цепь огибает натяжную 4, отклоняющие 5 и приводную 6 звездочки. Пружинная
подвеска звездочки 7 снижает уровень вибрации механизма подачи. Прямой и
обратный ход механизма подачи обеспечен реверсированием привода.
Рис.4. Податчик постоянной длины с гибким
тяговым органом и приводом от гидравлического цилиндра: 1- звездочка, 2 -
натяжной барабан, 3 - бурильная головка, 4 - салазки, 5 - промежуточный люнет,
6 - рама, 7 - цепь (или канат), 8 - гидроцилиндр.
Податчик постоянной длины с гибким
тяговым органом и приводом от гидравлического цилиндра
(рис. 4), на переднем конце которого закреплена звездочка, огибаемая цепью,
конец которой закрепляется на салазках бурильной головки.
При подаче масла в поршневую полость корпус
цилиндра начинает двигаться вперед, подавая бурильную головку вперед с
удвоенной скоростью. Вместе с корпусом цилиндра двигаются промежуточный люнет и
натяжной барабан. При обратном ходе рабочая жидкость податчика поступает в
штоковую полость гидроцилиндра, и корпус цилиндра с помощью цепи, огибающей
звездочку, возвращает подвижные части в исходное положение.
Рис.5. Схема телескопного податчика: 1- нижняя
направляющая балка, 2 - верхняя направляющая балка, 3 - бурильная головка, 4 -
люнет, 5 - люнет, 6 - фиксатор
Телескопный податчик
состоит из двух направляющих балок: нижней и верхней. В процессе бурения
бурильная головка перемещается по верхней балке. Суммарный ход подачи
складывается из хода подачи головки по верхней балке и хода верхней балки по
нижней. При бурении укороченных шпуров верхнюю балку соединяют с нижней
фиксатором и длинную буровую штангу заменяют укороченной. Оба люнета жестко
соединены каждый со своей балкой. Имеются аналогичные конструкции
телескопических податчиков с винтовым, цепным и гидравлическим приводами.
Рис.6. Схема телескопного гидравлического
податчика: 1- верхняя направляющая балка, 2 - нижняя направляющая балка, 3 - гидроцилиндр.
Манипуляторы бурильных установок
бурильный шахтный гидравлический
Важный элемент бурильной установки - манипулятор,
который предназначен для перемещения бурильной головки с податчиком в
пространстве и ее фиксации в нужных точках для бурения шпуров. Основными
элементами современных манипуляторов являются: основание, стрела и
позиционер. Основание служит для крепления манипулятора к раме
установки. Стрела позволяет устанавливать бурильную машину в различные
части забоя выработки. Позиционер служит для крепления бурильной машины
на манипуляторе, придания ей нужного направления при бурении, а также для
раскрепления ее в забое.
В качестве привода манипуляторов служат гидравлические
цилиндры, пневматические цилиндры или двигатели с червячными редукторами
и винтами. Неоспоримыми преимуществами гидроприводов являются быстрота
действия, жесткость установки элементов манипулятора и малые размеры.
К манипуляторам предъявляются следующие требования:
высокие скорости перемещения; надежное закрепление бурильной головки в
положении для бурения; обеспечение автоматического сохранения параллельности
податчика в процессе манипуляций; возможность бурения наклонных шпуров под
различными углами, определяемыми технологическими требованиями, и
оконтуривающих шпуров с минимальными углами наклона (до 5°) к оси выработки.
Манипуляторы
обеспечивают следующие движения бурильной машины:
перемещение по горизонтали;- перемещение по
вертикали;- изменение угловой координаты оси инструмента в вертикальной
плоскости (наклон бурильной машины);
изменение угловой координаты оси инструмента в
горизонтальной плоскости (поворот бурильной машины);
перемещение бурильной машины на забой
(надвигание и распор);
Эти движения
обеспечивают приводы манипуляторов, которые делятся на четыре группы: приводы
надвигания (движение бурильной машины на забой), поворота, наклона и
вращения.
Известно большое
число конструктивных схем манипуляторов и их исполнений.
По технологическим
свойствам манипуляторы подразделяют на специализированные и
универсальные.
Специализированные
манипуляторы - предназначают для
бурения в ограниченной зоне. Они имеют меньшее число приводов и проще по
конструкции. Их применяют для обуривания фронтальных забоев, главным образом,
при проведении выработок.
Универсальные
манипуляторы - имеют большее число
приводов и позволяют их применять при фронтально-радиальном расположении
шпуров.
Для управления
манипуляторами и необходимой координации перемещения бурильной машины в
систему входят механические и гидравлические кинематические связи.
Рис.7. Механическая
схема управления приводами: 1 - кронштейн, 2,3,4,6 - элементы параллелограмма,
5 - податчик, 7 - привод.
Механические связи
наиболее просто осуществляют по схеме параллелограмма (рис. 7). На
кронштейне 1 крепится параллелограмм из элементов 2, 3, 4 и 6. При работе
привода 7 элемент 5 перемещается параллельно своему первоначальному положению.
Рис.8.
Гидравлическая схема управления приводами: 1 - кронштейн, 2 - пилот-цилиндр, 3
- штоковая полость цилиндра, 4 - поршневая полость цилиндра, 5 - стрела, 6 -
штоковая полость исполнительного цилиндра, 7 - исполнительный цилиндр, 8 -
поршневая полость исполнительного цилиндра, 9 - податчик, 10 - звено, 11 -
гидроцилиндр, 12 привод вращения стрелы.
При телескопической
стреле такая схема неприемлема, нужна схема с гидравлическими связями.
На рис. 8 показана
схема манипулятора, состоящего из кронштейна 1, с которым шарнирно соединена
стрела 5, связанная звеном 10 с податчиком 9. Вращение стрелы осуществляется
приводом 12. При опускании стрелы 5 с помощью гидроцилиндра 11 масло из
штоковой плоскости 3 пилот-цилиндра 2 протекает в штоковую полость 6
исполнительного цилиндра 7, а из поршневой полости 4 - в полость 8. При такой
схеме сохраняется параллельность податчика.
Описанная выше
схема может работать и без пилот-цилиндра. В этом случае гидравлическая связь
осуществляется последовательным соединением штоковых полостей цилиндров подъема
стрелы и наклона податчика. Необходимым условием для соблюдения параллельности
движения податчика является соответствие размеров цилиндра наклона податчика
размерам цилиндра подъема стрелы.
Рис.9. Привод
вращения манипулятора: 1 - гидроцилиндр, 2 - плунжер с рейкой, 3 - шестерня.
Приводы вращения современных манипуляторов выполняют по различным схемам, каждая
из которых имеет свои особенности. Широко распространена схема (рис. 9),
используемая в бурильных установках среднего и большого размеров. Вращение
стрелы манипулятора производится гидравлическим цилиндром. При осевом
перемещении плунжера вращается колесо и передает момент на стрелу с
позиционером.
Бурильные головки
ударно-вращательного и вращательно-ударного действия
Машины ударно-вращательного и
вращательно-ударного бурения предназначены для бурения скважин в породах
средней крепости и крепких. Бурение этими машинами основано на комбинированном
способе разрушения породы, объединяющем основные свойства ударного и
вращательного бурения. При этом буровой инструмент в породу внедряется в
основном под действием удара, а лучшему скалыванию породы способствует
значительный крутящий момент, непрерывно прикладываемый к буровому инструменту
мощным вращателем. Вследствие этого в этих режимах появляется возможность
значительно уменьшить усилие подачи по сравнению с вращательным способом, что
уменьшает истирание бурового инструмента. Кроме того, увеличивается скорость
бурения, по сравнению с ударным способом. Машины ударно-вращательного и
вращательно-ударного бурения состоят из независимо работающих ударного и
вращательного механизмов, смонтированных соответственно в одном корпусе или в
разных.
Основная отличительная особенность машин
ударно-вращательного действия - наличие специально сконструированного
погружного ударного механизма - пневмоударника, перемещаемого в скважине вместе
с буровой коронкой и обеспечивающего ей внедрение в породу, в основном, за счет
ударов, в то время как у машин вращательно-ударного бурения ударный механизм
остается вместе с вращателем вне скважины и выполняет вспомогательную функцию
по отношению к основному - вращательному механизму.
В большинстве ударно-вращательных и
вращательно-ударных буровых машин ударные механизмы используют пневматическую
энергию, а вращательные и подающие - пневматическую, электрическую или
гидравлическую. Основные преимущества ударно-вращательных буровых машин -
сохранение энергии удара на буровой коронке независимо от глубины скважины и
возможность приложения к буровому инструменту большого крутящего момента. У
машин ударно-вращательного бурения, которые обычно применяют для бурения
глубоких эксплуатационных и разведочных скважин, ударным механизмом служит
погружной пневмоударник, которому через штанги передаются крутящий момент и
усилие подачи на забой.
Погружные пневмоударники по принципу работы
аналогичны перфораторам, но выполняются без встроенного поворотного устройства,
вращаются вместе со ставом штанг, вынесенным вращателем, и работают на
воздушно-водяной смеси, что значительно упрощает их конструкцию.
Воздухораспределение в пневмоударниках
осуществляется с помощью кольцевых клапанов, как и в пневматических
перфораторах, и с помощью золотников по схеме "золотник на поршне".
Вращение пневмоударника и подача его на забой
могут осуществляться вращателями и податчиками различного типа.
За рубежом погружные пневмоударники выпускаются
в Бельгии, Великобритании, Канаде, США, Франции, ФРГ, Японии. Особенности
пневмоударников зарубежных фирм - применение повышенного давления сжатого
воздуха и золотникового воздухораспределения по схеме "золотник на
поршне".
Машины вращательно-ударного бурения применяются
в основном при проведении выработок большого сечения для бурения шпуров и
скважин и по принципу действия аналогичны тяжелым колонковым перфораторам с
независимым вращением бурового инструмента. Необходимо отметить, что в
последние годы в СССР и за рубежом наблюдается стремление использовать машины
вращательно-ударного действия и для бурения эксплуатационных скважин. Основная
отличительная черта этих машин - большой крутящий момент, развиваемый так же
как и у машин ударно-вращательного бурения специальным вращателем, не зависящим
от ударного механизма.
Бурильная машина вращательно-ударного действия,
состоящая из вращательного и ударного механизмов, скомпонованных в одном
корпусе, называется бурильной головкой.
Головка БГА-1М состоит из шестеренного пневмодвигателя
с редуктором и ударного узла. Вращатель, осуществляющий независимое вращение
бура, состоит из пневмодвигателя и трех пар зубчатых колес, передающих крутящий
момент с помощью шпинделя хвостовику. Мощность шестеренного двигателя
составляет 1,2 кВт, передаточное число редуктора 34,4.
Вода на забой скважины подается через муфту
боковой, промывки 9, хвостовик 10 и буровые штанги.
Конструктивная схема бурильной головки БГА-1М
используется фирмой «Тарднер Денвер» (США) для своих перфораторов Р-1000 и
Р-2000.
Буровой инструмент машин вращательно-ударного
бурения состоит из буровых штанг диаметром 30-32 мм и буровых коронок. В
отличие от перфораторного бурения коронки, предназначенные для
вращательно-ударного бурения, имеют несимметричную заточку. При этом для
бурения мягких и ниже средней крепости пород передний угол заточки лезвия
принимается 10-15°, для крепких пород - 20-25°. Угол заточки задней грани
составляет 45-60°.
Для армирования коронок используют пластинки
металлокерамического твердого сплава ВК8В, ВК10КС и ВК11В.
Литература
Автоматизированная
система диагностики напряжённо - деформированного состояния горного массива. -
М.:МГГУ.2005.-76 с.: ил.
Аренс
В.Ж. Основы методологии горной науки: Учебное пособие для вузов. - М:
МГГУ.2003.-223 с.: ил.
Буровой
станок НКР-100М. практикум: Учебное пособие для вузов. - М.:МГГУ, 2006.-83 с.:
ил.
Гончаров
С.А. Физико-технические основы ресурсосбережения при разрушении горных пород
М.: МГГУ.-2007.-211 с.: ил.
Жаров
А.И. Закономерности геомеханических процессов при 44 с. бесцеликовых
технологических схемах.-2-е изд. стер. - М.:МГГУ,2007.-44 с.
Зайков
В.И. и Берлявский Г.П. Эксплуатация горных машин и оборудования: Учебник для
вузов. -4-е изд. - М.: МГГУ,2006-257 с.
Зайков
В.И. и Берлявский Г.П. Эксплуатация горных машин и оборудования: Учебник для
вузов. -3-е изд. - М.: МГГУ, 2001-257 с.
Макаров
А.Б. Практическая Геомеханика. Пособие для горных инженеров. - М.: Изд-во
«Горная книга», 2006.-391 с.: ил.
Основы
гонного дела: Учебник для вузов. -2-е изд. - М.: Изд-во МГУ, 2006.-408 с.
Перед
загл. авт.: Егоров П.В., Бобёр Е.А., Кузнецов Ю.Н., Косьминов Е.А., Решетов
С.Е., Красюк Н.Н.
Основы
гонного дела: Учебник для вузов. - М.: МГГУ,2003.-408 с.
Пучков
Л.А. О структуре горных наук. - М.: МГГУ, 1995.-24 с.
Пучков
Л.А. и Аюров В.Д. Синергетика горно-технологических процессов. -2-е изд.- М.:
Изд-во МГГУ, 2004.-204 с.