Файл: Эстеров, Я. Х. Буровзрывные работы на транспортном строительстве учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 0
носит циклический характер, критические напряжения возникают последовательно в каждом очередном слое.
. При перфораторном бурении рабочий орган остается на поверх ности, а с углублением шпура увеличиваются потери энергии, переда ваемой долоту через штангу, и уменьшается скорость бурения. Одна ко передача удара может быть осуществлена путем возбуждаемых при соударении действующих масс ударника и элементов составной штанги волновых процессов. В таких случаях при бурении в хрупких породах потери энергии будут минимальны.
При пневмоударном бурении скважин рабочий механизм находится в конце штанги, у забоя, и продвигается в скважине по мере ее углуб ления. Энергия удара передается от ударника породоразрушающему инструменту в количестве, практически не зависимом от глубины скважины.
Работу указанных пневматических бурильных механизмов, не смотря на описанные различия в их конструкции и способах передачи энергии удара, характеризует один и тот же принцип внедрения ин струмента в породу —- динамический удар и одинаковые факторы, опре деляющие эффективность бурения: величина энергии удара и скорость' движущейся массы поршня и штока в момент удара; число ударов штока поршня в минуту; скорость вращения бура и крутящий момент, раз виваемый механизмом поворота; давление и расход сжатого воздуха.
Пневмоударные бурильные механизмы имеют небольшие размеры, что ограничивает также массу т движущихся и ударяющих частей. Увеличение энергии удара в них достигается за счет большой скорости v движения поршня в момент удара. При этом число ударов штока доведено до 1800—2600 в минуту (в высокочастотных машинах до 3000 ударов в минуту и более).
Вращательному действию бура при пневмоударном -бурении отво дится вспомогательная роль. Углубление инструмента в забой проис ходит только при ударе по породе. При повороте после внедрения в по роду прижатого к забою лезвия долота происходит некоторый его подъем на неразрушенный участок без отрыва от забоя. Это позволяет несколько увеличить, угол поворота (окружную скорость) инструмента по сравнению с принимаемыми при перфораторном бурении и снизить число ударов бура за один оборот при неизменной эффективности бурения.
Угол приострения (заточки) инструмента оказывает значительное влияние на эффект разрушения. В тех случаях, когда он меньше угла, образующегося в породе скола, инструмент погружается глубже, скалы ваемые частицы имеют более крупные размеры, коэффициент полез ного действия бура повышается. То же происходит в хрупких породах с малым коэффициентом вязкости.
Исследования работы бурильных машин показывают, что повы шение давления сжатого воздуха с 7 до 10—12 кгс/см3 увеличивает скорость бурения.в 2 раза.
Увеличение работы удара в бурильных машинах практически пря мо пропорционально давлению Р сжатого воздуха и в некоторых пределах увеличивает пропорционально объем разрушаемой породы.
ч' |
21 |
Если принять работу удара при давлении воздуха 5 кгс/см2 за единицу, то при давлениях Р, равных 4; 5; 6; 7 и 8 кгс/см2, величина работы будет увеличена соответственно в 0,8; 1; 1,2; 1,4; 1,6 раза. Из этого вытекает, что у пневмоударного и перфораторного способов бурения имеются значительные резервы для увеличения скорости при работе с повышенным давлением воздуха.
При повышенных скоростях работы ударника (более 2000 уд/мин) эффект разрушения породы за один удар снижается.
Для обычных ручных перфораторов, у которых поворот бура про исходит только после нанесения удара по забою (зависимое вращение), с некоторого незначительного увеличения осевого давления скорость бурения снижается. При работе ударников с независимым вращением от числа ударов и момента их нанесения скорость бурения с увеличе нием осевого давления до некоторой величины, зависящей от крутя щего момента, увеличивается.
Диаметр d долота или коронки оказывает влияние на скорость буре ния w6 по следующему закону, установленному опытным путем:
В приведенном выражении величина об1 соответствует диаметру d 1, а пб2— диаметру d 2. Величина п изменяется в пределах от 1,5 до 2,5 при перфораторном бурении-(в зависимости от свойств породы, энергии удара и степени затупления инструмента) и п ^ 2 при бурении пневмоударниками.
В настоящее время в транспортном строительстве широко применяют станки для пневмоударного бурения типов БМК-4, СБМК-5, 1СБУ-125 и пневмоударники к ним МП-3, П-125, а также установки типа «Урал-64» и пневмоударники к ним М-32К-
Из выпускаемых ручных перфораторов для работ на открытой по верхности наиболее удобны перфораторы марок ПР30С, ПРЗО и ПР20Л.
Закономерности шарошечного бурения
Если стальной цилиндр С с зубцами 1, 2, 3, ..., 8 (рис. 4, а) катать по поверхности ал породы, оказывая давление Р на ось 0, достаточное для внедрения, зубца в породу, то при достижении каждым зубцом по верхности породы он будет ударом и давлением вызывать разрушение в зоне соприкосновения и скол частиц породы по образующим вб, дг, же и т. д. При определенном размещении зубцов по образующей цилиндра можно получить сплошное разрушение поверхности породы по линии гм. Такой цилиндр может служить схемой цилиндрического шарошечного инструмента, а принцип разрушения породы характе ризует шарошечное бурение.
Для того чтобы ограничить площадь разрушения породы сечением скважин, буровую головку (шарошечное долото) выполняют состав ной. В качестве породоразрушающей части в долоте используют метал лические конусообразные тела E,F (рис, 4, б), называемые шарошками,
CL) |
б) |
Рис. 4. Схема шарошки:
а— цилиндрической; 6 — конической
сзубцами или штырями в виде цилиндров, один конец которых имеет сферическую форму. При катании такая шарошка поворачивается во круг оси тп, обрабатывая зубцами площадь 5 круга с радиусом, рав ным длине образующей конуса.
Опытом установлено, что скорость шарошечного бурения в преде лах практически применяемых осевых давлений Р прямо пропорцио нальна осевому давлению. Для эффективного бурения величина этого давления должна превосходить сопротивление породы сжатию по площади контакта долота с породой и составлять 600—800 кгс/см при бурении зубчатыми и 800—1200 кгс/см при бурении штыревыми долотами в зависимости от свойств породы и диаметра долота. Во всех случаях осевое давление должно быть не менее 400 кгс на 1 см диамет- ' ра долота. При постоянных осевом давлении и расходе воздуха ско рость бурения vm с увеличением скорости вращения бурового става до 60—100 об/мин увеличивается. Дальнейшее повышение скорости вращения долота не дает практически прироста скорости бурения.
Скорость бурения достигает максимума в том случае, когда зубцы при катании шарошки не попадают в одни и те же точки забоя, не переизмельчают частицы разрушенной породы, а достигают чистой поверх ности забоя скважины. Таким образом, на скорость бурения vm вли яет также конструкция долота и шарошек. Для соблюдения указан ных условий необходимо также, чтобы продукты бурения быстро удаля
лись из забоя.
Хорошо удаляет буровой шлам струя сжатого воздуха, поступаю щая в забой через отверстие в шарошечном долоте. Вынос продуктов бурения из скважины происходит за счет большой плотности восхо дящего потока воздуха. Увеличение подачи воздуха в 2 раза по срав нению с практикуемой в дорожном строительстве (8—10 м3/мин для скважин диаметром 150 мм) увеличивает скорость бурения в 1,8— 2 раза при прочих неизменных параметрах бурения. Объясняется это существенным улучшением очистки забоя скважины. При бурении
23 '
скважйн различного диаметра высокие скорости могут быть обеспечены при расходах сжатого воздуха, указанных в табл. 5, и давлении 5— 6 кгс/см2.
Т а б л и ц а 5
Величины параметров при расходах сж атого
Наименование параметров |
|
|
воздуха, м а/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6— 8 |
9 —10 |
12—15 |
18 |
|
20* |
Диаметр долота, мм . . . . . |
76 |
112 |
145' |
190 |
' |
214 |
Диаметр буровых штанг, мм . |
58 |
90 |
108 и 114 |
152 |
170 |
Из данных табл. 5 следует, что требуемый расход воздуха прибли зительно прямо пропорционален диаметру долота в пределах приведен ных величин диаметров.
Просвет между буровой штангой и стенками скважины должен быть небольшим, но достаточным для свободного прохода частиц породы крупностью от 5 до 15 мм и иметь запас от 4 до 12 мм на износ шаро шечного долота по контуру и сужение при этом скважины в диаметре. Этот запас зависит от диаметра долота. Обычно просвет составляет
8—25 мм.
Воздух, подаваемый в скважину через долото для удаления продук тов бурения,имеет еще одно важное назначение —■охлаждение породо разрушающего инструмента, без чего бурение было бы практически невозможно.
Скорость шарошечного бурения ош.б (мм/мин), как и вращатель ного, может быть отределена из выражения
um.e = h-n>
где h — средняя высота слоя породы, разрушаемого за один оборот долота, мм;
п — число оборотов бурового инструмента в минуту.
По отмеченной ранее закономерности шарошечного бурения вели чина h может быть определена по формуле
h = кшР о,
где кш — коэффициент эффективности бурения, зависящий от свойств породы, объема расходуемого воздуха и конструкции долота, определяемый опытным путем в данных условиях.
Оптимальные показатели режима бурения устанавливают по эко номическому фактору. Сумма стоимости машино-смен работы буровой машины, отнесенная на 1 м скважины, и стоимости инструмента, рас ходуемого на 1 м скважины, должна быть минимальна. Стоимость ма- шино-смены буровой машины и инструмента принимают по прейску ранту, а производительность машины в смену и стойкость долота для расчета затрат на 1 пог. м скважины определяют по данным бурения.
24 |
- |
Шарошечное бурение в транспортном строительстве ведут с приме нением машин БТС-150 и БТС-75 (преимущественно при сооружении железных и автомобильных дорог) и 2СБШ-200 и 2СБШ-200Н (в карь ерах щебзаводов).
Механизм разрушения породы при ударно-вращательном бурении
Осевое давление инструмента при ударно-вращательном способе бурения либо превосходит в отличие от давления при вращательном бурении сопротивление породы смятию под рабочей кромкой лезвия, либо достаточно для удержания инструмента при срезе слоя породы в уровне выкола. Поэтому глубина внедрения инструмента в породу увеличивается с каждым динамическим ударом (рис. 5). Эффект разру шения при этом больше, чем при простом суммировании разрушений от ударного и вращательного бурения.
Для вращения бура при этом необходимо значительно большее удельное окружное усилие. Внедрение инструмента в породу проис ходит со скоростью 0,3—0,5 м/мин и более.
Удельное давление лезвия на породу в забое скважины, отнесенное на единицу его длины, достигает при ударно-вращательном бурении 30 кгс/мм против 4—6 кгс/мм при пневмоударном бурении, что обес печивает постоянный контакт лезвия инструмента с породой.
Для пород ниже средней и средней крепости (VI и VII группы) такое давление инструмента с заостренным лезвием является разру шающим.
Вследствие высокого давления и большой частоты ударов (2000—4000 ударов в минуту) скорость при ударно-вращательном бу
рении шпуров достигает в слан |
б) |
цах 1,5—2, в песчаниках 1—1,5 |
|
и гранитах 0,3—0,5 м/мин. |
|
Сложное воздействие на по |
|
роду при ударно-вращательном |
|
Рис. 5. Схема внедрения инстру |
Рис. 6. Буровые коронки (до |
мента в породу при ударно-вра |
лота) для ударно-вращательно |
щательном бурении: |
го бурения: |
/ — направление осевого усилия'; Ч — |
а — двухперая; б — трехперая |
направление вращательного усилия |
|
25
бурении предъявляет определенные требования к форме и стойкости рабочего инструмента. Он должен быть в достаточной мере эффектив ным и износостойким как при ударном, так и при вращательно-режу щем внедрении в породу. Таким требованиям в значительной мере отве чают буровые долота (коронки), имеющие сравнительно малый угол приострения (70—80°), биссектриса которого отклонена от оси бура на 15—20° (рис. 6). Однако даже применение специального инструмен та не позволяет пока достигнуть высоких технико-экономических пока зателей при бурении шпуров и скважин этим способом в крепких поро дах (IX и X групп).
Принцип ударно-вращательного бурения. наиболее полно реали зован в буровых машинах типа СБУ-2, предназначенных для бурения шпуров длиной до 3 м в подземных условиях.
Созданная ЦНИИСом и Главстроймеханизацией Минтрансстроя буровая машина БТС-75 позволяет реализовать ударно-вращательное бурение шпуров и скважин также и в дорожном строительстве.
Гл ава (II
СРЕДСТВА ДЛЯ БУРЕНИЯ
§8. МАШИНЫ ДЛЯ ШАРОШЕЧНОГО БУРЕНИЯ
Втранспортном строительстве для шарошечного бурения применяют машины БТС-150 и 2СБШ-200. Такое бурение может выполняться так же с применением универсальных буровых машин БТС-75 и БТСМ.
Машина БТС-150 является усовершенствованной моделью первой
внашей стране шарошечной машины БТС-2 для бурения скважин при разработке скальных выемок, созданной ЦНИИсом и Главстроймеханизацией Минтрансстроя с участием треста Трансвзрывпром.
Буровая машина БТС-150 наиболее распространена в транспортном строительстве. Она представляет собой комплекс навесного оборудова ния на тракторе Т-100М (рис. 7), а в варианте 1974 г. — на тракторе Т-130.
Основой навесного оборудования служит рама в виде сложной фер
мы 3, шарнирно опирающаяся на задние кронштейны 6 на раме тележ ки трактора и на кронштейны 1 переднего домкрата 2. В верхней части
косновной раме 3 шарнирно прикреплена буровая рама 5, положение
впространстве которой можно изменять при помощи гидроцилиндров 4 наклона, закрепленных на той же раме.
На буровой раме 5 помещается вращатель 7 с гидроцилиндром подачи става, левым 9 и правым редукторами привода, представляю
Рис. 7. Общий вид буровой машины БТС-150:
а — сбоку; б — со стороны рабочего органа
27