1 Инструмент для шарошечного бурения скважин
1.1 Понятие и технология шарошечного бурения
Шарошечным бурением называют один из методов устройства скважин с применением в качестве породоразрушающего инструмента - долота.
Метод очень широко распространен и используется для сооружения геологоразведочных, горнотехнических и эксплуатационных скважин. Особенно эффективно используется при больших диаметрах скважин.Шарошечное бурение скважинможет применяться при работе с породами разной твердости.
Технология шарошечного бурения
При проведении буровых работ данным способом порода дробится, разбивается зубьями шарошек, вращающихся с огромной скоростью на опорах долота, которое также вращается, ввинчиваясь с большой силой в грунтовый слой.
Основной рабочий орган шарошечного долота – конусообразная шарошка с расположенными на ее поверхности зубцами и штырями из твердых сплавов.
В местах контакта зубцов с грунтом возникает высокое напряжение, вследствие чего порода разрушается путем скалывания, раздавливания. Зубья шарошек делаются из твердосплавного сплава и могут выдерживать давление до 2000 кг/1 см2.
Существует много типов шарошечных долот. Выбор инструмента осуществляется с учетом условий работы – крепости, трещиноватости грунта, глубины шпура, конфигурации забоя и пр.
Для проведения доставки измельченной породы на поверхность применяют промывку, продувку, а также их комбинацию.
Для шарошечного бурения скважин эксплуатационных и поисково-разведочных применяют стационарное многоузловое оборудование. Для устройства горнотехнических шпуров пользуются передвижными или самоходными машинами.
Наиболее распространенным оборудованием является станок СШБ-250. Используется для создания вертикальных и наклонных шпуров в грунтах разной твердости.
Среди преимуществ оборудования – высокая скорость проходки, возможность создания глубоких скважин большого диаметра в грунтах с разными свойствами. К недостаткам можно отнести необходимость наращивания штанг, плохую производительность в обводненных породах и невысокую устойчивость
1.2 Классификация станков шарошечного бурения (СБШ)
Станки шарошечного бурения скважин, получили наибольшее распространение на карьерах в породах практически всех категорий крепости, технические характеристики шарошечных станков приведены в табл. 1, которые получили наибольшее распространение (более 80 % объема буровых работ) для бурения скважин диаметром 190-320 мм и глубиной до 35 м в породах с f = 6?16. Основные их достоинства – высокая производительность (150-200 м/смену), непрерывность процесса бурения, возможность его автоматизации, комфортные условия труда.
Станки вращательного бурения типа СБШ предназначены для бурения взрывных скважин на открытых горных разработках в сухих и обводненных, монолитных и трещиноватых породах. устанавливается компрессор для комбинированной шнеко-воздушной очистки скважины. Управление станком – из кабины, размещенной в передней части станка.
Таблица 1 - Технические характеристики шарошечных станков
Все станки шарошечного бурения можно классифицировать на три типоразмера по массе:
Легкие станки типа 2СБШ-200 предназначены для выполнения работ в карьерах, производительностью более 0,5 млн.м3 в год и для бурения пород с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f=6?14. При бурении этими станками наиболее эффективно применение долот диаметром 215,9 мм, однако в породах небольшой крепости используются также долота диаметром 244,5 мм.
Средние станки, из которых наиболее распространены СБШ-250МН, предназначены для применения на крупных карьерах (годовая производительность более 2,0 млн. м 3) для бурения пород практически всех категорий. Наиболее эффективны они в породах с коэффициентом крепости f=8?16. При бурении используются долота диаметром 244,5 мм, однако применяют также долота диаметром 269,9 мм.
Тяжелые станки (СБШ-320-36) предназначены для применения на очень крупных карьерах (годовая производительность более 5 млн. м 3 в год). Наиболее эффективно применение этих станков в породах с коэффициентом крепости f=14?20. В породах меньшей крепости себестоимость обуривания пород оказывается ниже у средних шарошечных станков. Для этих станков предназначены долота диаметром 320 мм.
Следует отметить, что станки 3СБШ-200-60 в основном применяются на угольных разрезах, а СБШ250МН на предприятиях черной и цветной металлургии, в том числе и на карьерах Мурунтау и Кокпатас Навоийского ГМК, карьерах Алмалыкского ГОК Республики Узбекистан. Из последних образцов российского оборудования следует отметить, что станок среднего типа СБШ-250/270-60 (РД-10), выпускаемый ОАО «Рудгормаш». Он имеет высоковольтное (6000 В) исполнение, большую длину и диаметр штанг и позволяет использовать более мощный компрессор и гусеничный ход.
Станки шарошечного бурения, как правило, состоят из следующих основных узлов (рис.1.): гусеничной ходовой части с индивидуальным приводом на каждую гyсеницу; платформы с машинным отделением, маслостанцией, компрессорной установкой и электрооборудованием; мачты с рабочим органом, состоящим из механизма вращения и подачи бурового става; механизма свинчивания-развинчивания буровых штанг; сепаратора или кассеты для штанг; пылеулавливающей установки; гидро- и пневмосистем.
Рисунок 1 - Схема станка шарошечного бурения
1 – кабина машиниста; 2 – передний гидродомкрат выравнивания станка;
3 – гидроцилиндр наклона мачты; 4 – гусеничные тележки;
5 – задний гидродомкрат выравнивания станка;
6 – телескопический подкос мачты; 7 – мачта; 8 – платформа.
Для удаления буровой мелочи из скважины и охлаждения шарошечного долота применяется сжатый воздух, нагнетаемый компрессором. Воздух поступает по гибкому шлангу в вертлюг, а затем по ставу буровых штанг проходит через долото, охлаждает его и, захватив буровую мелочь, выходит к устью скважины по зазору между стенкой скважины и штангой. На поверхности у устья скважины установлен пылеприемник, откуда воздух поступает на очистку в циклон. Мачта представляет собой сварную пространственную ферму. Подъем и опускание мачты осуществляется с помощью двух гидроцилиндров. Рабочее положение мачты вертикальное, транспортное – горизонтальное.
Перед бурением платформу станка устанавливают в горизонтальное положение с помощью трех или четырех гидродомкратов.
Таблица 2 – Технические характеристики шарошечных станков
Станок 5СБШ-200-36 является модернизированным вариантом выпускавшегося ранее станка 2СБШ-200Н и состоит из ходовой части типа УГ-60, платформы с двумя передними и одним задним гидродомкратами, машинного отделения, кабины, рабочего органа, гидро- и пневмосистем, пылеподавляющей или пылеулавливающей установки, мачты. Кассетирующее устройство крепится впереди мачты. Станок 3СБШ-200-60, также создан на базе 2СБШ-200Н, имеет патронный привод подачи, аналогичный приводу станка 5СБШ-200-36, однако в последних экземплярах гидропатрон заменен тремя выносными гидроцилиндрами; также имеет измененную конструкцию мачты, причем кассета располагается внутри мачты. Конструкция ходовой части – малоопорная, экскаваторного типа с литой рамой и встроенными редукторами. Управление двигателем вращения – от тиристорного привода имеется тиристорное управление пуском асинхронных двигателей хода.
Станок СБШ-250МН-32 имеет торцевую схему вращательно-подающего механизма и предназначен для бурения скважин диаметром 250 мм с осевым усилием 300 кН глубиной до 32 м в породах f=8?14. Горизонтирование станка осуществляется тремя домкратами. К основным конструктивным особенностям станка относятся: наличие верхнего привода вращения бурового става; непрерывная подача бурового става на длину 8 м; воздушно-водяная система пылеподавления; высокий уровень механизации вспомогательных операций при сборке-разборке бурового става.
Станок СБШ-320-36 предназначен для бурения скважин диаметром 320 мм глубиной до 36 м в породах с f=18. На раме расположено машинное отделение, в передней части которого размещены электрические шкафы управления, маслонасосная станция, блоки гидроаппаратуры, водяные насосы и другое вспомогательное оборудование, в задней части – два винтовых компрессора, а в нише хвостовой части станка – два кабельных барабана. Станок снабжен гусеничным ходом с индивидуальным приводом на каждую гусеницу.
Станок СБШ-250МНР предназначен для шарошечного бурения вертикальных взрывных скважин и последующего термического расширения их заряжаемой части в породах и рудах (f>12).
В качестве рабочего органа используют терморасширитель с огнеструйной горелкой воздушно-керосинового типа. Удлиненная мачта позволяет бурить скважины без наращивания штанг на уступах высотой до 17 м.
Из последних образцов российского оборудования следует отметить, что станок среднего типа СБШ-250/270-60 (РД-10), выпускаемый ОАО «Рудгормаш». Он имеет высоковольтное (6000 В) исполнение, большую длину и диаметр штанг и позволяет использовать более мощный компрессор и гусеничный ход. Данная модель станка является весьма перспективной, в которой воплощены последние разработки и современные тенденции развития бурового оборудования, направленные на гидрофикацию приводов основных узлов, что характерно для зарубежных производителей станков (мачта коробчатого сечения из квадратного профиля с открытой передней гранью, реечная подача, разделение кабины и машинного отделения и др).
2 Анализ конструкций и технологий изготовления шарошечных буровых долот
Первые долота с вращающимися шарошками не отличались высокой долговечностью и надежностью. Однако, несмотря на то, что в ранних конструкциях шарошечных долот, для крепления компонентов долота использовались шпильки и винты, они все равно превосходили по производительности лопастные долота. Для снижения трения использовали простые подшипники со стальными втулками и муфтами.
