Буры и головки буров

4. Буры и головки буров

Буры из углеродистой стали. Проблема совершенствования инструмента для бурения шпуров существовала всегда и особенно обострилась с увеличением мощности машин, силы удара на бур.

При применении буров из углеродистой стали для бурения шпуров в крепких породах расходовалось огромное количество буров.

При проведении выработок по крепким песчаникам в начале ХХ века на метр шпура расходовали от 11 до 23 буров, а на один шпур глубиной 0,4 м от 5 до 9 буров. При двухсменной работе забой такой выработки продвигали за месяц на 4 - 5 м из расчета в среднем 46 смен и до 92 выходов рабочих.

Чтобы уменьшить массу буров, регулярно доставляемых в забой и из забоя, увеличить стойкость буров и скорость бурения при традиционном использовании в горной промышленности США и Канады колонковых машин, там еще в двадцатых годах перешли на бурение съемными коронками из легированной стали. Уже было освоено производство твердого сплава "стеллит", изобретенного в 1907 г американцем Хайнес. В состав сплава входили кобальт, хром, вольфрам, кремний и др. Стеллит наплавлялся на рабочую поверхность резца.

Углеродистая сталь стала поступать на горные предприятия с содержанием углерода в пределах 0,7 - 0,95%, содержание марганца допускалось в ней в пределах 0,2 - 0,35%, для увеличения упругости буров в сталь добавлялся кремний в количестве 0,1 - 0,2% и не допускалось содержание фосфора и серы более 0,5%. Улучшилась, как он отмечает, обработка центрального канала бура, он стал более гладким. В американской практике диаметр центрального отверстия был принят 6,3 мм и 7,9 мм. Длина прутков стали для буров принята 6 - 8 м.

Большое внимание в этот период уделялось технологии заправки буров на специальных станках горячей ковки с последующими процессами закалки и отпуска металла головки и хвостовика буров, выбору рациональных параметров головки бура. Так, утверждается , что качественная закалка и заправка уменьшает затупляемость бура в 5 раз, а производительность бурения увеличивается почти в два раза .

С внедрением бурозаправочных станков (Рис. 5) была снижена острота проблемы заправки буров. При ручной заправке буров кузнец с подручным, имея в своем распоряжении горн, наковальню и ванну для закалки буров, заправляли за смену 60 - 100 буров. На бурозаправочном станке типа Лейнера фирмы Ингерсоль-Ранд в смену заправляли 250 - 350 буров.

Рис. 5.

Стандартной головкой считалась крестовая форма головки с углом приострения лезвий от 90 до 1050 в зависимости от крепости породы. Толщина пера лезвия рекомендовалась не менее 13 мм при диаметре штанги бура 22 - 25 мм и 16 мм при диаметре буровой стали 32 мм.

Съемные коронки в этот период применялись как крестовые, так и трехперые, долотчатые и даже шестиперые, а буровая сталь в сечении: круглая, гексагональная, ортогональная, крестообразная, от ⅞ до 1¼ in (от 22,2 до 31,75 мм) в диаметре.

Следующим крупным шагом решения проблемы совершенствования конструкции буров было применение карбидо-вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов.

Сплав Видиа наиболее успешно применялся при вращательном бурении. Отмечается, что в 1932 г. одной коронкой диаметром 200 - 300 мм, армированной таким сплавом, пробурили скважину по углю длиной 95 м.

3. Давление сжатого воздуха, подаваемого в перфоратор

Характеристика энергии сжатого воздуха, подаваемой для бурения шпуров в забой, в значительной степени влияют на производительность процесса бурения. От давления сжатого воздуха, подаваемого в забой, в прямой зависимости растет чистая скорость бурения перфоратором.

Первые конструкции перфораторов, получивших применение во второй половине Х1Х века, работали в основном на давлении сжатого воздуха до 5 атм. Упоминавшаяся нами выше одна из первых конструкций перфораторов Шумана работала на сжатом воздухе с рабочим давлением всего в 2 атм., что считалось одним из её преимуществ при эксплуатации.

Тем не менее, к концу Х1Х века уже ставился вопрос о бурении перфораторами с повышенным давлением сжатого воздуха, как одного из факторов увеличения чистой скорости бурения , но в то же время отмечалось, что подавать в забой сжатый воздух с повышенным давлением экономически не целесообразно.

В ХХ веке перфораторы изготавливались с расчетом подачи в них при бурении сжатого воздуха с давлением 5 атм.

Степень увеличения чистой скорости бурения ручным перфоратором коронкой диаметром 53 мм характеризуется следующими коэффициентами :

Давление сжатого воздуха у забоя, Н/м2*105 5  6 7 8 9 10 11

Относительный коэффициент скорости бурения 1,0 1,27 1,46 1,59 1,64 1,67 1,7

Скорость бурения колонковыми перфораторами также увеличивается в среднем в 1,5 раза с повышением давления сжатого воздуха у забоя с 5*105 до 7*105 Н/м2 (с 5 до 7 атм.).

Кроме увеличения чистой скорости бурения, при повышении давления сжатого воздуха снижается его расход на 1 м³ отбитой горной массы и удельный расход буровой стали, работа перфоратора характеризуется устойчивостью режима, резкими ритмичными ударами поршня, равномерным вращением бура.

Однако при имеющемся в тот период техническом оснащении с повышением давления сжатого воздуха у забоя выше 8 атм. наблюдались отрицательные стороны: перфораторы, шланги, буры при таком давлении не выдерживали длительной работы, машины быстро перегревались, буры ломались, шланги лопались. Увеличивался шум в забое и вибрации, отрицательно влияющие на организм человека.

Очевидно для перехода на бурение с давлением сжатого воздуха выше 8 атм. необходимо коренное переоборудование пневматического хозяйства, переход на более экономичные при высоком давлении компрессоры, высокопрочные трубопроводы и шланги, перфораторы, буры и коронки, рассчитанные на работу с высоким давлением сжатого воздуха. По существу для перехода на бурение с высокими параметрами сжатого воздуха необходимо создание новой технологии и производства оборудования. Поэтому, как считается в конце ХХ века, экономически оправданным повышение давления сжатого воздуха у забоя до 7 - 8 атм.

Заключение

Технический прогресс в технологии проведения тоннелей и других горных выработок буровзрывным способом в крепких породах в Х1Х и ХХ столетиях практически целиком зависел от совершенствования бурения шпуров (скважин).

В результате совершенствования технических средств за все периоды развития технологии производитеьность бурильщика (оператора) возросла в сотни и тысячи раз.

Характерной особенностью в истории развития технологии является скачкообразное изменение отдельных параметров процесса бурения и, соответственно, его производительности.

Первый существенный скачок производительности бурения произошел в Х1Х века после изобретения и внедрения в практику поршневых перфораторов. В двадцатых годах ХХ века значительный скачкообразный рост параметров процесса бурения произошел за счет применения колонковых Лейнеровского типа перфораторов, съемных коронок бура и твердых сплавов, рамных и стреловидных кареток, а в конце 40-х годов - гидравлических кареток. В начале шестидесятых годов революционное изменение параметров процесса бурения произошло при внедрении в практику гидравлических перфораторов. Скачек чистой скорости бурения гранита характеризуется, в частности, увеличенм этого параметра с 0,6-0,8 до 1-1,2 м/мин, а в дальнейшем до 3-3,5 м/мин.

При внедрении гидравлических полуавтоматических кареток время перехода от бурения одного шпура к другому сократилось с 2 мин до 6-10 с. (12-20 раз).

За весь период развития технологии наблюдалась устойчивая тенденция замены тяжелого ручного труда на механизированный, облегчения условий труда бурильщика (оператора).

Применение гидравлических кареток, увеличение глубины шпуров, подачи на эту глубину без операции замены бура и резкое повышение производительности бурения с кареток позволило перейти изобретателям и конструкторам на решение проблемы автоматизации процесса бурения.

Эта проблема начала активно решаться практически сразу с появлением на рынке первых ГП. В начале 80-х годов произошло соединение в бурильной установке гидравлики и компьютера.

Автоматические каретки успешно использовались при проведении тоннелей и на рудниках.

Автоматизация процесса бурения шпуров открывает широкие перспективы совершенствования технологии буровзрывных работ. Она ведет к освобождению оператора от рутинного постоянного наблюдения за работой машины, к повышению уровня безопасности труда и, в перспективе, выводу бурильщика из забоя, бурению забоя без присутствия в нем человека.

При бурении с автоматических установок с компьютером на борту растет производительность бурения и бурильщика.

Используемая литература

1.         Каннегисер И.С. Туннельные работы. СПБ: вып.1. Общие туннельные работы. 1899. - 96 с., 218 илл.

2.         Алямский А.М. Бурение при разработке рудных месторождений.М,-Л.-Новосибирск:Гос.научно-техн.изд., 1933.- 80 с.

3.         Вовк А.А.Взрыв. Киев: Наукова думка, 1979.- 176 с.

4.         Трушков Н.И. О скорости прохождения штреков. // Горный журнал, 1913, N 1-2, Раздел "Горное и заводское дело". С. - 1 - 39.

5.         Аристов А.И. Проведение горизонтальных подготовительных выработок на металлических рудниках. М.-Грозный-Л.-Новосибирск. 1934. - 284 с.

6.         Пневматические машины ударного действия для проходки скважин и шпуров. Новосибирск: Наука, 1980. - 216 с.

7.         Федотов А.Н., Король Л.Б. Перфораторы на пневмоподдержках. М.:Недра, 1965. - 220 с.

8.         Скоростная проходка дренажного тоннеля (реф. из "Eng. and Min. J.", 1939, N 12, p.34). // Новости техники, 1940, N 13 - 14. - С. 31 - 32.

9.         Справочник по каменоугольному делу. Горные работы и крепление. / Ред.проф.А.А.Скочинского. Харьков: Донуголь, 1928. - 336 с.

10.      Крестьянинов С.П. Американские перфораторы в горно-рудном деле. М.-Л.: Гос.научно-техн.изд., 1931. - 100 с.