Рис. 1. Схема станка

Буровой снаряд подвешен на ударно-канатного бурения канате, который проходит через блок на мачте станка, оттяжной и направляющий блоки, и закрепляется на барабане. Оттяжной блок установлен на балансире, который под действием кривошипно-шатунного механизма, состоящего из шатуна и зубчатого колеса с кривошипом, может совершать колебания вокруг оси направляющего блока. При ходе балансира вниз буровой снаряд поднимается, а при ходе балансира вверх снаряд падает и ударяет по породе, разрушая ее.

По мере углубления скважины оттормаживают барабан 6 и сматывают канат, давая возможность буровому снаряду опускаться ниже.

Все станки ударно-канатного бурения имеют следующие основные узлы: раму, мачту, ходовой механизм (гусеничный), механическое и силовое оборудование и буровой инструмент. Принцип действия и конструкция основных узлов для всех станков аналогичны.

Высота падения (подъема) бурового снаряда составляет обычно 0,8—1 м. Поэтому число ударов не может быть выбрано произвольно и составляет 45—60 в минуту в зависимости от высоты подъема снаряда. Невысокая частота ударов ограничивает скорость бурения. Кроме того, при этом способе бурения на производительность станка существенно влияют и производственные трудности, связанные с доставкой к забоям воды и тяжелого бурового инструмента.

Длительный опыт использования станков канатно-ударного бурения показал, что они имеют низкую производительность (в среднем от 3 до 10 м в смену) и недостаточно эффективны. Поэтому в гидротехническом строительстве переходят к применению более прогрессивных типов бурильных станков, которыми являются станки вращательного и огневого бурения.

Станки вращательного бурения в зависимости от способа подачи бурового инструмента подразделяют на станки с рычажной, дифференциальной, гидравлической и рычажно-дифференциальной подачей. Проходка скважин станками вращательного бурения в значительной мере повышает скорость бурения по сравнению с бурением канатно-ударными станками. Такие станки с пневматической продувкой скважин и статическим осевым нажатием на буровой инструмент в 3—4 раза производительнее станков ударно-канатного бурения. Станки вращательного бурения применяют для бурения скважин диаметром от 300 мм в мягких, средних и крепких породах.

В настоящее время наша промышленность выпускает значительное количество различного типа станков для вращательного бурения. Наиболее распространенными из них являются станки шнекового бурения. Шнековое бурение аналогично бурению шпуров электросверлами. Наконечник бурового инструмента (резец) скалывает и сверлит породу, а образующаяся при этом мелочь удаляется шнековым устройством буровых штанг. Буровой инструмент вставляют в шпиндель редуктора, вращающий его со скоростью 120—300 об/мин пои осевом давлении 2—10 кн (200—1000 кГ).

На рис. 2 приведены общий вид и кинематическая схема станка вращательного бурения. Станок состоит из следующих частей: механизма передвижения, лебедки для подъема бурового инструмента, электродвигателя лебедки, рычагов управления блокировки и вращателя, состоящего из редуктора и электродвигателя.

Принцип действия станка показан на рис. 2, б. К вертикальной раме станка (не показанной на рисунке) при помощи каната приводной лебедки подвешивается на полиспасте рама подвески, которая может перемещаться по вертикальным стойкам рамы станка. На раме подвески расположены электродвигатель и двухступенчатый редуктор, к валу которого прикрепляется спиральная штанга с буровым инструментом, состоящим из буровой головки, а также хвостовиков и патронов для соединения штанг и буровой головки при помощи пальцев с шайбами. Рабочим органом является литая буровая головка с режущими лопастями и хвостовиком. Режущие кромки лопастей наплавляют твердым сплавом. Для бурения особо крепких пород буровая головка оснащается алмазами.

Рис. 2. Станок вращательного бурения
а — общий вид; б — кинематическая схема

Бурение скважины может продолжаться непрерывно только на глубину одной штанги, после чего двигатель вращателя выключают, штангу отсоединяют от шпинделя вращателя и лебедкой вращатель поднимают вверх. Инструмент наращивают новой штангой, присоединяют ее к вращателю, и бурение продолжается. Подача инструмента на забой происходит за счет силы тяжести вращателя, перемещающегося по направляющим мачты и штанг.

Характерным для станков шарошечного бурения является то, что шарошечные долота требуют значительно больших усилий подачи, чем обычные коронки вращательного бурения. Поэтому станки шарошечного бурения выполняют с гидравлическими механизмами подачи, так как вес вращателя и штанг недостаточен для создания необходимого усилия подачи.

При шарошечном бурении буровой инструмент состоит из буровых труб (штанг) и шарошечных долот. Наибольшее распространение получили трехшарошечные долота (рис. 169), в которых различают тело долота, три лапы с цапфами, шарико-роликовые опоры, три конические шарошки, запорный палец и промывочную плиту. Сжатый воздух для продувки поступает к опорам шарошек через центральный канал, образованный лапами, и, кроме того, через специальные каналы, проходящие через лапу. Для бурения наиболее крепких пород в конце шарошек вместо зубьев вставляют цилиндрики из твердых сплавов. В отдельных случаях буровые коронки армируют мелкими алмазами.

На рис. 4 приведен буровой самоходный станок вращательно-шарошечного бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 200 мм. Станок предназначен для бурения особо крепких пород. Основными частями станка являются гусеничный ходовой механизм, напорный механизм, мачта, механизм подачи штанг, компрессор, буровой став и гидродомкраты. Конструкцией станка предусмотрены автоматизация процесса бурения, подача бурового става на забой скважины, изменение величины осевого давления в зависимости от коэффициента крепости буровых пород. Наращивание и разборка става буровых штанг механизированы. Установка ставка в горизонттальное положение, подъем и опускание мачты, регулирование усилия нажатия на забой и управление патроном при перехвате штанг осуществляются при помощи гидравлической системы. Буровая мелочь удаляется сжатым воздухом при помощи установленных на станке двух компрессоров общей производительностью 18 MS/MUH. Скорость вращения долота регулируется в пределах 30—3000 об/мин при осевом давлении на забой скважины 19 т.

Рис. 3. Трехшарошечные долота

Станки вращательного бурения являются самоходными машинами на гусеничном или шагающем ходу. Кинематическая схема такого станка обычно

обеспечивает выполнение следующих основных операций:
а) вращения бурового инструмента;
б) регулирования его подачи (осевого нажатия на инструмент);
в) опускания и подъема инструмента и г) удаления из скважины продуктов бурения.

Оптимальный режим бурения определяется рациональным соотношением скорости вращения инструмента и величины осевого нажатия на него при оптимальной скорости удаления продуктов бурения из скважины. Поэтому вращательные станки должны обеспечивать различный режим бурения в соответствии с характером породы.

Рис. 4. Станок вращательно-шарошечного бурения

Основные параметры станков вращательного бурения — осевое давление, скорость вращения, расход сжатого воздуха и мощность, затрачиваемая на бурение, — определяются диаметром скважины и крепостью пород.

Наиболее эффективным способом удаления из скважины продуктов бурения является продувка скважин сжатым воздухом, скорость бурения при этом повышается на 10—25%, а в некоторых случаях на 50%.

Станки вращательного бурения по способу воздействия бурового инструмента на скважину могут рассматриваться как ударные и как режущие. Шарошечные долота получают вращательное движение и передают его на забой. Коронки долота при вращении передают на забой статическую нагрузку в виде осевого давления и работают как режущий или истирающий породы орган. Таким образом, при одинаковой кинематической схеме станка, обеспечивающей вращение инструмента, можно разрушать породу ударом или резанием.

Вращательное бурение более эффективно, чем ударно-канатное. Станки вращательного бурения более производительны, допускают возможность бурения горизонтальных и наклонных скважин, просты по конструкции и в обслуживании, меньше по весу и не требуют промывки скважин.

Средняя производительность станков вращательного бурения с пневматической продувкой скважин диаметром 180—200 мм составляет при бурении мягких пород 94 м/смену и при бурении твердых пород 216 м/смену. Для продувки скважин в различных породах в условиях рационального режима бурения при диаметре скважин до 200 мм необходимо 12—14 м3 воздуха в минуту, а для скважин диаметром 100—300 мм — от 28 до 30 м.

Повышение производительности вращательного бурения и его применение для крепких и весьма крепких пород стали возможными за счет использования мощных станков с большим (до 20— 30 г) осевым нажатием на долото и пневматической продувкой скважин. Осевое давление на буровой инструмент осуществляется при помощи гидравлических цилиндров или гидропривода с шестеренно-реечной передачей, размещаемого на подвеске станка совместно с приводом вращения бурового инструмента.

Скорость вращения бурового инструмента в современных станках регулируется гидравлической системой и в зависимости от режима работы станка колеблется в пределах 30—200 об/мин.

Станки огневого (термического) бурения в качестве рабочего органа имеют термобур с реактивной горелкой. Принцип действия термобура заключается в следующем. Распыленное при помощи центробежных форсунок жидкое топливо (бензин, керосин, дизельное топливо), смешиваясь в камере сгорания термобура с окислителем — газообразным кислородом, образует в результате сгорания газы, температура которых достигает 2500—3500 °С. Раскаленные газы, вырываясь из реактивного сопла с большой скоростью (1800 м/сек и более), ударяются в забой скважины и разрушают породу. Используемая для охлаждения камеры сгорания вода, превращаясь в пар, подхватывает и выносит из скважины частицы разрушенной породы.

Термический способ наиболее эффективен при бурении крепких пород с кристаллической структурой, которые лучше поддаются термическому воздействию, чем породы аморфные. С увеличением крепости кристаллических пород и уменьшением их трещинова-тости производительность агрегатов термического бурения возрастает.

Выпускаемый отечественной промышленностью станок термического бурения представляет собой самоходную буровую установку на гусеничном ходу. Для прожигания скважин используются жидкое топливо (нефть, керосин, бензин), газообразный кислород и вода.

На рис. 5, а приведена схема рабочего органа станка. Термобур состоит из подводящего устройства, разрезной переходника и огнеструйной горелки (рис. 171,6) являются корпус, днище с сопловым отверстием, чехол и башмак.

Рис. 5. Станок огневого бурения:
а — рабочий орган; б — горелка

В верхнюю часть форсунки подается кислород и керосин. Кислород из камеры форсунки, проходя по косым каналам завихрителя, направляется через узкий кольцевой зазор в верхнюю часть конического корпуса. В днище камеры сгорания расположены сопловые отверстия, каналы охлаждения и связанные с ними внутренние полости, служащие промежуточными водоприемниками. В коническом корпусе имеются отверстия для прохода охлаждающей воды.

Станок предназначен для бурения скважин в наиболее крепких и абразивных породах глубиной до 17 м и диаметром да 250 мм. Для бурения в трещиноватых, очень крепких породах применяют трехсопловые горелки. Средняя скорость прожигания составляет от 2,4 до 11 м/ч.

К недостаткам термического способа бурения следует отнести значительный расход кислорода и горючего, громоздкость установок и большой объем образующихся во Бремя работы газов и паров, что ограничивает применение этого способа бурения преимущественно на открыты» разработках.

При использовании станков термического бурения необходимо соответствующими приборами обеспечить контроль за процессом горения в реактивной горелке, а также за скоростью вращения и подачи бурового инструмента.

В табл. 1 приведены ориентировочные скорости бурения скважин бурильными станками различных типов.

Таблица 1.

Бурильные станки для бурения скважин должны иметь высокую производительность, быть самоходными, а также устойчивыми как при перемещении, так и в рабочем положении. Станок должен быть простым и надежным в работе, его механизмы должны допускать регулирование числа ударов или числа оборотов шпинделя, а термических станков — регулирование скорости вращения реактивной горелки. Все вращающиеся части станка должны быть защищены для безопасности обслуживания и доступны для осмотра и ремонта. Буровые работы требуют налаженного -компрессорного хозяйства, бурозаправочных станций, складов хранения взрывчатых .веществ и других подсобных цехов.

Разработка скальных пород с предварительным взрывом их представляет опасность для рабочих и населения. Эти работы производятся в строгом соответствии с установленными правилами техники безопасности и охраны труда. Место производства взрывных работ должно быть ограждено сигналами и оцеплено охраной, а для рабочих должны быть отведены безопасные укрытия.

—

Для бурения в горных породах шпуров и скважин применяют бурильные молотки (перфораторы) и буровые станки: ударно-канатного, вращательного, ударно-вращательного и термического бурения.

Бурильные молотки разрабатывают горную породу методом ударно-поворотного бурения. Разрушение породы производится последовательными ударами рабочего инструмента по дну скважины. После каждого удара инструмент поворачивается на небольшой угол, чем предотвращается его заклинивание и обеспечивается цилиндрическая форма сечения скважины.

Станки ударно-канатного бурения малопроизводительны, они применяются при бурении скважин диаметром до 250 мм и глубиной до 500 м. Бурение производится ударами свободно падающего бурового снаряда весом от 500 до 3000 кг. Удаление раздробленной породы из скважины производится гидравлическим способом. Станок ударно-канатного бурения имеет гусеничный или колесный ход, раму с двигателем и основными механизмами и стрелу с подвешенным рабочим оборудованием. При подготовке к бурению станок устанавливают горизонтально с помощью выносных домкратов. Ручной лебедкой складную стрелу длиной от 10 до 15 м поднимают в рабочее положение и закрепляют подкосами.

На рабочем барабане лебедки закреплен канат, огибающий направляющий блок и балансирный блок. С балансирного блока канат уходит на головной блок стрелы и за крепляется в канатном замке бурового инструмента. Со второго барабана лебедки сходит канат очистного инструмента, перекинутый через второй головной блок стрелы. Если передать вращение от двигателя на вал кривошипного механизма, то шатун заставит балансир совершать кача-тельное движение относительно оси блока. При заторможенном барабане рабочий канат балансирным блоком будет натягиваться, а буровой инструмент — подниматься. При каждом подъеме балансирного блока буровой инструмент наносит удар по породе. По мере разработки скважин для удлинения каната отпускают тормоз рабочего барабана.

В состав бурового инструмента входят канатный замок, при трещиноватых породах—буровые ножницы, ударная штанга и долото. Долото имеет вес от 50 до 300 кг и длину от 0,6 до 1,5 м. Рабочая поверхность выполняется однодолотчатой, крестовой или фасонной (звездчатой). Ударная штанга весом от 500 до 2000 кг и длиной от 5 до 10 м служит для увеличения силы удара бурового снаряда и имеет диаметр, несколько меньший диаметра долота. Канатный замок наиболее часто выполняется по схеме, обеспечивающей поворачивание бурового инструмента после каждого удара. Висящий на канате буровой инструмент растягивает канат и раскручивает его на незначительный угол. В конце удара канат ослабевает, и втулка с закрепленным в ней канатом 8 поворачивается в корпусе замка в обратную сторону.

Для удаления из скважины раздробленной породы в нее заливают воду и периодически очищают от образующейся смеси породы с водой (шлама). Очистным инструментом является желонка, спускаемая в скважину вторым барабаном лебедки после подъема бурового инструмента. Желонка, достигая дна скважины, заполняется снизу шламом. При подъеме желонки нижнее ее отверстие закрывается клапаном. Очистка скважины от шлама производится через 0,3—1 м проходки. Расход воды составляет от 25 до 60 л на 1 м длины скважины и устанавливается практически. Для ликвидации аварий, возникающих при развинчивании бурового снаряда или обрыве каната, применяют ловильные инструменты: ерши, колокола, клапаны, канаторезки и др. Производительность станков ударно-канатного бурения при разработке пород средней твердости при диаметре скважины приблизительно 200 мм может достигать 10—20 м в смену.

Рис. 6. Оборудование ударно-канатного бурения
а — схема станка; б — схема бурового снаряда; в — схема очистного инструмента

Станки вращательного бурения служат для бурения скважин диаметром до 200 мм и глубиной до 50 м. Бурение производится вращающейся коронкой буровой штанги, а удаление продуктов бурения — по спираль-ной канавке той же вращающейся штанги. Ускорение бурения достигается промывкой скважины водой или продувкой ее сжатым воздухом.

Станок вращательного бурения имеет раму, устанавливаемую на колесном, шагающем ходу или на полозьях, салазки с электродвигателем, редуктором и буровой штангой и ручную лебедку. Выходной вал редуктора (шпиндель) заканчивается переходной муфтой, в которой закрепляется буровая спиральная штанга, заканчивающаяся резцом-коронкой. Число оборотов буровой штанги 120—220 в минуту. Положение салазок при бурении породы регулируется ручной лебедкой. По мере увеличения глубины скважины буровую штангу отсоединяют от шпинделя и удлиняют с помощью переходных муфт. Для обеспечения заданного направления штанги служитг втулка.

При бурении средних по крепости пород производительность станков вращательного бурения составляет 40—80 м/смену.

При вращательном бурении в твердых породах применяют сменные трубчатые буры с коронкой, армированной алмазами или твердыми сплавами; применяются также двух- и трехшарошечные долота. При вращении штанги конические шарошки обкатывают дно скважины и измельчают породу зубьями. Буровая мелочь при шарошечном бурении удаляется из скважины сжатым воздухом или водой по сквозному каналу буровой штанги.

Термореактивная горелка состоит из трубы. в которую входят воздуховод к топливопровод с завихрителем и форсункой на конце. Для обеспечения горения в жаровой трубе имеются отверстия, через которые подается окислитель. Для формирования газовой струи служит сошло. В начале работы горелка устанавливается на разрабатываемую породу стойками ограничителя. Для защиты от нагретых газов и выбрасываемой измельченной породы служит направляющий кожух. Рабочим органом термического бурения является реактивная горелка, из которой со скоростью 1000—1500 м/сек вырывается газовая струя с температурой 800 — 1100 °С. Под действием быстро изменяющейся температуры горные породы расслаиваются и быстро разрушаются. Продукты разрушения пород выбрасываются из скважины газовым потоком. Для создания газовой реактивной струи высокой температуры требуется бензин (керосин), которого расходуется 70—100 г/мин, и окислитель — кислород или воздух (сжатый до 6 ат воздух используется при проходке скважин в мерзлых грунтах).

Рис. 7. Станок вращательного бурения

Работа горелки происходит при двух-пяти-кратном избытке воздуха по сравнению с необходимым для полного сгорания топлива. Скорость прожигания составляет: в песках 50, в глинах 20 и в гравийных грунтах 7 м3/ч.

Для бурения ям и установки столбов применяют буры-столбоставы на тракторах «Беларусь» и бурильно-крановые машины на автомобилях ГАЗ-63А и ЗИЛ-157. Диаметр шпуров от 500 до 1000 мм, а максимальная глубина бурения в пределах 1,7—3,5 м.

Рис. 8. Схема термореактивного бурения породы

Комплект буров универсальной бурильно-крановой машины, смонтированной на автомобиле ГАЗ-бЗА, позволяет бурить ямы диаметром 0,3; 0,5; 0,8 и 1 м. Механизмы бурения приводятся в действие от двигателя автомобиля через коробку отбора мощности, установленную на его раздаточном редукторе. Управление основными операциями при бурении гидравлическое. Установка машины в рабочее и перевод ее в транспортное положение