Бурильные машины

Для машинного бурения шпуров применяют компактные транспортабельные бурильные машины сравнительно небольшой мощности; эти их особенности обеспечивают удобство эксплуатации бурильных машин в горных выработках. В условиях разведки месторождений они также облегчают транспортировку оборудования к месту производства горных работ и позволяют проводить последние при недостаточной энерговооруженности ГРП.
Бурильные машины оборудуются преимущественно электрическими и пневматическими приводами; некоторые конструкции имеют бензиновые моторы.
Электрические бурильные машины. По сравнению с пневмоприводом электропривод бурильных машин имеет целый ряд существенных преимуществ, главными из которых являются следующие: электрическая энергия в несколько раз дешевле пневматической, коэффициент полезного действия электрических машин значительно выше, чем пневматических, комплект энергетического оборудования и транспортировки энергии в забой горной выработки при электроприводе проще и надежнее. Однако до настоящего времени наиболее надежны, легки, просты и безопасны в эксплуатации только электрические бурильные машины вращательного бурения; неоднократные попытки создать эффективную электрическую бурильную машину ударного действия не увенчались успехом. Поэтому электрические бурильные машины преимущественно применяют для бурения шпуров в породах средней и нижесредней крепости.
Вращательные электрические машины называются электросверлами. Разрушение породы при бурении шпуров электросверлами обеспечивается вращающимся и прижимаемым к забою породоразрушающим инструментом, оснащенным резцами. Им же транспортируют из шпура буровую мелочь, для чего буровую штангу изготовляют из витой стали, которая при вращении, работая по принципу шнека,, перемещает буровую мелочь от забоя шпура к его устью.
По массе и мощности электродвигателей электросверла разделяют на ручные и колонковые. Бурение шпуров ручным сверлом производится с рук; масса ручных электросверл составляет от 12 до 21 кг, эффективная мощность на валу электромотора — от 0,9 до 1,4 кВт. Колонковые электросверла, имеющие более значительную массу (100—120 кг) и мощность (2,5—3 кВт), монтируют для бурения шпуров на -специальных распорных колонках, устанавливаемых в забоях горных выработок.
Конструкция электросверл. Ручные электросверла предназначаются для бурения горизонтальных, наклонных и вертикальных шпуров в породах нижесредней крепости (IV—X категорий по буримости).
Наибольшее распространение ручные электросверла получили на угольных шахтах. Использование их при горноразведочных работах обеспечивает достижение значительного эффекта — они удобны в эксплуатации и экономичны.
Одна из конструкций ручного электросверла представлена на рис. 12. Основными частями электросверла являются электродвигатель 1, редуктор 2 и выключатель 3. Электродвигатель заключен в легкий алюминиевый корпус, причем статор его впрессован в этот корпус, а ротор установлен на двух шарикоподшипниках. На одном из концов вала ротора насажена шестерня редуктора, на другом — вентилятор, предназначенный для охлаждения электродвигателя. Редуктор сверла, состоящий из двух пар цилиндрических шестерен, подшипника и шпинделя, заключен в алюминиевый корпус, монтируемый на передней части корпуса электродвигателя. К задней части корпуса электродвигателя крепится алюминиевый колпак, закрывающий вентилятор и снабженный изолирующим полихлорвиниловым покрытием. Выключатель электросверла смонтирован в отдельной небольшой камере корпуса электродвигателя. Электроэнергия к сверлу подводится по гибкому кабелю.

При бурении шпуров простейшими конструкциями электросверл осевое давление на забой осуществляется вручную. В более сложных конструкциях ручных электросверл имеется механизм принудительной подачи на забой (рис. 13). При этом в забое выработки устанавливается легкая винтовая распорная колонка, к которой прицепляется тросик, наматываемый в процессе бурения на барабан механизма подачи сверла.

Для бурения в выработках, опасных по метану, используются электросверла с дистанционным управлением. Уменьшение-массы ручных электросверл достигается в некоторых конструкциях за счет использования высокочастотных электродвигателей (150 периодов/с). Для питания этих сверл в сеть тока промышленной частоты (50 периодов/с) включаются преобразователи-частоты.
Колонковые электросверла. Более мощные по сравнению с ручными — колонковые электросверла предназначаются для бурения горизонтальных и наклонных шпуров преимущественно в породах средней крепости (VIII—XIV категорий по буримости). При горноразведочных работах колонковые электросверла применяются реже, так как они не удобны для бурения в выработках небольшого сечения.
Отличительными особенностями колонковых электросверл являются: наличие приспособления для установки сверла на колонке, увеличенная мощность электродвигателя, наличие механической или гидравлической подачи бура на забой, большая масса и усиленная конструкция всех рабочих деталей.
Важным преимуществом колонкового сверла является возможность изменения скоростей вращения шпинделя с использованием переключателя скоростей. Дополнительные изменения чисел оборотов шпинделя могут достигаться при смене шестерен редуктора. Все узлы сверла смонтированы в общем корпусе.
За последние годы создан ряд конструкций колонковых электросверл с гидравлической подачей. У этих сверл скорость подачи шпинделя не зависит от числа его оборотов, что является существенным преимуществом.
Основными частями колонкового электросверла с гидравлической подачей являются: электродвигатель, редуктор и привод с гидравлической системой подачи шпинделя. Осевое перемещение шпинделя осуществляется с помощью гидроцилиндров. Технические характеристики электросверл приведены в табл. 4.

Пневматические бурильные машины. Пневматические сверла применяют главным образом на угольных шахтах. Для бурения шпуров в мягких породах используют пневматические сверла СР-3 и СР-3М; в более крепких породах с коэффициентом крепости 6 рекомендуется применять пневматические сверла СР-3Б, укрепляемые на пневмоподдержках. Масса пневмосверл составляет 13—16,5 кг, мощность 3,5 л. с., расход сжатого воздуха 3,5 м3/мин.
Широко используются при горных работах пневматические бурильные машины ударного действия, называемые бурильными молотками или чаще перфораторами. Перфораторы предназначены для бурения шпуров в породах различной крепости, однако перфораторное бурение в породах малой крепости менее эффективно по сравнению с бурением электросверлами — оно дороже и малопроизводительно. При бурении шпуров в крепких и весьма крепких породах перфораторы до настоящего времени остаются незаменимыми бурильными машинами.
В процессе бурения перфораторы сообщают породоразрушающему инструменту поступательно-возвратное движение; после каждого удара породоразрушающего инструмента по забою шпура он при обратном движении поворачивается вокруг оси на определенный угол. В отличие от вращательного, при перфораторном бурении для удаления бурового шлама используется промывка или отсос воздуха из шпура. Перфораторы разделяют на три типа: ручные, колонковые и телескопные.
Бурение ручными перфораторами, имеющими массу от 22 до 30 кг, производится или с рук, или чаще с простейших устройств, называемых поддержками или подставками. Ручные перфораторы предназначены для бурения шпуров в любом направлении: тяжелые ручные перфораторы применяют для бурения нисходящих шпуров.
Масса колонковых перфораторов меняется в пределах от 50 до 100 кг, для бурения они устанавливаются на распорных колонках, стрелах специальных буровых установок и кареток или на установочных устройствах, монтируемых на погрузочных машинах и называемых, манипуляторами. Колонковые перфораторы, предназначены для бурения в крепких породах преимущественно горизонтальных и слабонаклонных шпуров.
По массе телескопные перфораторы занимают промежуточное положение между ручными и колонковыми (35—60 кг). Особенностью их конструкции является объединение молотка с пневматическим поршневым податчиком, служащим одновременно и установочным устройством. Телескопные перфораторы предназначены для бурения восстающих шпуров, направленных под углом 60—90° к горизонту, в крепких и средней крепости породах.
По частоте ударов различают обычные перфораторы, обеспечивающие до 2000 ударов в минуту, и быстроударные (высокочастотные) с числом ударов более 2000 в минуту. При равных весовых категориях мощность и производительность высокочастотных перфораторов выше, чем у обычных.
Схемы устройства перфораторов различных типов в. принципе аналогичны (рис. 14).

Сжатый воздух через пусковой кран 1 попадает в воздухораспределительное устройство 3 и оттуда по каналам, изображенным на схеме пунктирными стрелками, проходит попеременно то в рабочую (левую по отношению к поршню), то в холостую (правую) полость цилиндра 4. Под давлением воздуха поршень 5 совершает поступательно-возвратные движения. В конце поступательного движения (рабочего хода) поршень своим штоком ударяет по хвостовику бура 6. Отработанный воздух из рабочей полости выходит в атмосферу через одно из отверстий 8. Под давлением сжатого воздуха, поступившего в правую полость цилиндра, поршень совершает возвратное движение, поворачивая при этом бур вокруг оси; отработанный воздух из правой полости выходит в атмосферу через правое отверстие 8. Механизм поворота поршня и бура состоит из храпового устройства 2, поворотной муфты 7 и геликоидального стержня 9.
Наиболее распространенным способом очистки шпуров от породной мелочи и пылеподавления при перфораторном бурении является промывка. Бурение с промывкой осуществляется при осевой или боковой подаче воды (промывочной жидкости) в канал буровой штанги.
При осевой промывке вода, подаваемая в перфоратор через канал в его головке, попадает в трубку, которая проходит через весь перфоратор по его оси, и через нее поступает в канал бура, предназначенный для подачи воды в шпур. Осевому способу промывки свойствен ряд недостатков, среди которых наиболее существенными являются: частые поломки промывочных трубок (смятие из-за эксцентричности канала бура или перекоса хвостовика бура в патроне), попадание воды в перфоратор, необходимость использования для промывки шпуров нейтральной воды во избежание коррозии рабочих деталей перфоратора.

Несмотря на перечисленные недостатки, осевой способ промывки получил широкое распространение. Устройство для боковой промывки шпуров (рис. 15) обеспечивает подачу воды в шпур, минуя перфоратор. Муфта 1 устанавливается на отшлифованную переднюю часть хвостовика бура 2 (имеющую круглую форму поперечного сечения) таким образом, что она располагается между буртиком бура и перфоратором. Предварительно в муфту закладывается резиновый вкладыш 3 с кольцевой полостью и отверстием 6; на штуцер 4 муфты надевается шланг 5, по которому подается вода. В хвостовике бура против кольцевой полости вкладыша имеется боковое отверстие 8, соединяющееся с каналом бура. Для исключения возможности попадания воды в перфоратор канал бура в конце хвостовика 7 заваривается или зачеканивается.
При отсутствии в горной выработке воды или при отрицательных температурах горных пород промывку заменяют отсосом буровой мелочи из шпура. Используют следующие способы отсоса пыли: из устья шпура при его герметизации и из забоя шпура через канал бура. По аналогии со способами промывки при удалении пыли через канал бура применяют осевой и боковой пылеотсос. Пыль отсасывается в специальный пылеуловитель по шлангу с помощью эжекторного устройства.
Бурение шпуров без промывки называют сухим. В открытых горных выработках или в мокрых забоях стволов шахт сухое бурение иногда производится с продувкой шпуров.
При проведении горноразведочных выработок в отечественной практике наибольшее распространение получили ручные перфораторы (рис. 16).

Как отмечалось выше, бурение колонковым перфоратором может осуществляться только с использованием специальных установочных устройств. На забой перфоратор подают специальными механизмами, называемыми податчиками (автоподатчиками). Основными частями податчика являются: корпус (лафет), пневматический (реже гидравлический) привод и рабочий орган для перемещения перфоратора.
Колонковый перфоратор монтируется на корпусе податчика; перфоратор может перемещаться по направляющим корпуса податчика на расстояние 1000—2000 мм (рис. 17). Автоподатчик с перфоратором монтируется на установочном устройстве, в частном случае на распорной колонке.
Высокой производительностью характеризуются выпускаемые в настоящее время мощные колонковые перфораторы вращательно-ударного действия с независимым вращением бурового инструмента. Один из таких перфораторов ПК-50 показан на рис. 18.

Отличительной особенностью телескопного перфоратора является то, что он состоит из двух основных соединенных между собой частей: бурильной и расположенной под ней телескопической колонки пневматического податчика (рис. 19).
Пневматический податчик (телескоп) состоит из цилиндра, в котором располагается шток, имеющий на верхнем конце поршень, а на нижнем, выходящем из цилиндра, — упор. Телескопический податчик обеспечивает установку перфоратора в выработке и подачу его на забой в процессе бурения.
Техническая характеристика перфораторов приведена в табл. 5.
В процессе работы перфоратора его рабочие детали должны получать смазку, эта смазка подается с поступающим в перфоратор сжатым воздухом из автоматических масленок, монтируемых на патрубке перфоратора.

Вибрация при работе перфораторов быстро утомляет бурильщика и оказывает вредное влияние на его здоровье. Поэтому при бурении перфораторами с рук или с пневмоподдержек для защиты бурильщиков от вибрации на перфораторах монтируются специальные пружинные устройства, называемые виброгасящими каретками (рис. 20).
Корпус каретки 1 состоит из двух трубок, соединенных планками, рукоятки 2 и вилки 4, с помощью которой каретка соединяется с пневмоподдержкой. Перфоратор 3 устанавливается на ползунах каретки с помощью кронштейна и кольца 5, который может перемещаться в пазах трубок; вибрация перфоратора гасится пружиной 6.

Телескопный перфоратор ПТ-45-КВ для уменьшения передачи вибрации на бурильщика оборудуется виброзащитным штоком и виброзащитной рукояткой. Для снижения вибрации у других перфораторов на рукоятки надеваются резиновые манжеты.
Вредное влияние на самочувствие рабочего оказывает шум при работе перфораторов; средством защиты от шума являются противошумные наушники и противошумные вкладыши. Заглушающие свойства наушников в низкочастотной части спектра шума незначительны, что позволяет слышать разговорную речь. Противошумные вкладыши изготовляются из специальной резины.
Кроме перфораторов, относящихся к бурильным машинам ударного действия, на горных предприятиях применяют бурильные машины вращательно-ударного действия. При вращательноударном бурении разрушение породы осуществляется непрерывно вращающимся и прижимаемым к забою скважины буровым инструментом, по которому наносятся удары поршнем-ударником. Вращательно-ударный способ получил широкое применение при бурении скважин, однако имеются бурильные машины и для бурения шпуров в проходческих забоях. Эти бурильные машины, выпускаемые в комплекте с установочным оборудованием на колесном или гусеничном ходу, называют бурильными установками. Эффективность использования их возрастает с увеличением площади поперечного сечения проходимых выработок.
Бурильные машины с бензиновыми двигателями. Использование электрических и пневматических бурильных машин возможно при наличии энергетических источников достаточной мощности, между тем в ряде случаев горноразведочные работы в поисковых и разведочных партиях проводятся при отсутствии энергоисточников. При этом ручное бурение шпуров для взрывной отбойки отнюдь не является неизбежным, оно может быть заменено бурением машинами, имеющими небольшие бензиновые двигатели.

Предназначенные для бурения небольших скважин шнеками при инженерно-геологических исследованиях мотобуры M-1, МП-1 и ДС-10 (рис. 21), представляющие собой сверла с бензиновыми двигателями, могут с успехом использоваться для бурения шпуров в породах до V категории буримости.

Для бурения шпуров в более крепких породах могут быть использованы моторные бурильные машины ударного действия, называемые мотоперфораторами.

На рис. 22 показан шведский мотоперфоратор «Кобра», являющийся одним из самых легких и производительных. Ниже приведена техническая характеристика одного из отечественных мотоперфораторов «Смена МП-1».

Мотоперфоратор «Смена МП-1» предназначен для бурения шпуров в породах V—XII категорий буримости. Он может использоваться и в качестве отбойного молотка.