Современное состояние конструкций карьерных буровых станков

В общей технологии открытых горных работ при разработке месторождений, сложенных скальными породами, буровзрывные работы являются одним из основных производственных процессов. Цель бурения - создание в породном массиве взрывных и водопонижающих скважин. Бурение представляет собой трудоёмкий и дорогостоящий процесс.

Сегодня на карьерах и угольных разрезах РФ, способ бурения шарошечными долотами, известный в технической литературе как «шарошечный», занимает до 70% всех объемов проходки взрывных скважин. Стоимость буровых работ в крепких породах колеблется в пределах от 16 до 36% общей стоимости выемки одной тонны горной массы. В свою очередь, затраты на проведение буровзрывных работ складываются из расходов на взрывчатые вещества (до 45 ÷ 50%) и на эксплуатацию станка от 50 до 55% .!_.

По мнению профессоров Подэрни Р.Ю. и Кутузова Б.Н. _1.э./_, развитие отечественной буровой техники должно быть направлено:

• -    на создание гидрофицированных станков вращательного бурения с номинальными диаметрами 160 + 275 мм;

• -    на совершенствование автоматизации управления режимами бурения и вспомогательными операциями;

• -    на осуществление бурения скважин глубиной до 19 м одной штангой ;

• -    на освоение новых типов шарошечных долот.

Основными параметрами бурения взрывных скважин являются: -высота уступа H ; - диаметр скважины D ; - длина скважины L ; - угол наклона скважины а; - расстояние от кромки уступа до первого ряда скважин и между рядами V ; - расстояние между скважинами в ряду E ; -величина перебура U ; - расстояние от оси скважины до кромки уступа по его подошве (дистанция сопротивления) W .

Опыт эксплуатации карьерных буровых станков [1, 6] и анализ данных ведущих предприятий [2] по добыче и переработке углеводородного твердого топлива и минерального сырья, а также научноисследовательских, проектно-конструкторских и других организаций [3, 4] (ФГУП «ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского», ИПКОН РАН, НИИКМА им. Л.Д. Шевякова, ОАО ХК «СДС-УГОЛЬ», УК «КУЗБАССРАЗРЕЗУГОЛЬ», ЗАО «ЕВРОЦЕМЕНТ груп», ОАО «ВНИПИпромтехнологии», АК «АЛРОСА», «УкрНИИпроект, НИПКИ угольной промышленности») показывает, что в ближайшее время наиболее емкими потребителями карьерных буровых станков в РФ [5] будут являться угольные разрезы и карьеры по добыче угля, драгоценных минералов, железной руды и нерудных строительных материалов.

Все станки бурения шарошечными долотами производимые в России на ОАО «Бузулукский завод тяжелого машиностроения» («Бузулуктяжмаш») (г. Бузулук), УГМК «Рудгормаш» (г. Воронеж) и на ОАО «ИЗ КАРТЭКС» (г. Санкт Петербург) предназначены для бурения взрывных скважин в сухих и обводненных, в монолитных и трещиноватых породах с коэффициентом крепости по шкале профессора М.М. Протодьяконова f = 6^20.

Станки 3СБШ-200-60 и 6СБШ-200-32 (рис. 1.) производства ОАО

Рис. 1. Станок 3СБШ-200-60 ОАО «Бузулуктяжмаш», г. Бузулук Свердловской обл.

Рис. 2. Принципиальная кинематическая схема вращательно - подающего механизма станка 3СБШ - 200-60.

«Бузулуктяжмаш» являются модификациями, выпускавшихся ранее станков СБШ-200-32 и 2СБШ-200-40, и имеют патронную схему ВПМ, тиристорный привод механизма вращения бурового става и хода, мачту с открытой передней панелью, кабельный барабан.

Система управления станком осуществляет два режима: «Ручные операции» - режим, позволяющий управлять электроприводом и гидросистемой при сборке и разборке бурового става, и «Бурение» -режим, обеспечивающий автоматический перехват патроном бурового става при бурении скважины на глубину каждой штанги.

Мачта станка 3СБШ-200-50 (рис. 2) представляет собой сварную конструкцию из труб квадратного сечения с открытой передней панелью. В мачте размещаются вращатель - 1, гидропатрон - 6, два гидроцилиндра системы подачи – 8 (у которых в режиме бурения напорной является штоковая полость ) и кассета с четырьмя штангами, гидроключ развинчивания (свинчивания) бурового става, блоки подъемного каната - 9, вертлюг - 10 и гидроцилиндры подъема и опускания мачты.

Рис. 3. Станок СБШ – 250МНА-32 ОАО «Рудгормаш» г. Воронеж.

Рис. 4. Принципиальная кинематическая схема вращательно – подающего механизма станка СБШ – 250МНА-32.

Электрический гусеничный буровой станок СБШ-250МНА-32 (см. рис. 3) производства ОАО «Рудгормаш» (г. Воронеж), имеет диапазон по бурению взрывных скважин с диаметрами долот от 160 до 250 мм на глубину от 32 до 55 м в породах с пределом прочности до МПа при одноосном сжатии. В его мачте закрытого типа с усиленной конструкцией цапф и балки крепления поворота мачты (см. рис. 4) (мачта имеет модификации под штанги длинной 8, 9,5 или 11,4 м) размещены: 1 -вращательно-подающий механизм, 2 - механизм развинчивания штанг и верхний ключ с гидроцилиндром. На обвязке мачты, расположенной в её середине смонтирована опора блока механизма подачи - 3, а на нижней установлены гидроцилиндры - 4 двух ветвевой канатно-полиспастной системы подачи (коэффициент полиспастности - ), у которых в режиме бурения напорной является поршневая полость.

Модификация станка СБШ - 250МНА32КП предназначена для бурения скважин диаметрами 250, 270 и 311 мм в самых крепких породах, имеет штанги длинной 10 и 18 м, подачу компрессора до 50 м³/мин, увеличенную установленную мощность до 650 кВт, высоковольтное исполнение (6000 В), каркасно-платформенную конструкцию и массу 110т.

Рис. 5. Станок СБШ – 160/200 – 40 ОАО «Рудгормаш» г. Воронеж.

Рис. 6. Мачта станка СБШ – 160/200 – 40: 1 – мачта, 2 – зубчатая рейка, 3 – каретка.

В 2002 г. ОАО «Рудгормаш» выпустил первый образец станка шарошечного бурения среднего класса СБШ-160/200-40 (см. рис. 5), предназначенный для бурения взрывных скважин, диаметром 160 и 215 мм, глубиной до 43 м, а также для заоткоски уступов карьеров по предельному контуру. У станка полностью гидрофицированы все приводы и агрегаты. Он имеет модификации с дизельным и электрическим первичным приводом.

В передней части платформы на продольной оси рабочей площадки установлена мачта открытого типа из труб квадратного сечения. На внутренних боковых поверхностях мачты – 1 расположены зубчатые рейки - 2, по которым перемещается каретка - 3 с двух двигательными гидрообъемными вращателем и зубчато-реечным механизмом подачи . В задней части станка установлены электро- гидрообъемная или дизель-гидрообъемная силовая установка (рабочее давление 18 МПа) и компрессорная установка.

Станки тяжелого класса P&H – 70А, 100В, 120А (см. рис. 7) производства фирмы Harnischfeger США предназначены для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин диаметрами долот 381, 445,

559 мм соответственно и глубиной до 55 м. Мачта станка открытого типа, из труб квадратного сечения. На внутренних боковых поверхностях мачты – 1 расположены зубчатые рейки - 4, по которым перемещается каретка с одно или двух двигательным приводом постоянного тока - 3 во вращателе и с однодвигательным приводом постоянного тока - 2 зубчато-реечного механизма подачи .

Модель P&H 100 XP отличается от моделей P&H – 70А, 100В, 120А оснащением электрогидравлической (мощностью 522 кВт) или дизельгидравлической (мощностью 700 л. с.) силовой установкой, позволяющей иметь гидрообъемный привод вращательно-подающего и ходового механизмов станка.

Каретка вращательно-подающего механизма с электромоторами постоянного тока, в значительной мере, повторяет конструкции тяжелых буровых станков 49 R и 59 R фирмы «Бюсайрус».

Станок тяжелого класса СБШ - 270 ИЗ (см. рис. 9) производства ОАО «ИЗ КАРТЭКС» г. Санкт Петербург предназначен для бурения взрывных скважин. Он отличается от своего прототипа СБШ - 250МНА32КП практически только мачтой открытого типа и более тяжелым малоопорным гусеничным ходом и более чем в полтора раза большие массу и стоимость.

Рис. 9. Станок СБШ-270 ИЗ ОАО «ИЗ КАРТЭКС» г. Санкт Петербург

Рис.     10.     Принципиальная кинематическая            схема вращательно–подающего механизма станка СБШ-270 ИЗ

Мачта станка выполнена из труб квадратного сечения. В ней размещены: - вращательно-подающий механизм, - механизм развинчивания/свинчивания штанг и верхний ключ с гидроцилиндром. На верхней обвязке мачты смонтированы опоры блоков канатнополиспастной системы подачи (коэффициент полиспастности - i_n — 4), а на нижней установлены гидроцилиндры натяжения ветвей. В режиме «бурение» усилие подачи долота на забой создаётся двумя лебедками и передаётся на блоки опорного узла - 4 через канат, который несколько раз огибает приводные барабаны – 8 лебедки подачи - 9.

Станок тяжелого класса СБШС – 250/270/-32 (см. рис. 11) производства ЗАО «НОВОКРАМАТОРСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД», г. Краматорск, Украина предназначен для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин диаметром 250/270 мм и глубиной до 32 м и 40 м в породах крепостью 6…20 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Он отличается от своего прототипа УСБШ – 250А (изготовитель ОАО «КРИВОРОЖСКИЙ ЗАВОД ГОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ», г. Кривой Рог, Украина, система подачи выполнена по схеме рис. 4) мачтой открытого типа и приводом системы подачи. На буровом станке СБШС – 250/270/-32 принята система подачи (см. рис. 12) лебедочного типа (коэффициент полиспастности - in = 4) с гидрообъемным приводом (с высокомоментным гидромотором МР-1800А фирмы «Rexrot»). На станке применена система автоматического управления процессом бурения.

Рис. 11. Станок СБШС –250/270 -32 ЗАО «НОВОКРАМАТОРСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД», г. Краматорск, Украина

Рис. 12. Принципиальная кинематическая схема вращательно – подающего механизма станка СБШС – 250/270-32.

Станок тяжелого класса М3В-04 (см. рис. 13) производства фирмы MARION предназначен для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин диаметром 229 ÷ 311 мм и глубиной до 55 м. Мачта станка - 2 открытого типа, с подвижным вращателем (два электродвигателя постоянного тока мощностью по 48,5 кВт каждый). Система подачи лебедочного типа - 3 с гидрообъемным приводом (два высокомоментных радиально-поршневых гидромотора - 4 суммарной мощностью 97 кВт). Усилие на долото передается тяговыми роликовыми цепями через четырехкратный (i_n — 4) полиспаст – 1 (рис. 14).

Привод бортовых передач станка может выполняться в двух вариантах:

• -    с цепной передачей от радиально-поршневых моторов мощностью 48,5 кВт каждый;

• -    с планетарными редукторами и аксиально-поршневыми моторами мощностью по 97 кВт каждый.

  

  Рис. 13. Буровой станок М3В-04 MARION.

  
  
  
  
  

Рис.     14.     Принципиальная кинематическая            схема вращательно–подающего механизма    станка    М3В-04

DRESSER MARION.

Станок тяжелого класса DM-M (H) (см. рис. 15) производства фирмы Ingersoll – Rand США предназначен для бурения вертикальных и наклонных взрывных скважин диаметром 229 ÷ 311мм и глубиной до 55 м.

Рис. 15. Буровой станок DM-M Ingersoll – Rand США.

Рис. 16. Канатно-поршневая система подачи с неподвижным штоком станка DM-M (H) Ingersoll – Rand.

Мачта станка открытого типа, с подвижным вращателем - 1 ( два гидромотора мощностью по 45 кВт каждый). Система подачи - канатнопоршневая (см. рис. 16). Равнополостной гидроцилиндр подачи с неподвижным штоком - 2 (закрепленным на верхнем и на нижнем поясе мачты) и подвижной рубашкой - 3 с верхней и нижней траверсами - 4. На траверсах установлены комплекты одноручьевых шкивов - 5, через которые запасованы четыре стальных каната. Последние присоединены концами к каретке вращателя и к якорю - 6, закрепленному на среднем поясе мачты. Такая конструкция системы подачи позволяет иметь ход вращателя вдоль направляющих мачты вдвое больше чем ход рубашки гидроцилиндра с траверсами ( ). При подаче бурового става вниз шток гидроцилиндра нагружен преимущественно растягивающими усилиями.

Рис. 17. Буровой станок TH-100 фирмы Ingersoll – Rand США.

Рис. 18. Канатно-поршневая система подачи с подвижным штоком станка TH-100 фирмы Ingersoll – Rand.

Мобильный станок легкого класса TH-100 (см. рис. 17) производства фирмы Ingersoll - Rand США предназначен для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 89 ÷ 114 мм и глубиной до 114 м. Мачта станка открытого типа, с подвижным вращателем – 1 ( два гидромотора мощностью по 25 кВт каждый). Система подачи - канатно-поршневая (см. рис. 18). Гидроцилиндр подачи – 2 с двумя поршнями со штоками (один из которых закреплен на подвижной траверсе - 3 , а другой на нижнем поясе мачты) с подвижной рубашкой. На траверсе установлен комплект одноручьевых шкивов, по средствам которых запасованы четыре стальных каната. Последние присоединены концами к каретке - 4 вращателя и к якорям - 5, закрепленным на среднем и верхнем поясах мачты.

Такая конструкция системы подачи позволяет иметь ход вращателя вдоль направляющих мачты на весь ход гидроцилиндра (in — 1). Активное сечение поршневой полости гидроцилиндра равно суммарному сечению штоковых полостей, гидравлически связанных между собой, что обуславливает его равнополостность.

Мобильный станок тяжелого класса RD - 20 (см. рис. 19) производства компании Ingersoll – Rand США самый мощный в типоразмерном ряде станков для бурения разведочных скважин, выпускаемых компанией.

Рис. 19. Буровой станок RD 20 фирмы Ingersoll – Rand США.

Рис. 20. Система подачи с подвижным штоком станка RD 20 фирмы Ingersoll – Rand США.

Станок предназначен для бурения скважин диаметром до 762 мм, глубиной до 1220 м и применяется в основном для бурения разведочных скважин на нефть и газ. Станок смонтирован на колесном шасси повышенной проходимости с колесной формулой 8х4, что обеспечивает высокую мобильность станка при движении по бездорожью. Мачта станка открытого типа с кареткой, на которой расположен подвижный вращатель – 1 с двумя мощными гидромоторами. Запатентованная система подачи канатно-поршневая (см. рис. 20). Гидроцилиндр подачи – 4 закреплен на нижнем поясе мачты. Рабочей является штоковая полость. Шток гидроцилиндра закреплен на подвижной траверсе - 2. На траверсе установлен комплект одноручьевых шкивов - 3, по средствам которых запасованы четыре стальных каната. Последние присоединены концами к каретке вращателя и к якорю - 5, закрепленному на среднем поясе мачты. Такая конструкция системы подачи позволяет иметь ход вращателя вдоль направляющих мачты на весь ход штока гидроцилиндра (tn — ^ ) и развивать усилие до 50 т.

Буровой станок RD20 создан по модульной схеме, что позволяет успешно адаптировать его для различных областей и условий применения, 109

в том числе и горнорудная промышленность.

Мобильный станок среднего класса T4W (см. рис. 21) производства фирмы Ingersoll – Rand США предназначен для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 89 ÷ 508 мм и глубиной до 910 м. Мачта станка открытого типа из труб квадратного сечения, с подвижным вращателем – 1 ( два гидромотора мощностью по 25 кВт каждый). Система подачи лебедочного типа (см. рис. 22) с гидрообъемным приводом. Усилие на долото передается тяговыми роликовыми цепями через (i_n — 1) полиспаст. Станок комплектуется бортовым винтовым компрессором HR-2.5 (35.8 м3/мин, 2 МПа) и комбинированной воздушножидкостной системой промывки.

Рис. 21. Буровой станок T4W фирмы Ingersoll – Rand США.

Рис. 22. Система подачи лебедочного типа с тяговыми роликовыми цепями станка T4W фирмы Ingersoll – Rand США.

Станок имеет дизельный первичный привод фирмы Cummings мощностью 170 кВт.

При создании бурового станка Т4W применена модульная концепция, что позволяет комплектовать станок различным оборудованием под конкретные условия и цели работы.

Буровой станок тяжелого класса T130XD (см. рис. 23) производства фирмы Schramm, INC . США предназначен для бурения вертикальных и наклонных скважин пневмоударными долотами диаметром до 1000 мм и шарошечными долотами до 800 мм и глубиной до 2000 м. В транспортном положении вес станка 42 т. Станок смонтирован на шасси с колесной формулой 5х4. В рабочем положении вес станка 120 т.

Рис. 23. Буровой станок T130XD фирмы Schramm, INC. США.

Рис. 24. Система подачи канатнопоршневого типа бурового станка T130XD фирмы Schramm, INC. США.

Телескопическая мачта станка – 1 открытого типа при общей длине в собранном положении 13 м обеспечивает ход 15 м вращателю – 2. Вращатель расположен на каретке – 3 и имеет два гидромотора – 4. В полностью выдвинутом положении высота мачты составляет 21,25 м.

Система подачи станка канатно-поршневая (см. рис. 24). Два гидроцилиндра – 5 системы подачи рубашками закреплены в нижнем поясе мачты. Рабочими являются штоковые полости . Штоки гидроцилиндров закреплены на подвижной траверсе – 6, которая роликами скользит по направляющим мачты. На траверсе установлен комплект одноручьевых шкивов – 7, по средством которых запасованы четыре стальных каната – 8. Последние присоединены концами к каретке вращателя и к якорю – 9, закрепленному на среднем поясе мачты. Такая конструкция системы подачи позволяет иметь ход вращателя вдоль направляющих мачты на весь ход штока гидроцилиндра (tn — 2).

Анализ современного состояния конструкций отечественных и зарубежных буровых станков с различными кинематическими схемами вращательно-подающих механизмов и практика их эксплуатации на карьерах позволяет сделать следующие выводы:

• -    в качестве привода (как правило, с верхним расположением, за исключением единичных моделей, имеющих нижнее расположение -3СБШ-200-60) вращателей бурового става применяются электродвигатели (постоянного тока - СБШ-250МНА-32, , СБШ-250МНА-32КП, СБШС – 250/270/-32, М3В-04) или гидромоторы с плавным регулированием частоты вращения (DM-M, TH-100, RD 20, T4W (H),T130XD);

• -    в качестве привода системы подачи бурового става применяются либо гидромоторы (СБШС – 250/270/-32, М3В-04, T4W, СБШ-160/200-40, P&H 100 XP) или электродвигатели (СБШ - 270 ИЗ, P&H 70А, P&H 100В,

Рис. 25. Виды гидроцилиндров и схема их использования, в системах подачи буровых станков отечественных и зарубежных производителей: а – гидроцилиндр равнополостной, двух поршневой с рабочей поршневой полостью и скользящей рубашкой;

б – гидроцилиндр равнополостной, с рабочей штоковой полостью и скользящей рубашкой;

в – гидроцилиндр с рабочей штоковой полостью;

г – гидроцилиндр с рабочей поршневой полостью.

Простота устройства и возможность получения большого хода подачи без перехвата става (с коэффициентом полиспастности от одного до четырех) актуализирует исследования систем подачи на основе гидрообъемных линейных двигателей - гидроцилиндров.

карьерный буровой станок, система подачи, гидроцилиндр drill rig, feed system, hydraulic cylinder