Бурильные машины

БУРИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН И СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

По назначению бурильные машины делятся на машины для образования шпуров по углю и горным породам и для проведения скважин различного назначения — разведочных, сбоечных, венти­ляционных, дренажных, дегазационных и др.

Шпурами принято называть цилиндрические полости, выполнен­ные в горной породе, глубиной до 5 м при диаметре до 75 мм. Шпу­ры большего диаметра называют скважинами, а длиной более 5 м — глубокими скважинами.

Бурильные машины, кроме того, классифицируют по способу разрушения горной породы, роду потребляемой энергии.

По первому признаку их подразделяют на машины с механиче­ским, физическим и комбинированным способами разрушения породы, по роду потребляемой энергии — на электрические, пнев­матические, гидравлические и комбинированные.

При механическом способе разрушения осуществляется непо­средственное воздействие специального бурового инструмента на разрушаемую породу. К этому способу относят ударно-поворот­ное, вращательное, ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение.

При физическом способе разрушения на породу воздействуют газами, жидкостями, электрическим током, теплом или другими видами энергоносителя. К этому способу относят огневое (терми­ческое), взрывное, ультразвуковое, гидравлическое и электро­гидравлическое бурение.

При комбинированном способе разрушения на породу воздей­ствуют с помощью механического и физического способов одно­временно.

Ударно-поворотное бурение (рис. IV.34, а) характеризуется тем, что клиновидный инструмент внедряется в породу под дей­ствием кратковременной, но значительной по величине ударной нагрузки Fyд, направленной по оси инструмента. При этом осе­вое усилие прижатия инструмента Foc очень мало и обеспечивает только контакт инструмента с породой в момент удара. Крутящий момент MKР также очень мал. После каждого удара вследствие упругости породы и инструмента последний отскакивает от забоя и поворачивается механизмом поворота на некоторый угол β (рис. IV.35), обычно равный 10—20°. Под действием ударной на­грузки происходит разрушение породы под действием бура (бо­розды 1—1, 2—2 и 3—3) глубиной h и скалывание ее под действием горизонтальной составляющей F6:

,

где α = 90 ÷120° – угол заострения бура.

Разрушенную породу удаляют из шпура или скважины про­мывкой, продувкой или другим способами. Основное достоинство ударно-поворотного бурения — возможность бурить породы кре­постью f = 6 ÷ 20.

С помощью бурильных молотков (перфораторов) бурят шпуры и скважины диаметром 20—150 мм и глубиной до 12 м и более, а станками ударно-канатного бурения — скважины диаметром до 300 мм и глубиной до 40 м и более.

К недостаткам ударно-поворотного бурения следует отнести периодичность воздействия инструмента на породу, причем время, затрачиваемое на удар, в десятки раз меньше времени на движение инструмента по направлению к забою, отскок и поворот. Кроме того, для ударно-поворотного бурения характерны значительные пылеобразование, шум и вибрация при работе.

Вращательное бурение (рис. IV.34, б) характеризуется тем, что резец под воздействием осевого усилия подачи F,,c и крутя­щего момента МКР движется поступательно на забой, отделяя по винтовой линии срез толщиной h. Ударные нагрузки при этом от­сутствуют. Разрушение породы может осуществляться резанием, смятием и раздавливанием. Удаление продуктов бурения из шпура или скважины производится с помощью витых штанг или шнеков, сжатого воздуха и воды.

К бурильным машинам вращательного действия относятся ручные и телескопные сверла, бурильные станки, длинноходовые бурильные машины вращательного действия, буросбоечные и буро-шнековые машины. Область их применения — малоабразивные породы с коэффициентом крепости до f = 6 ÷ 8, а при оснащении рабочего инструмента алмазами — крепкие и очень крепкие по­роды (f >10).

При вращательном бурении различают бурение сплошным забоем, когда порода разрушается по всей его площади, и кольце­вым забоем, когда в центре забоя шпура (скважины) остается колонка (керн) неразрушенной породы. Преимущества вращатель­ного бурения: непрерывность процесса, обеспечивающая высокую производительность; разрушение породы крупным срезом, что уменьшает пылеобразование и

удельные энергозатраты; отсутствие вибрации машин при работе. К недостаткам следует отнести огра­ниченную область применения по крепости горных пород.

Ударно-вращательное бурение (рис. IV.34, в) можно рассма­тривать как ударное с непрерывным вращением инструмента. Разрушение породы происходит под действием большой ударной нагрузки Fуд, передаваемой клиновидному инструменту (долоту), постоянно прижатому к забою с относительно небольшим осевым усилием Fоc при непрерывном вращении инструмента под воздей­ствием небольшого крутящего момента Мкр, достаточного для того, чтобы производить зачистку шпура (или скважины) от разру­шенной породы и срезать небольшую часть ее, слабо связанную с массивом.

Этот способ бурения реализован в буровых агрегатах, приме­няемых в рудной промышленности при бурении скважин диаме­тром 85—150 мм и глубиной до 70 м в крепких и абразивных поро­дах (f = 8 ÷20).

Вращательно-ударное бурение (рис. IV.34, г). Разрушение породы происходит под воздействием значительных по величине осевой нагрузки Foc, ударной Fyjr, а также крутящего момента МКР. При таком сочетании усилий основная часть энергии затрачивается на разрушение породы резанием, а ударная нагрузка увеличивает глубину внедрения резца. Область применения — неабразивные породы с коэффициентом крепости f = 6 ÷ 14.

Этот способ бурения реализован в основном на тяжелых буриль­ных машинах для бурения шпуров и скважин диаметром до 100 мм.

Огневой (термический) способ бурения из всех физических способов получил наибольшее распространение и применяется для прожигания скважин диаметром до 300 мм и глубиной до 30 м. Разрушение породы происходит за счет термонапряжений, воз­никающих при ее нагреве высокотемпературными газовыми стру­ями (2000—2500 °С), вылетающими из сопел горелки со скоростью до 2000 м/с. Под действием этих напряжений тонкий слой породы растрескивается и под механическим воздействием газовых струй разрушается на мелкие частицы, которые транспортируются из скважин паро-газовой смесью. Наиболее эффективной областью применения являются породы, имеющие кремнистое основание, или породы с низким коэффициентом теплопроводности, которые растрескиваются раньше, чем начинается их плавление.

Ультразвуковой способ бурения основывается на принципе совместного воздействия на горную породу высокочастотных уль­тразвуковых колебаний, накладываемых на инструмент, и кавитационного эффекта промывочной жидкости.

Гидравлический способ бурения основан на действии струй воды небольшого диаметра (0,8—1 мм), подаваемой на забой под высоким давлением (до 200 МПа) и со сверхзвуковой скоростью.

Электрогидравлический способ бурения осуществляется пода­чей высокого напряжения на контакты электрической цепи, рас­положенные на забое скважины, заполненной водой. При этом происходит пробой межэлектродного промежутка с образованием газового канала в месте пробоя. Давление в искровом канале в за­висимости от параметров разрядного контура достигает 600–1500 МПа. Расположение искрового канала в непосредственной близости от породы приводит к ее разрушению.

Ультразвуковой, гидравлические и электрогидравлический спо­собы бурения в настоящее время находятся в стадии теоретических и экспериментальных исследований и в промышленности не при­меняются.

К физическому способу относится также взрывобурение, ко­торое может осуществляться с помощью патронов жидких или твердых взрывчатых веществ, а также струйным способом.

В первом случае в промывочному жидкость, циркулирующую по спущенным до забоя скважины трубам, с определенной частотой подаются патроны с жидким или твердым ВВ, взрывающиеся от удара в забой. Во втором случае по специальным трубкам из емкостей к дозирующим приспособлениям забойного взрывобура поступают жидкие компоненты ВВ (горючее и окислитель), ко­торые затем подаются на забой и с помощью инициатора (сплава калия и натрия) взрываются.

Взрывобурение в настоящее время находится в стадии проверки.

Термомеханическое бурение относится к комбинированному способу разрушения горной породы. Сущность способа заклю­чается в том, что с помощью высокотемпературных газовых струй в поверхностном слое забоя скважины создается предварительное напряженное состояние, благодаря которому значительно облег­чается последующее разрушение породы механическим воздей­ствием (шарошечным долотом или другим буровым инструментом). Производительность станков термомеханического бурения на 30— 50% выше по сравнению с чисто шарошечным бурением.

МАШИНЫ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ

Машины ударно-поворотного бурения предназначены для бу­рения шпуров диаметром до 52 мм и глубиной до 5 м и скважин диаметром до 150 мм в породах средней крепости и крепких.

К машинам ударно-поворотного бурения относят бурильные молотки (перфораторы) и станки ударно-канатного бурения.

Бурильные молотки классифицируют:

по виду потребляемой энергии — на пневматические, электри­ческие и гидравлические;

по способу удаления буровой мелочи из шпура или сква­жины — с промывкой, продувкой и отсасыванием;

по частоте ударов – обычного типа и быстроударные (соответ­ственно до 2000 ударов в минуту и более);

по способу воздухораспределения – с клапанным, золотнико­вым, самораспределением и комбинированным распределением воздуха;

по способу установки и поддержания молотка при бурении – на ручные, колонковые и телескопные.

Помимо этого, различают обычные молотки, располагаемые вне шпура или скважины, и входящие в скважину (погружные молотки), а по массе условно различают легкие, средние и тя­желые молотки. При этом к средним относят ручные молотки мас­сой 20–25 кг, колонковые – 40–50 кг, телескопные – 35–45 кг и погружные 20–30 кг.

При бурении ручные перфораторы массой не более 12,5 кг держат в руках, а при большей массе устанавливают на специаль­ных приспособлениях – пневмоподдержках. Телескопные перфо­раторы оборудуют пневматическими поддерживающими и подаю­щими телескопными механизмами. Колонковые перфораторы — наиболее тяжелые, и для бурения их монтируют на винтовых рас­порных колонках, манипуляторах или буровых каретках, осна­щенных автоматическими подающими механизмами – автоподатчиками. Погружные перфораторы входят непосредственно в вы­буриваемую скважину и крепятся на конце штанги, закрепляемой в патроне подающего механизма.

В общем случае бурильный молоток состоит из корпуса и смон­тированного в нем ударно-поворотного механизма, воздухораспре­делительного устройства, механизма управления и устройства для очистки шпуров (скважин) от буровой мелочи.

Корпус ручного перфоратора, в свою очередь, состоит из голов­ки 1 (рис. IV.36), цилиндра 4 с направляющей втулкой 8 и пат­рона 9 с буродержателем 11. Ударно-поворотный механизм служит для нанесения ударов по буровому инструменту и его поворота. Он состоит из поршня-ударника 7 с поворотной гайкой 13, поворот­ного винта 6 с храповым устройством 5, поворотной буксы 10 и гранбуксы 12. Воздухораспределительное устройство 3 пред­назначено для попеременной подачи сжатого

Рис. IV.36. Ручной перфоратор ПР19

Рис. IV.37. Буровые коронки

воздуха в наружную или заднюю полость цилиндра перфоратора. Механизм управле­ния смонтирован в головке перфоратора и состоит из пускового крана 14 с рукояткой. Устройство 2 служит для выноса буровой мелочи и подавления пыли. Сущность работы перфоратора за­ключается в том, что сжатый воздух с помощью воздухораспредели­тельного устройства подается попеременно в правую или левую полость цилиндра, обеспечивая возвратно-поступательное дви­жение поршню-ударнику 7.

При движении вперед (рабочий ход) поршень-ударник наносит удар по буровому инструменту 15, а при обратном (холостом) ходе поворачивается на некоторый угол вокруг винта 6, поворачи­вая через буксу 10 и гранбуксу 12 буровой инструмент.

Рабочий инструмент. В качестве рабочего инструмента при ударно-поворотном бурении применяют буры или буровые штанги с головками или буровыми коронками. При этом буры могут быть цельными и составными.

Выбор типа бура и коронок определяется физико-механиче­скими свойствами породы и условиями бурения.

Наиболее широкое распространение в горной промышленности получили однодолотные и крестовые коронки, применяемые со­ответственно для бурения однородных монолитных и трещинова­тых пород. Соединение коронок и буров осуществляется за счет конусности с углом наклона 3° 30' или резьбы. Комплект коронок для бурения подбирают таким образом, чтобы каждая следующая Коронка имела диаметр на 1—3 мм меньше, чем предыдущий.

Буровая коронка состоит из корпуса / (рис. IV.37, а), который изготовляется из стали У7А или У8А и армируется твердым спла­вом 2 в виде пластинок или штырей. Для промывки шпура ко­ронка имеет отверстие 3. Лезвие коронки затачивается под углом заострения 90—120°.

Долотчатые коронки (рис. IV.37, а, б) для перфораторного бурения обычно имеют диаметр D, равный 32—65 мм, а кресто­вые — до 85 мм.

Крестовые коронки (рис. IV.37, в—д) обычно выполняют с центральным отверстием для промывки.

Коронки с опережающим лезвием (рис. IV.37, ё) используют для бурения скважин тяжелыми колонковыми и телескопными, а также погружными перфораторами.

§ 3. МАШИНЫ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

При вращательном бурении разрушение горной породы проис­ходит спиральными слоями за счет постоянного сообщения буро­вому инструменту осевого усилия подачи и крутящего момента.

К машинам вращательного бурения относят: ручные и колон­ковые сверла, применяемые в основном для бурения шпуров по углю и породам ниже средней и средней крепости, станки для бу­рения разведочных и взрывных скважин по породам любой кре­пости и гезенкобурильные и сбоечные машины. Последние при­меняют для бурения подземных вертикальных и наклонных выра­боток диаметром 1000—1500 мм по мягким и средней крепости по­родам.

Современные ручные сверла подразделяют:

по способу подачи бурового инструмента на забой — на сверла с ручной и механической подачей;

по роду потребляемой энергии — на электрические (соответст­венно подаче типа ЭР или СЭР или ЭМ), пневматические (СПР и СПМ) и гидравлические (СГР);

по типу управления — на сверла с непосредственным управле­нием и дистанционным (Д).

Ручное электрическое сверло (рис. IV.38) состоит из электродви­гателя, редуктора, выключателя и механизма подачи (если он

имеется).

Сверла с принудительной подачей могут применяться как для работы непосредственно с рук, так и с установкой их на поддерж­ках или легких распорных колонках.

Принципиальное отличие ручных сверл с принудительной пода­чей от обычных заключается в устройстве дополнительного бара­бана, на который наматывается с определенным тяговым усилием трос, создающий усилие подачи сверла на забой. Например, в свер­ле СРП-2 барабан подачи 14 (см. рис. IV.38) приводится во вра­щение с помощью дополнительной червячной передачи 12 и ци­линдрической пары 10—11. Переключением шлицевой муфты 8 можно получить две скорости вращения шпинделя 9. Крутящий момент при этом будет передаваться от двигателя 1 через зубчатые передачи 2—3 и 5—4 или 2—3 и 7—6. Передаточное отношение редукторов подбирается с таким расчетом, чтобы частота вращения буровой штанги находилась в пределах 300—900 мин"1.

В сверлах предусмотрена возможность замены зубчатых пере­дач 2—3 для изменения частоты вращения коронки. Одновременно с вращением вала шпинделя вращаются шестерни 10—11, которые через червячную передачу 12 подсоединяются к малым дискам фрик­ционной муфты 15. Барабан подачи 14 связан с большими дис­ками фрикционной муфты и предназначен для наматывания троса 13 с крюком 17. Вращением штурвала 16, оборудованного резьбо­вым соединением, можно через пружину изменять усилие, сжимаю­щее диски фрикционной муфты и тем самым регулировать вели­чины передаваемых крутящего момента и тягового усилия на тросе. Электродвигатели ручных горных сверл должны иметь малую массу при сравнительно большой мощности и быть взрывобезопас-ными для применения в шахтах, опасных по газу или пыли. На­пряжение тока электродвигателей составляет 127 В.

Колонковые сверла, как имеющие большую массу и значитель­ное усилие подачи, устанавливают на распорной колонке. Подача бурового инструмента на забой осуществляется выдвижением шпинделя неподвижного ^сверла.

Колонковые сверла подразделяют на два типа: с гидравличе­ской и механической подачей шпинделя. Они предназначены для бурения шпуров в углях и породах с коэффициентом крепости / < 8.

Для установки колонковых сверл используют колонки, кото­рые раскрепляются в выработке распорным винтом.

Механические вращательные бурильные машины являются очень тяжелыми, поэтому их устанавливают на гидравлических манипуляторах бурильных установок или погрузочных машин.

Буровые машины основаны на применении мощных буровых головок, выполняющих функции вращателя. Кроме того, приводы вращателя и податчика разделены, что дает возможность обеспе­чить независимость их работы и получить на исполнительном ор­гане большие крутящие моменты и осевые усилия, необходимые для бурения крепких пород.

В кинематической схеме длинноходового электрического сверла ДЭС4 (рис. IV.39) обозначены: вращатель / с электродвигателем 10, автоподатчик с люнетами 6 для поддержания буровых штанг 8 с резцом 9. Податчик крепится на манипуляторах с помощью крон­штейна 7 и состоит из рамы 4 с направляющими для каретки уд­воителя подачи 15, гидроцилиндров 2 подачи и 3 распора со што­ком 5, упирающимся в забой. Подача буровой головки и создание осевого усилия на буровой штанге осуществляются гидроцилин­дром 2, шарнирно прикрепленным к раме податчика и оборудо­ванным на конце штока двумя звездочками 13, входящими в за­цепление с двумя цепями 12 удвоителя хода подачи. Цепи обра­зуют замкнутый контур на каретке удвоителя подачи 15 и прикреп­лены с одной стороны к кронштейну 14 рамы податчика и с дру­гой стороны — к основанию 11 буровой головки. Такая кон-­

Рис. IV.38. Электрическое ручное сверло СРП2: а — кинематическая схема; б — общин вид

Рис. 1V.40. Рабочий инстру­мент машин вращательного бурения

Рис. 1V.39. Кинематическая схема длинноходового элек­трического сверла ДЭС4

струкция позволяет удваивать величину подачи по сравнению с ходом штока гидроцилиндра до 3,5 м при осевом усилии 10 кН. Скорость подачи при рабочем и холостом ходах достигает соответ­ственно 3,2 и 6 м/мин.

Рабочий инструмент. В качестве рабочего инструмента машин вращательного бурения применяют витые или сплошные буровые штанги и резцы. Буровая штанга состоит из хвостовика 1 (рис. IV.40, а), тела 2 буровой штанги, головки 3 с отверстием для закрепления резца 4 и крепежного штифта 5.

Съемные буровые резцы (рис. IV.40, б—г) состоят из корпуса 2, хвостовика 3 и перьев /, заканчивающихся режущими лезвиями. Буровые резцы двух основных типов: РУ (рис. IV.40, в) и РП (рис. IV.4), г) соответственно для бурения по углю и породе армируют пластинками 4 из твердого сплава ВК-6, ВК-8или ВК-8В.

МАШИНЫ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОГО БУРЕНИЯ

Машины ударно-вращательного и вращательно-ударного бу­рения предназначены для бурения шпуров и скважин в породах средней крепости и крепких. Бурение этими машинами основано на комбинированном способе разрушения породы, объединяющем основные свойства ударного и вращательного воздействия на по­роду. При этом внедрение бурового инструмента в породу проис­ходит в основном под действием удара, а лучшему скалыванию или срезанию породы способствует значительный крутящий момент, непрерывно прикладываемый к буровому инструменту мощным вращателем. Благодаря этому появляется возможность значи­тельно уменьшить усилие подачи по сравнению с вращательным режимом бурения, что уменьшает истирание бурового инструмента при одновременном увеличении скорости бурения по сравнению с ударно-поворотным бурением. В зависимости от крепости по­роды основной объем разрушения может происходить как под дей­ствием удара, так и благодаря вращению инструмента. Соответ­ственно преобладанию затрат энергии на основное разрушение и принято различать ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение.

Машины вращательно-ударного и ударно-вращательного бу­рения состоят из независимо работающих ударного и вращательного механизмов, смонтированных п одним корпуса или в разных. Основной отличительной чертой машин ударно-вращательного действия является наличие специально сконструированного по­гружного ударного механизма – пневмоударника, уходящего в; скважину вместе с буровой коронкой и обеспечивающего ей внедрение в породу в основном за счет ударов. Машины вращательно-ударного бурения оборудуют ударным механизмом, остаю­щимся вместе с вращателем вне скважины. При этом ударный ме­ханизм выполняет вспомогательные функции относительно основ­ного вращательного механизма.

В большинстве ударно-вращательных и вращательно-ударных буровых машин ударные механизмы используют пневматическую энергию, а вращательные и подающие–пневматическую, элек­трическую или гидравлическую. Основными преимуществами ударно-вращательных буровых машин являются сохранение энер­гии удара на буровой коронке независимо от глубины скважины и возможность приложения к буровому инструменту большого кру­тящего момента. Машины вращательно-ударного действия соз­дают буровому инструменту высокий крутящий момент, однако поворот бура у них не согласован с движением поршня-ударника. Поэтому машины ударно-вращательного действия обычно приме­няют для бурения глубоких скважин, а машины вращательно-ударного действия – для бурения неглубоких эксплуатационных скважин или шпуров.

Машины ударно-вращательного бурения. При ударно-враща­тельном бурении буровой машиной является погружной ппевмо-ударник, которому через штанги передаются вращение и подача м на забой от установленных вне скважины вращателя и податчика. По ГОСТ 13879–73 погружные пневмоударники выпускают четырех основных типоразмеров соответственно для бурения сква­жин диаметром 105, 125, 160 и 200 мм с ударной мощностью не менее 2,2; 3,1; 4,3 и 5,8 кВт при давлении сжатого воздуха 0,5 МПа.

Первые два типоразмера пневмоударников рассчитаны на бу­рение пород с коэффициентом крепости f = 6÷20, а другие два – с коэффициентом крепости f = 12÷20 при расходе воздуха на 1 кВт не более 2,3 м3/мин. Частота ударов в минуту составляет 1700—2500.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы машины ударно-вращательного действия на примере пневмоударника П1-75 (рис. 41, а). Он состоит из цилиндра 2, в котором перемещается поршень 3, передней головки 5, в которую вставляется буровая коронка 4, закрепляемая шпонкой 6, и задней головки 1. Воздухо-распределение в пневмоударниках осуществляется так же, как в перфораторах. В пневмоударнике П1-75 применено, например, самораспределение сжатого воздуха поршнем. При холостом ходе поршня 3 сжатый воздух поступает через заднюю головку и ка­налы 12 в переднюю полость 13 цилиндра. Из задней полости 7 цилиндра в это же время происходит выхлоп по проточке 11 и выхлопным отверстиям 10. При рабочем ходе поршня впуск сжа­того воздуха в заднюю полость цилиндра происходит по каналам 9, в то время как из передней полости происходит выхлоп.

Продувка скважин осуществляется отработанным воздухом через продувочный канал 8.

В качестве бурового инструмента пневмоударников наиболь­шее распространение получили долотчатые, крестовые и трехлег* вийные буровые коронки с опережающим лезвием (рис. IV.41, б).

Машины вращательно-ударного бурения применяются в основ­ном для бурения шпуров и скважин при проведении выработок большого сечения. Основной отличительной чертой этих машин является большой крутящий момент, развиваемый специальным вращателем, работающим независимо от ударного механизма, но смонтированным в одном корпусе с ним.

Комплект из бурильной машины и автоподатчика называют бурильными установками. Эти машины классифицируют на отдель­ные группы по следующим признакам:

Рис. IV.4). Пневмоударник П1-75 (а) с трехлезвийной буропой коронкой (б)

по частоте ударов — с частотой ударов в минуту 5000—7000 и 2500—4000;

по энергии удара — с энергией до 50 Дж и 60—80 Дж;

по числу скоростей привода вращателя — одно-, двух - и трех-скоростные;

по конструкции привода подачи — с автоматическим регули­рованием осевого усилия и без регулирования последнего.

Остальные параметры вращательно-ударных бурильных ма­шин обычно следующие: давление сжатого воздуха 0,4—0,6 МПа, расход воздуха 10—14 м3/мин, диаметр коронки 42 мм, длина шпура до 4 м; способ очистки и рас­ход промывочной жидкости практически одинаковы во всех конструкциях.

Вращательно-ударные машины со­стоят из следующих основных частей: бурильной головки, механизма подачи, штанги и буровой коронки. Например, бурильная машина БУ1 (рис. IV.42) состоит из пневматического двигателя /, редуктора подачи 2, клапана 3, крана концевого выключателя 4, бурильной головки 5, подвижного люнета 6, рас­порного домкрата 7, буровой штанги 8 и буровой коронки 9. Бурильная го­ловка 5 перемещается с помощью ме­ханизма подачи по направляющей балке и производит бурение шпура на задан­ную глубину, после чего автоматическим или ручным включением механизма по­дачи на обратный ход отводится в на­чальное положение.

Вода к бурильному инструменту подводится через муфту боковой про­мывки.

Подвижной люнет 6 служит для под­держания прямолинейности штанги 8 в процессе бурения шпура.

Масса бурильных установок вместе с ходовым колесным или гусеничным оборудованием составляет 2—3 т.

В качестве рабочего инструмента применяют коронки, аналогичные ко­ронкам для перфоратора и имеющие несимметричную заточку. При этом для бурения пород мягких и ниже средней крепости передний угол у заточки лез­вия принимается равным 10—15°, а для крепких пород — 20—25°. Угол заточки задней грани р = 45 ч-60°.

Основными параметрами бурильных машин этой группы являются энергия единичного удара, число ударов за один оборот бурового инструмента, частота вращения и величина усилия подачи бурового инструмента.

При этом особое значение имеет пра­вильный выбор энергии единичного уда­ра, которая должна быть достаточна для обеспечения объемного разрушения породы. Так, для пород с коэф­фициентом крепости/= 10-г-12и/= 14-1-16 энергию единичного удара рекомендуется принимать равной соответственно 40—50 и 70—80 Дж. При увеличении коэффициента крепости породы более 12 рекомендуется увеличивать частоту ударов на один оборот бурового инструмента с 20 до 30, а величину усилия по­дачи уменьшать с 12 до 8 кН.

При уменьшении крепости породы основное внедрение инстру­мента и объемное разрушение породы происходят под действием крутящего момента и осевого усилия, а ударная нагрузка носит лишь вспомогательный характер.

Теория работы и основы расчета ударного механизма в машинах ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения анало­гичны описанным для перфораторного (ударно-поворотного) бу­рения (см. § 2 гл. 3).

ЭКСПЛУАТАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ МАШИН

Высокопроизводительная безаварийная работа бурильных ма­шин может быть достигнута лишь при наиболее полном соответ­ствии горным условиям конструктивного типа, вспомогательного оборудования, технической исправности оборудования, соблюде­нии правил эксплуатации и техники безопасности.

Буровая машина обслуживается двумя рабочими. После того как она установлена в выработке под заданным углом наклона и надежно укреплена распорными домкратами, приступают к ее опробованию вхолостую. Перед этим проверяют правильность установки пылеуловителя и оросительного устройства. Перед бу­рением необходимо убедиться, что все вращающиеся части машины надежно закрыты ограждениями.

При забуривании следует избегать слишком больших подач и частоты вращения бурового инструмента во избежание искривле­ния скважины. Особое внимание следует уделять правильности направления бурового инструмента. По мере углубления шпура или скважины можно увеличивать скорость подачи и осевое уси­лие, выбирая при этом оптимальный режим бурения.

Для соблюдения прямолинейности скважины необходимо: производить бурение исправным инструментом; следить за каче­ственной заточкой резцов; правильно устанавливать и надежно закреплять машину; ставить вслед за коронкой опорный фонарь. Разность диаметров коронки и опорного фонаря не должна пре­вышать 3—4 мм.

В случае обрыва буровой штанги или ее зависания в скважине работа должна производиться с соблюдением особых мер предо­сторожности. Во избежание несчастных случаев при внезапном обрыве штанги не следует находиться против устья скважины.

Чтобы исключить зажим бурового става в скважине, не сле­дует прерывать бурение. При бурении скважин в пластах, опасных по внезапным выбросам угля или газа, применяют специаль­ные меры предосторожности.

При работе с перфораторами следует особое внимание уделять борьбе с пылью, образующейся при бурении. Подавление пыли наиболее успешно осуществляется промывкой шпура водой или смачивающими растворами, а также отсасыванием пыли. Пита­ние промывочной жидкостью наиболее удобно производить от шахтной водопроводной сети.

Работа перфораторов сопровождается значительными шумом и вибрацией. Для борьбы с шумом нужно использовать индиви­дуальные средства защиты типа наушников, а для уменьшения воздействия вибрации — оборудовать перфораторы виброгася-щими рукоятками.

Высокопроизводительная безаварийная работа бурильных ма­шин, уменьшение износа и повышение работоспособности деталей в значительной мере зависят от ухода за ними, строгого соблюде­ния правил эксплуатации и своевременного осмотра, промывки, ремонта и смазки.

ОТБОЙНЫЕ МОЛОТКИ

§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, УСТРОЙСТВО

Пневматический отбойный молоток представляет собой руч­ной инструмент ударного действия, который используется при работе как клин и рычаг. Его исполнительный орган (пика) вне­дряется в уголь (или породу), отделяя его от массива.

Отбойные молотки используют главным образом при разработке крутых пластов в сложных горно-геологических условиях, когда невозможно применить другие, более эффективные средства меха­низации – комбайны и струги. Кроме того, они находят при­менение при разработке некрепких сланцев, руд, при строитель­ных и вспомогательных работах.

Пневматические отбойные молотки изготовляются Томским электромеханическим заводом им. . Их техниче­ская характеристика дана в табл. IV.9. Рабочее давление воздуха в молотках принято 0,5 МПа.

Проведены большие работы по типизации и унификации основ­ных узлов и деталей пневматических отбойных молотков. Исклю­чение составляют только стволы и ударники, имеющие разные раз­меры, однако их диаметры тоже унифицированы. Дальнейшее со­вершенствование отбойных молотков ведется в направлении по­вышения их производительности, экономичности, надежности в работе, а также улучшения условии труда рабочего при их применении: уменьшения отдачи, вибрации, шума, пылеобразования.

Электрические отбойные молотки в подземных условиях не получили применения из-за меньшей производительности, надеж­ности и большей массы, чем у пневматических отбойных молотков. Некоторое применение они имеют на поверхности шахт при строи­тельных и других работах.

Пневматический отбойный молоток МО39 (рис. IV.43) состоит из исполнительного органа – пики, удерживающей ее пружины 16, ствола 11с промежуточным звеном 4, внутри которых расположен воздухораспределительный и ударный механизмы, рукояти / с виброгасящнм устройством.

Сжатый воздух подводится к молотку но гибкому рукаву, который присоединяется с помощью ниппеля 22, штуцера 20 и гайки 21. Для предотвращения самоотвертывания штуцера уста­навливается пружинная шайба 19. Рукав имеет диаметр 16 мм и длину не более 12 м.

Ударный механизм состоит из ствола с запрессованными в него буксой 15 и перемычкой ствола 14 и ударника 12. Ударный меха­низм предназначен для преобразования энергии сжатого воздуха в механическую работу движущегося ударника, который наносит удары по хвостовику пики.

Воздухораспределительный механизм состоит из клапанной коробки 6 с кольцом 5 и двумя клапанами 7, выполненными в виде плоских сегментов. Воздухораспределительный механизм пред­назначен для подачи сжатого воздуха в цилиндр ствола, т. е. в камеру Г прямого хода ударника и в камеру Д обратного хода, а также для выпуска отработанного воздуха в атмосферу.

Для подвода сжатого воздуха к ударнику в стволе молотка про­сверлены продольные каналы, а для отвода отработанного воздуха используются каналы, которые образованы поверхностью ствола 11 и поверхностью стальной рубашки 13. На последней укреплено стопорное кольцо 10, которое удерживает от выпадания стопор 9 и используется для отвода воздуха из выхлопного канала. Стопор 0 предотвращает само­отвертывание резьбового ствола 11 и промежуточного звена 4. Два штифта 8 пре­дотвращают самопроизволь­ное смещение клапанной ко­робки 6 относительно ство­ла 11.

Пусковое устройство вы­полнено в виде скользящего по промежуточному звену 4 вкладыша 17 из фторопла­ста. Этот вкладыш прижи­мается к промежуточному звену усилием пружины и сжатым воздухом. При нажа­тии на рукоятку 1 отверстие во вкладыше совпадает с от­верстием в промежуточном звене и сжатый воздух по­ступает в воздухораспреде­лительное устройство мо­лотка, при этом пружины 2 сжаты.

При снятии усилия с ру­коятки 1 пружины 2 разжи­маются и отверстие в проме­жуточном звене 4 перекры­вается вкладышем 17 – моло­ток включен. Для предот­вращения утечек воздуха в пусковом устройстве уста­новлена манжета 18 из маслостойкой резины.

Для снижения вибрации молотка и уменьшения вред­ного влияния отдачи на орга­низм рабочего применена дополнительная камера В, которая расположена в конце обратного (холостого) хода ударника и позволяет значительно улучшить рабочий цикл и снизить отдачу молотка. Кроме того, применен виброизолятор 3, отделяющий корпус молотка от руко­ятки. Соединение рукоятки и промежуточного звена осуществлено двумя фиксаторами 23, которые постоянно удерживаются в раз­жатом состоянии виброизолятором 3. При включении и выклю­чении молотка фиксаторы перемещаются в пазах, имеющихся в рукоятке.

Принцип действия отбойного мо­лотка заключается в следующем (рис. IV.44). К началу холостого хода удар­ник и клапан находятся в нижнем положении. Сжатый воздух под давле­нием р0 по каналам над клапаном и продольному каналу а поступает в ка­меру Б под ударник. В результате этого ударник перемещается вверх, вытесняя воздух из верхней полости А в атмосферу через выхлопные отвер­стия Ь1 и Ь. г. Когда ударник перекроет эти отверстия, воздух в камере Л начнет сжиматься и при этом будет оказывать давление на клапан снизу. При даль­нейшем движении ударник откроет вы­хлопное отверстие Ь., вследствие чего давление в камере Б резко упадет и клапан переместится вверх, открыв путь сжатому воздуху в камеру А, — начнется рабочий ход ударника.

К началу рабочего хода ударник и клапан находятся в верхнем положении. Сжатый воздух по каналам под золотником поступает в камеру А над ударником. Под давлением сжатого воздуха и соб­ственного веса ударник перемещается вниз, вытесняя наружу воз­дух из камеры Б через выхлопные отверстия Ьх и Ьг. Когда ударник перекроет эти отверстия, воздух в камере Б начнет сжиматься, увеличивая через канал а давление на клапан сверху. Далее удар­ник откроет своей задней кромкой выхлопное отверстие Ьъ дав­ление в камере А и под золотником резко упадет — золотник пере­местится вниз, ударник нанесет удар по хвостовику пики, после чего начнется холостой ход ударника.

Для предохранения ствола молотка от разрыва при холостых ходах ударника в молотках типа МО предусмотрен воздушный буфер.

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

К основным параметрам отбойного молотка относят: энергию и мощность удара, частоту ударов, расход сжатого воздуха и производительность.

§ 3. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОТБОЙНЫХ МОЛОТКОВ

Отбойные молотки, поступившие с завода, следует разобрать, очистить от смазки и пыли, промыть в керосине, собрать, смазать и опробовать в работе. Перед началом работы в забое необходимо убедиться, что забой надежно закреплен и находится в нормальном состоянии, что давление сжатого воздуха в пределах нормы и мо­лоток исправен: ударник перемещается в стволе без заеданий, про­межуточное ЗЕено надежно закреплено стопором, хвостовик пики и ее острие не повреждены.

Затем необходимо вставить хвостовик пики в буксу молотка и закрепить ее, навинтив и застопорив пружину или концевой кол­пак на стволе.

Далее следует смазать молоток, для чего нужно налить масло в штуцер и, нажав на рукоятку, подать масло в молоток. Затем необходимо тщательно продуть рукав сжатым воздухом и, присо­единив его к молотку, опробовать молоток. Во время работы не­обходимо следить за исправностью молотка и рукава, не допуская перегиба последнего под острым углом. Два-три раза за смену сле­дует смазывать молоток, заливая 25—30 г индустриального масла 20А с добавкой 25–40% керосина.

Профилактический осмотр и ремонт молотков рекомендуется производить еженедельно с разборкой, промывкой и смазкой дета­лей. Ремонт молотков производится на поверхности шахт в спе­циально оборудованных мастерских. Разборка молотка в забое недопустима.

СРЕДСТВА ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ГОРНЫХ РАБОТ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Способ механизации горных работ, при котором все или основная часть операций технологического процесса осуще­ствляется за счет энергии движущегося потока воды, называет­ся гидромеханизацией.

Впервые подземный гидравлический способ добычи угля был разработан и осуществлен группой советских инженеров и уче­ных под руководством . Опытные работы по раз­рушению угля напорной струей воды и транспортированию угольной гидросмеси проводились в 1936–1937 гг. на Урале. В послевоенные годы развернулись также работы по гидрораз­мыву и гидротранспортированию в отвалы вскрышных пород на карьерах.

При гидравлической добыче применяются гидравлический, механогидравлический и взрывогидравлический способы разру­шения полезного ископаемого.

При гидравлическом способе вода высоконапорным насосом по водоводу подается к гидромонитору, из насадки которого выбрасывается струя воды под большим давлением (до 16 МПа), которая разрушает некрепкий уголь и некрепкие по­роды.

Размытые уголь или порода образуют вместе с водой гидросмесь, которая транспортируется самотеком по металли­ческим желобам (или по почве) с уклоном не менее 0,05 к ка­мере гидроподъема (думпфу). При этом соотношение твердой. (Т) и жидкой (Ж) фаз по объему, называемое консистенцией гидросмеси, составляет обычно 1/4–1/10.

Гидроподъем угля из неглубоких шахт производится углесо­сами, а из глубоких (более 400 м) –эрлифтами. Затем по тру­бопроводам гидросмесь поступает на обогатительную фабрику. Отработанная вода из обогатительной фабрики поступает в си­стему отстойников, а из них – в резервуар осветленной техни­ческой воды. Благодаря этому вода используется многократна в замкнутом цикле. Потери воды периодически компенсируются из шахтного водопровода или путем естественного притока шахтных вод.

На открытых горных работах гидросмесь из зумпфа перека­чивается по трубам грунтонасосами (землесосами) к месту укладки – гидроотвалу.

При отстаивании в гидроотвале вода отделяется от породы, осветляется и подается к насосной станции для повторного ис­пользования.

Горная порода разрушается потоком воды, притекающим к всасывающей трубе, и при разработке забоя плавучим земле­сосным снарядом (землесосом).

Преимущества гидромеханизации, благодаря которым она получила распространение в горном деле при подземной и от­крытой разработках полезных ископаемых: высокая производи­тельность труда; возможность попутного обогащения полезного ископаемого; относительная простота и малооперационность технологического процесса; отсутствие пылеобразования; низкаяс стоимость и малые размеры оборудования.

Механогидравлический способ предусматривает разрушение угля или некрепкой породы механическим способом (исполни­тельными органами механогидравлических комбайнов), а смыв разрушенной горной массы из забоя — водой, подводимой к ком­байну при давлении около 5 МПа. Механогидравлический спо­соб получил распространение при выемке крепких углей, когда использовать гидромониторы нецелесообразно. К этому способу можно отнести выемку пород на открытых работах землесосны­ми снарядами, снабженными рыхлителями.

Взрывогидравлический способ предусматривает разрушение полезного ископаемого или породы с применением буровзрыв­ных работ, а транспортирование разрушенной горной массы — смывом водой под давлением.

Этот способ в настоящее время не получил широкого распро­странения и применяется иногда на подземных рудниках.

ГИДРОМОНИТОРЫ

Гидромониторы, представляющие собой устройства для фор­мирования напорной струи и управления ее полетом с целью разрушения и смыва горных пород, классифицируют по следую­щим признакам:

по области применения – для подземных и открытых гор­ных работ;

по способу управления – с ручным, дистанционным и про­граммным управлением;

по способу перемещения – несамоходные (передвигаемые на салазках вручную, посредством гидропередвижчиков, лебедка­ми, тракторами и другими способами) и самоходные, имеющие гусеничные или шагающие органы перемещения.

Гидромониторные струи разделяют на низконапорные (до 1 МПа), средненапорные (от 1 до 5 МПа), высоконапорные (от 5 до 50 МПа) и сверхвысоконапорные (более 50 МПа).

На открытых горных работах промышленное применение получили средненапорные струи с давлением 1,5–3 МПа, а на гидрошахтах – высоконапорные струи с давлением 12–16 МПа.

Для формирования струи, выходящей из ствола гидромони­тора, служат насадки, представляющие собой фасонные трубки из стального литья со шлифованной внутренней поверхностью в форме конуса, переходящего плавно в цилиндр.

К основным техническим характеристикам гидромониторов можно отнести: рабочее давление воды (МПа), расход воды (м3/с), диаметр канала проточной части гидромонитора (мм), диаметр насадок (мм), угол поворота ствола (градус), вид управления, размеры и масса.

Гидромониторы ГМДЦ-4 (рис. 4.1) предназначены для гидроотбойки угля в очистных и подготовительных забоях при разработке пластов мощностью более 0,8 м с углами падения более 6°.

Основанием гидромонитора являются салазки 12, на кото­рых закреплена труба 22 напорного водовода диаметром 100 мм для подвода к стволу гидромонитора воды под давлением. На вертикальном участке 11 подводящей трубы установлена головка с крестовиной 13, которая дает возможность пово­рачиваться стволу 4 в горизонтальной плоскости. Поворотная головка имеет две полые цапфы 3, вокруг которых могут вра­щаться бобышки 14 и осуществлять поворот ствола 4 в верти­кальной плоскости. К поворотным бобышкам 14 прикреплены два обводных канала 23 для подвода воды к стволу 4 гидромо­нитора. В стволе имеется гидравлический сотовый успокои­тель 5, который разделяет с помощью продольных ребер поток воды на несколько параллельных потоков меньшего сечения. Это способствует формированию компактной водяной струи. Насадка 7 крепится к конусной части ствола 6 накидной гай­кой 8.

Ствол гидромонитора с помощью гидродомкрата 15 и зубча­того сектора 10 может поворачиваться в горизонтальной плос­кости на угол 90°, а при перестановке фиксирующего пальца — до 210°. Гидродомкратом 9 ствол может поворачиваться вверх на 80° и вниз на 20°.

Маслостанция для дистанционного управления состоит из насоса 2 с приводом от гидравлической турбины 17, масляного бака 19, фильтра 20 и контрольно-измерительной аппаратуры. Турбина приводится в действие водой, которая подается по на­порному рукаву 21 от гидромонитора. Рукава 18 (напорный и сливной) соединяют маслостанцию с-пультом дистанционного управления 1, закрепленным на винтовой стойке в 8—10 м от забоя. Рукава 16 соединяют маслостанцию с гидродомкратами 9 и 15 поворота ствола гидромонитора.

Гидромонитор ГПД12-5 работает в тех же условиях, что и гидромонитор ГМДЦ-4, но рабочее давление воды у него ниже (до 12 МПа).

Гидромонитор 12ГД-2 имеет большие диаметры наса­док, больший расход воды и соответственно большие габариты и массу комплекта.

Создан самоходный (на гусеничном ходу) гидромонитор 12ГП-2, рассчитанный на давление воды до 12 МПа. Управле­ние гидромонитором полуавтоматическое с дистанционным изменением программы. Скорость передвижения гидромонитора До 2,5 м/мин. Масса —3200 кг.

Готовится к производству гидромонитор 16ГД с рабочим давлением воды до 16 МПа и с дистанционным управлением. Диаметры насадок составляют 22; 25 и 28 мм. Общая масса — 550 кг.

Производительность гидромониторов для гидрошахт состав­ляет 30—60 т/ч для углей средней крепости и 50—100 т/ч — для некрепких углей.

В гидромониторах, применяющихся на открытых горных работах, используют насадки диаметром 52—200 мм.

При работе на гидромониторах необходимо соблюдать сле­дующие правила безопасности:

проводить работы по гидроотбойке с разрешения горного мастера или другого лица технического надзора, имеющего на это право;

при давлении воды свыше 3 МПа применять гидромониторы только с дистанционным управлением;

на открытых горных работах не допускается установка гид­ромониторов вдоль откосов и неукрепленных вертикальных сте­нок в пределах призмы обрушения породы;

при подземных горных работах гидромониторщику следует находиться в надежно закрепленном безопасном месте и рабо­тать только при исправном оборудовании и хорошем освеще­нии;

не допускать одновременного двустороннего размыва заходки встречными струями двух гидромониторов, установленных в соседних забоях;

для исключения несчастных случаев, вызванных разрывами гидромониторов, запорной арматуры и трубопроводов, не до­пускается превышение давления, установленного инструкцией по эксплуатации;

запрещается работать на гидромониторе с неисправным манометром или без него;

при отсутствии воды в напорном трубопроводе необходимо плотно закрыть задвижку, выяснить причину отсутствия воды и после устранения неполадок или отказов получить разреше­ние на дальнейшее производство работ;

ремонт и подготовку высоконапорного водовода к работе производить при закрытой задвижке;

по окончании работы выключать все оборудование.

МЕХАНОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

На гидрошахтах для проведения подготовительных вырабо­ток, осуществления нарезных и очистных работ короткими за­боями на пластах средней мощности с углами падения до 15° применяется комбайн со стреловидным исполнительным орга­ном К56МГ с гидросмывом разрушенной горной массы.

Производительность комбайна – 2,25 т/мин, расход воды – 100 –150 м3/ч, давление воды – 1–1,15 МПа. Комбайн прово­дит выработки высотой 1,9–2,5 м, шириной 2–3,4 м; мощность разрабатываемых пластов – 1,8–2,5 м; масса комбайна – 12,7 т.

Комбайн может работать по углям с сопротивляемостью резанию до 250 кН/м и присекать породы с коэффициентом кре­пости f ≤ 4 до 30% от площади забоя и абразивностью до 5 мг. Размеры выработки вчерне – 4–8,5 м2.

Для дистанционного управления гусеничным ходом комбай­на, его исполнительным органом и вспомогательными механиз­мами применяется аппаратура дистанционного управления ПДУ, изготавливаемая заводом «Гидромаш» в г. Новокузнецке Применение переносного пульта для дистанционного управле­ния комбайном позволяет находиться машинисту в безопасном закрепленном пространстве на расстоянии 8—12 м от комбай­на (в пределах видимости).

Копейским машиностроительным заводом им. ­ва выпускается для гидрошахт комбайн «Урал 38», который предназначен для проведения нарезных выработок и очистных работ.

Вода для гидросмыва отбитого угля и гидротранспортирова­ния его самотеком по почве пласта подводится к коронке стре­лы под давлением до 3 МПа.

Производительность комбайна до 2 т/мин. Комбайн может проводить выработки с площадью сечения от 1,6 до 5,4 м2 по углю с сопротивляемостью резанию до 200 кН/м с углом накло­на до 15°. Расход воды на гидротранспортирование – 150–300 м3/ч. Масса комбайна – 9,8 т. Комбайн снабжен пультом дистанционного управления.

Для подводной разработки пород гидравлическим способом применяются землесосные снаряды — плавучие землесосно-транспортирующие машины непрерывного действия.

Плавучий землесосный снаряд представляет собой судно с надстройкой (рис. 4.3), имеющее: рыхлитель 1, раму 2 рых­лителя, канат 3 подвески рамы рыхлителя с подъемной лебед­кой 14, стрелу 4 с подвеской 5, двигатель 6 рыхлителя, всасы­вающий патрубок 7, грунтовый насос 8, двигатель 9 грунтово­го насоса, напорный пульпопровод 10.

Силовое оборудование землесосных снарядов может быть электрическим и дизельным.

По производительности Q (м3/ч) земснаряды делятся на три группы: малой мощности Q ≤ 100 м3/ч, средней Q = 100÷500 м3/ч и большой Q≥500 м3/ч.

Земснаряды, применяемые на открытых горных работах, имеют обычно электропривод.

Технические данные плавучих землесосных снарядов, вы­пускаемых отечественной промышленностью, приведены ниже.

Грунтонасосами породы разрушаются за счет энергии пото­ка воды, засасываемой насосом. Необходимая скорость транс­портирования для песка составляет 0,35—0,7 м/с, для гравия – более 2,5 м/с.

Для разработки пород с каменистыми включениями исполь­зуют фрезерные рыхлители.

Для удержания земснаряда на рабочем месте и осуществле­ния его рабочих перемещений служат свайный аппарат 11 с лебедками 12 лебедки поворота 13 и канаты 15 с якорями, при помощи которых производятся веерообразные перемещения всасывающего устройства и поступательное движение земсна­ряда. Лебедки поворота одновременно служат для создания давления на фрезерном рыхлителе.

Рис. 4.3. Схема плавучего землесосного снаряда

ЭКСКАВАТОРЫ

Для погрузки породы в камерах мощных пологих месторожде­ний, а также при проведении выработок большого сечения успешно применяют одноковшовые экскаваторы типа прямой механической лопаты. При этом в ряде случаев для работы в подземных условиях используют обычные маломощные универсальные полноповорот­ные строительные экскаваторы типов Э652, Э801 с ковшом ем­костью 0,65—1,25 м3, комплектуемые сменным оборудованием крана, прямой и обратной лопат. Основными недостатками строи­тельных экскаваторов являются большие габариты и неприспособ­ленность к эксплуатации в подземных условиях, не могут пере­мещаться по подземным выработкам, не разбираются на транспор­табельные блоки, их монтаж и демонтаж в подземных условиях чрезвычайно затруднены.

К подземным экскаваторам предъявляется ряд дополнительных требований: обеспечение высокой производительности (до 500 т/смену) при небольших габаритах, позволяющих не только работать в небольших камерах, но и транспортировать машину по горным выработкам, высокая маневренность, способность грузить негабаритные куски и зачищать почву, обеспечивать без­опасность и комфортность работы машиниста.

Специализированными подземными экскаваторами являются Э6514, Э7515, ЭП1 и ЭПГ1 и другие, технические характеристики которых приведены в табл. VI. 1.

Экскаватор ЭП1 предназначен для очистных забоев подземных рудников. С его помощью можно грузить горную массу кусковатостью до 800 мм в камерах высотой не менее 6 и шириной не менее 10 м.

Рабочее оборудование экскаватора ЭП1 (рис. VI. 1) помимо сварного ковша 4 емкостью 1 м3, рукояти 3 с жестким напором и стрелы 1, состоящей из двух продольно сваренных из листового проката балок коробчатого сечения, включает в себя головные и стрелковые блоки 2 и 5, тяговые цени 6 напора и механизм 8 открывания днища 7 ковша. Нижний конец стрелы шарнирно крепится к поворотной платформе, а верхний – поддерживается стреловыми канатами 9, проходящими через блоки 5. Подъемное усилие на ковше создается с помощью подъемных канатов 10, переходящих через головные блоки 2. Напорное усилие на ковше создается механизмом напора, привод которого расположен на поворотной платформе, а исполнительный механизм – на стреле. Передача крутящего момента на исполнительный механизм осу­ществляется тяговой цепью 6. В качестве привода механизма открывания днища ковша служит пневмоцилиндр. Закрывание ковша происходит автоматически при его опускании.

Конструктивными особенностями экскаватора ЭП1 являются: возможность его разборки на отдельные транспортабельные узлы; уменьшенные габариты по сравнению с другими экскава­торами данного типа (емкостью ковша 1 м3); защита бронирован­ными листами рабочего места машиниста и задней части машины; усиленное освещение призабойного пространства; применение легированных сталей для изготовления наиболее нагруженных узлов и деталей и т. д.

Рис. VI. 1. Подземный экскаватор ЭП1

Производительностью экскаватора называют объем горной массы, отгруженной за единицу времени. Различают теоретиче­скую, техническую и эксплуатационную производительности экскаваторов.

Теоретическая производительность Q (м3/ч) определяется по формуле

где q — емкость ковша, м3; п — число циклов работы экскаватора в минуту, 1/мин; То — теоретическая длительность цикла, с.

Техническая производительность Qтех (м3/ч) определяется с учетом свойств разрабатываемых пород и потерь времени на пере­мещение экскаватора из одного забоя в другой:

где kн = 0,8÷1,1 — коэффициент наполнения ковша; kр = 1,1÷1,5 — коэффициент разрыхления породы в ковше экскаватора; tр — время работы экскаватора из одного положения, с; tп — время на одну передвижку экскаватора, м.

Эксплуатационная производительность Qэ (м3/ч) составляет

где kм – коэффициент машинного времени.

Повышения производительности подземных экскаваторов можно добиться сокращением длительности цикла работы благо­даря более рациональной расстановке оборудования, уменьше­нием угла поворота и совмещением отдельных операций, а также лучшим дроблением горной массы, при котором увеличивается коэффициент заполнения ковша и сокращается длительность цикла в связи с более быстрым его заполнением.

Не менее важным являются организация обслуживания и ре­монта, высокая квалификация обслуживающего персонала и соблюдение правил эксплуатации и техники безопасности всеми рабочими, находящимися в забое при ведении работ. В частности, во время работы, экскаватор должен быть заземлен и гусеницы его заторможены. При остановке экскаватора или ведении каких-либо работ на рабочем оборудовании ковш должен быть опущен на породу. При перемещении экскаватора путь для его движения должен быть спланирован, а ковш опорожнен и подтянут к стреле.

БУЛЬДОЗЕРЫ

Бульдозерами называют горные машины прерывного действия, предназначенные для послойного срезания, соскребания и про­дольного перемещения толканием-волочением насыпного груза на небольшие (обычно до 100 м) расстояния.

Бульдозер состоит из ходовой тележки 1 (рис. VI.2) с приво­дом 6, отвала 5, которым перемещается груз толканием-волоче­нием, оборудования 2 для управления отвалом, двух толкающих брусов 3 с подкосами 4 и приводной лебедки 7.

В горной промышленности бульдозеры особенно широко при­меняют на открытых разработках и на поверхности шахт, однако в последние годы они находят все большее применение и на под­земных работах для зачистки и выравнивания почвы забоя, кон­центрации горной массы в месте погрузки ее экскаватором, ото­двигания взорванной горной массы от забоя с целью подготовки забоя к бурению, перемещения бутов, транспортирования горной массы на расстояние до 40—50 м, устройства и содержания дорог при безрельсовом транспорте и на других работах.

Принцип работы бульдозера заключается в том, что, переме­щаясь собственным ходом (аналогично гусеничным тракторам), бульдозер подходит к требуемому месту работы, опускает отвал на почву и, перемещаясь вперед (а иногда и назад), соскребает горную массу, располагающуюся перед отвалом в виде призмы волочения. Дальше бульдозер перемещает захваченную горную массу на некоторое расстояние толканием-волочением и затем разгружается, сталкивая ее с откоса, поднимая отвал или отходя назад. Затем бульдозер возвращается к месту заполнения отвала, и рабочий цикл повторяется.

К конструкции бульдозера, применяемого на подземных ра­ботах, по сравнению с общепринятыми для строительных работ предъявляются дополнительные требования, связанные со спецификой их эксплуатации. Так, при зачистке почвы выработки неровности скальной породы не могут быть срезаны ножом от­вала. В связи с этим отвал подземного бульдозера, который не срезает грунт, а перемещает скальную породу толканием-волоче­нием, должен иметь повышенную точность управления, чтобы обходить встречающиеся неровности и принудительно прижи­маться к почве выработки. В связи с

Рис. VI.2. Схема универсального поворотного бульдозера

необходимостью работы в тупиковых забоях и на отвалах, отвал подземного бульдозера должен быть выдвижным и двустороннего действия. Для переме­щения породы насторону отвал должен иметь возможность пово­рачиваться в процессе движения в плане на 30—60°. Вся конструк­ция бульдозера и особенно отвала должна обладать повышенной прочностью, износостойкостью и проходимостью. В связи со стес­ненными условиями горных выработок бульдозер должен раз­бираться на транспортабельные узлы с учетом сборки в шахтных условиях.

С целью классификации подземные бульдозеры могут быть подразделены:

по способу управления отвалом — на канатные и гидравли­ческие;

по возможности изменения угла установки отвала в плане (5—6°) — с поворотным и неповоротным отвалом;

по возможности изменения угла резания (5—6°) — с постоян­ным и переменным углом установки отвала;

по возможности перекоса отвала (3—6°) — допускающие пере­кос в вертикальной плоскости и не допускающие;

по типу ходового оборудования — гусеничные и колесные;

по роду потребляемой энергии — с двигателями внутреннего сгорания, электро - и пневмоприводом.

В отечественной горной промышленности в настоящее время используют несколько переоборудованные бульдозеры общего назначения и специально спроектированные для работы в под­земных выработках.

Техническая характеристика основных типов бульдозеров, применяемых в подземных условиях, приведена в табл. VI.2.

Основным недостатком дизельного привода на бульдозерах, ограничивающим их применение на подземных работах, является выделение выхлопных газов, содержащих токсичные вещества. Поэтому необходимо наличие специальных устройств для очистки выхлопных газов дизелей и их разрежения, а также более интен­сивное проветривание для поддержания в очистных забоях зага­зованности воздуха в пределах санитарных норм, что в ряде слу­чаев затруднительно и неэкономично.

В последние годы для подземных работ созданы специальные подземные бульдозеры с пневмоприводом (БПП1) и электропри­водом (БПДУ1 и БЭМ), которые выгодно отличаются от дизель­ных отсутствием загрязнения рудничной атмосферы выхлопными газами.

Подземные бульдозеры оборудованы гусеничным ходом и пред­назначены для механизации доставки руды с целью закладки при отработке камер на участках средней мощности, а также для ра­боты в аналогичных условиях взамен скреперной доставки.

Интересна конструкция подземного малогабаритного электри­ческого бульдозера БЭМ, который предназначен для доставки отбитой горной массы в выработках высотой не ниже 0,5 м на шах­тах, не опасных по газу или пыли. Бульдозер оборудован гусенич­ным ходом / (рис. VI.3) и отвалом 2 длиной 2,32 м. Эластичная подвеска ходовых тележек увеличивает проходимость бульдозера массой около 7 т. Отвал выполнен выдвижным и с обратным ходом, что дает возможность доставлять горную массу как при ходе вперед, так и при ходе назад, например при работе в тупико­вых выработках. Подъем, опускание и выдвижение отвала произ­водят с помощью шарнирно закрепленной стрелы 3 и гидроцилин­дров 4 и 5, работающих от гидропривода, развивающего давление 8 МПа. При работе прямым и обратным ходом нижняя, шарнирно прикрепленная часть 6 отвала отклоняется соответственно вперед или назад и опирается на кронштейн 7 стрелы или удерживается тягами 8. Для зачистки почвы бульдозер

Рис. VI.3. Подземный электробульдозер БЭМ

комплектуется сменным отвалом и изменяемым углом резания. Кроме того, может приме­няться другое навесное оборудование.

Электродвигатель бульдозера переменного тока мощностью 41 кВт питается переменным током напряжением 380 В и разви­вает скорость перемещения 0,78—1,07 м/с при напорном усилии 40—60 кН. Кабельный барабан 9 для увеличения маневренности машины, оборудованной самоустанавливающейся стрелой 10 может наматывать кабель 11 длиной 55 м. Техническая произво­дительность электробульдозера составляет до 44 м3/ч при уборке лавы длиной до 50 м.

Техническая производительность бульдозера QT (м3/ч) в плот­ном теле (в массиве)

где В и Н – ширина и высота отвала, м; k0 – коэффициент потерь объема породы при перемещении, зависящий от длины транспор­тирования L, м, может определяться по приближенным формулам (k0 = (l ÷ 0,005L); kp – коэффициент разрыхления породы (kp = 1,25 ÷ 1,3); φд – угол естественного откоса породы в движении градус.

Продолжительность цикла работы бульдозера

,

где l1, l2 и l3 — отрезки пути, на которых происходит соответ­ственно заполнение отвала, транспортирование породы и движе­ние без груза, м; v1, v2 и v3 – средние скорости движения буль­дозера соответственно при заполнении отвала, перемещении по­роды и движении без груза, м/с; t0 = 8 ÷10 – время, затрачивае­мое на разворот бульдозера, переключение скоростей, подъем и опускание отвала и другие вспомогательные операции, с.

Эксплуатационная производительность бульдозера Q3 (м3/см) будет

,

где Т — длительность смены, ч; kи — коэффициент использо­вания бульдозера во времени.

При работе бульдозеров необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. В частности, обслуживать бульдозеры могут только лица, прошедшие специальные курсы обучения и имеющие соответствующее удостоверение. Запрещается работа на бульдозере при уклонах более 30° или при поврежденной си­стеме управления. Запрещается пребывание людей в сфере работы бульдозера и ремонт или регулировка бульдозера вплоть до пол­ной его остановки. Должны строго соблюдаться правила пожарной безопасности и правила, относящиеся к эксплуатации машины с электроприводом и т. д. Нельзя оставлять бульдозер с включен­ным приводом и незаторможенным ручным тормозом.

При обслуживании и ремонте бульдозера и во всех других случаях категорически запрещается находиться под узлами и деталями, которые удерживаются фрикционными тормозами или гидроустройствами, без устойчивой опоры их на специальные подкладки. Запрещается подогревать двигатель открытым пламе­нем, а также находиться под машиной при работающем двигателе и вблизи гибких рукавов гидропривода, так как лопнувший рукав может причинить тяжелые увечья. Заправлять машины горючими и смазочными материалами следует днем или при нормальном электрическом освещении. При заправке категорически запре­щается курить, зажигать спички или пользоваться керосиновыми или неисправными электрическими фонарями.

СКРЕПЕРЫ

Самоходными скреперами называют горные машины прерыв­ного действия, предназначенные для соскребания или срезаниягорной массы, перемещения ее на некоторое расстояние в ковше, разгрузки и разравнивания. В отличие от бульдозера самоходные скреперы перемещают груз толканием-волочением только в период зачерпывания или разгрузки, одновременно разравнивая его, а транспортирование груза производят в ковше. Благодаря этому в сравнении с бульдозерами самоходные скреперы перемещают груз на значительно большие расстояния, обычно достигающие 300 м, а в отдельных случаях – 500 м.

По конструктивному исполнению самоходные, или колесные, скреперы подразделяют на машины для работы на поверхности и в подземных условиях. При этом на открытых работах и на поверхности шахт колесные скреперы получили широкое распро­странение как землеройно-транспортные машины, а на подземных работах их применяют в основном в очистных забоях. Соответ­ственно назначению и условиям применения емкость ковша у скре­перов, используемых на открытых работах, изменяется от 1,5 до 50 м3, а у подземных она не превышает 3 м3.

Колесный скрепер состоит из рамы 1 (рис. VI.4), ходового оборудования 2, прицепного устройства 3, ковша 4, заслонки 5 ковша и механизмов управления 6. Исполнительным органом ко­лесного скрепера является ковш 4, который в начале заполнения опускается вниз до необходимого заглубления в почву, и его перед­няя заслонка 5 при этом приподнимается. По мере движе­ния колесного скрепера вперед ковш заполняется срезаемым грунтом.

Подземные скреперы всегда выполняются самоходными и в значительной мере повторяют конструкции подземных бульдо­зеров, которые при небольших длинах доставки успешно заменяют скреперы. Для доставки горной массы на большие расстояния проектируются специальные подземные скреперы, состоящие из ходовой части гусеничного или колесного типа (аналогично приме­няемой на бульдозерах), ковша (навешивается вместо отвала буль­дозера) и системы управления. Подземные самоходные скреперы только начинают внедряться на рудниках и находят применение в основном на очистных работах. Поскольку машины этого типа выполняют функции погрузки и доставки горной массы, их иногда называют погрузочно-доставочными с совмещенным органом по­грузки и доставки. Более мощные машины данного типа выпол­няют по аналогичной схеме, но с различным конструктивным оформлением рабочего и ходового оборудования и большими емкостью, мощностью и грузоподъемностью. Так, машины ДК2,8 и ДК2.8Д массой около 20 т, предназначенные для работы в выра­ботках сечением не менее 14 м2, выполняют с ковшом емкостью 2,8 и 5 м3.

Эксплуатационная производительность Qэ (тч) скрепера может быть определена по формуле

где V – геометрическая емкость ковша скрепера, м3; kн = 0,6÷1,25 — коэффициент наполнения ковша; kи – коэффициент использозания скрепера; kр – 1,1÷1,4— коэффициент разрыхле­ния горной массы; γ – плотность горной массы, т/м3.

Продолжительность цикла работы скрепера

,

где l1, l2, l3, l4 – отрезки пути соответственно при заполнении ковша, транспортировании породы, разгрузке ковша и движении порожнего скрепера, м; v1, v2, v3, v4 – скорости движения соот­ветственно при заполнении скрепера, груженого скрепера, при разгрузке и порожнего скрепера, м/с; to – время, затрачиваемое на неучтенные операции, с.

Особенности эксплуатации и правила техники безопасности во время ремонта подземных скреперов в значительной мере такие же, как и у бульдозеров. Помимо этого, запрещается нака­чивать шины воздухом сверх разрешаемого максимального давле­ния, а разбирать и собирать колеса следует только после того, как давление будет понижено. Категорически запрещена перевозка людей в ковше скрепера.

Рис. VI.4. Рабочее оборудование колесного скрепера