СТАНОК ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Полезная модель относится к комбинированным ударно-вращательным буровым станкам, а именно к станкам с непрерывным вращением, и может найти применение при проходке горизонтальных и наклонных скважин в подземных горных выработках и карьерах.
Известен гидроимпульсный силовой механизм (А.С. №727419, МПК B25D 9/04, Б.И. №14-1980). Он содержит корпус, гидропульсатор с приводом, в качестве которого может быть кривошипно-шатунный, эксцентриковый или иной механизм, обеспечивающий продольные колебания плунжера гидропульсатора, инерционную массу, поджатую пружиной к продольным боковым стенкам полого упругого элемента (гидравлического шланга), имеющего гидравлическую связь с силовым гидроцилиндром и поршнем, который также подпружинен. Инерционная подпружиненная масса и поршень силового гидроцилиндра установлены так, что могут совершать поперечные колебания относительно полого упругого элемента. С целью повышения нелинейности и жесткости заполненного жидкой средой полого упругого элемента поршень силового гидроцилиндра поджат пружиной, помещенной в одном корпусе с инерционной массой. Под импульсным воздействием поршня силового гидроцилиндра на исполнительный или рабочий орган в последнем возникают силовые импульсы, которые интенсифицируют технологический процесс. Устройство предназначено для использования в горном производстве, строительстве, вибрационной технике и т.д. Основное его преимущество заключается в низком уровне шума ввиду отсутствия соударяющихся деталей.
Известны бурильные машины ударно-вращательного действия с гидравлическим, пневматическим и электрическим приводом для проходки скважин в подземных горных выработках (Н.С.Родионов и др. Горное и буровое оборудование. М.: Недра, 1983, С.53-54. Прототип). Эти бурильные машины состоят из следующих трех основных технологических узлов или механизмов: вращательного узла шпиндельного или роторного типа, механизма подачи бурового инструмента на забой с гидравлическим, пневматическим или механическим приводом и ударного механизма. При этом ударный механизм состоит из цилиндра, поршня (ударника, бойка) и системы распределения жидкой или газообразной среды, посредством которой поршень получает возвратно-поступательное движение. В процессе своих перемещений поршень наносит удары по
хвостовику колонны буровых штанг, вследствие чего эффективность проходки скважины значительно возрастает.
Недостатки вышеназванных бурильных машин состоят в следующем:
- при ударах поршня по хвостовику колонны буровых штанг в горной выработке образуется сильный шум, что негативно сказывается на условиях труда рабочих;
- под воздействием ударов в колонне буровых штанг возникают сильные вибрации, отрицательно влияющие на работу узлов бурильной машины и резьбовых соединений буровых штанг.
Поставлена задача снизить уровень шума в горной выработке и интенсивность вибраций буровых штанг.
Эта задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом станок для бурения скважин в подземных условиях содержит вращательный узел, механизм подачи бурового инструмента на забой и ударный узел. Согласно полезной модели ударный узел станка представляет собой генератор ударных гидравлических импульсов, который состоит из гидравлически связанных между собой гидропульсатора с приводом и размещенных в одном корпусе устройства для коррекции формы гидравлических импульсов и силового гидроцилиндра с поршнем. При этом гидропульсатор выполнен в виде гидроцилиндра с плунжером, устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент с нелинейной характеристикой, заполненный жидкостью и зажатый посредством пружины между инерционной массой и днищем силового гидроцилиндра, а поршень силового гидроцилиндра подпружинен и оперт о хвостовик колонны буровых штанг.
Далее сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 - расположение основных технологических узлов станка и схема проходки скважины;
- на фиг.2 - конструкция генератора ударных гидравлических импульсов;
- на фиг.3 - форма гидравлического импульса до прохождения через корректирующее устройство;
- на фиг.4 - положение инерционной массы при прохождении гидравлического импульса (в поперечном сечении);
- на фиг.5 - положение инерционной массы после прохождения гидравлического импульса (в поперечном сечении);
- на фиг.6 - форма гидравлического импульса после прохождения через корректирующее устройство.
Станок для бурения скважин в подземных условиях включает следующие основные технологические узлы и механизмы (фиг.1):
- вращательный узел 1 шпиндельного или роторного типа. Он предназначен для придания вращения колонне буровых штанг 2 с буровым долотом 3;
- механизм подачи 4 с гидравлическим или механическим приводом для подачи бурового инструмента в составе колонны буровых штанг 2 и бурового долота 3 на забой буровой скважины 5;
- генератор ударных гидравлических импульсов 6.
Генератор ударных гидравлических импульсов 6 (фиг.2) состоит из гидравлически связанных между собой гидропульсатора 7 и размещенных в одном корпусе 8 устройства для коррекции формы гидравлических импульсов 9 и силового гидроцилиндра 10. Гидропульсатор 7 состоит из гидравлического цилиндра 11 с плунжером 12, приводимого в действие кривошипно-шатунным, эксцентриковым или иным механизмом 13. Устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент 9, который заполнен жидкостью, имеет нелинейную характеристику и посредством патрубка 14 соединен с силовым гидроцилиндром 10. Этот полый упругий элемент с помощью пружины 15 зажат между инерционной массой 16 и днищем гидроцилиндра 10, вследствие чего в поперечном сечении он приобретает эллипсовидную форму. При этом поршень 17 силового гидроцилиндра 10 поджат пружиной 18 и оперт о хвостовик 19 колонны буровых штанг 2.
Станок для бурения скважин в подземных условиях работает следующим образом (фиг.1). Приводят в действие вращательный узел 1, в результате чего буровой инструмент в составе колонны буровых штанг 2 и бурового долота 3 получает вращение. После этого включают в работу механизм подачи 4, который обеспечивает продвижение бурового инструмента к забою скважины 5 и плотный контакт бурового долота 3 с горной породой забоя. Затем приводят в действие генератор ударных гидравлических импульсов 6.
При включении привода 13 гидропульсатора 7 плунжер 12 в гидравлическом цилиндре 11 совершает возвратно-поступательные движения (фиг.2), которые вызывают образование гидравлических импульсов с формой, приведенной на фиг.3, характеризуемой плавным нарастанием фронтальной части импульсов. В свою очередь эти гидравлические импульсы вызывают вынужденные колебания жидкости в полом упругом элементе 9, зажатом посредством пружины 15 между инерционной массой 16 и днищем силового гидроцилиндра 10. Так как гидравлический импульс в процессе перемещения по полому упругому элементу 9 преодолевает сопротивление жидкой среды, то в момент его прохождения последний расширяется, что сопровождается перемещением
инерционной массы 16 в радиальном направлении относительно полого упругого элемента 9 (фиг.4). После прохождения гидравлического импульса инерционная масса 16 под воздействием пружины 15 возвращается в исходное положение (фиг.5). Таким образом, инерционная масса 16 совершает поперечные колебания, причем частота этих колебаний близка к частоте вынужденных колебаний жидкой среды. Это означает, что плунжер 12 гидропульсатора 7 и инерционная масса 16 работают на частотах, близких к резонансным. Указанные два фактора - перепады давления жидкости в месте расположения инерционной массы и резонансные явления при работе гидропульсатора 7 и инерционной массы 16 сопровождаются изменением формы гидравлического импульса. Как видно из рисунка фиг.6 фронт гидравлического импульса приобретает более крутую форму, а, следовательно, ударная сила импульса значительно возрастает. Сформированный ударный гидравлический импульс поступает в силовой гидравлический цилиндр 10, воздействует на поршень 17 и через хвостовик 19 по колонне буровых штанг 2 достигает бурового долота 3. Под его воздействием буровое долото 3 внедряется в горную породу забоя скважины 5 и тем самым обеспечивает повышение эффективности процесса бурения.
Технический результат полезной модели: снижение уровня шума в горной выработке и уменьшение вибраций бурового инструмента.