МЕХАНОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СНАРЯД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВОССТАЮЩИХ СКВАЖИН
MECHANICAL-HYDRAULIC GEAR FOR IMPLEMENTATION OF UPWARD BOREHOLES

Изобретение относится к горному делу, в частности к средствам механизации безлюдной выемки угля, например, в условиях гидрошахт.
Известен механогидравлический снаряд для проведения восстающих скважин (а.с. СССР №1244302 Е21С 27/02, 45/00, 25/60, Бюл. №26, 1986), включающий несущую раму, исполнительный орган (ИО) в виде двух симметрично расположенных относительно оси рамы в горизонтальной плоскости режущих коронок противоположного вращения с приводными гидродвигателями, синхронизаторы частоты вращения этих двигателей в форме горизонтальной подрезной штанги и подающее устройство - двухлинейный став шарнирно сочлененных трубчатых звеньев с приводом их подачи на нижележащей выработке. Этот снаряд действует по способу толкания и принят за прототип; его основные недостатки:
- высокие материалоемкость конструкции и трудоемкость обслуживания, обусловленные громоздкостью подающего устройства.
Приводными гидродвигателями режущих коронок ИО прототипа являются осевые гидротурбины. Известен приводной гидродвигатель - водяной двигатель объемного типа с качающимися шиберами (патент RU №2295062, МПК F04C 2/44, F03С 2/30, Бюл. №7, 2007). Известно бурильно-анкерующее устройство (БАУ), включающее буровой инструмент, невращающуюся буровую штангу, вращатель по патенту RU №2295062 с закрепленным на его валу буровым инструментом, анкерующий механизм пружинно-поршневого типа с кольцевым расклинивающим гидроцилиндром на буровой штанге, подающий гидроцилиндр со штоком, корпусом и силовыми полостями и гидросистему управления с двумя реверсивными золотниковыми распределителями с выдвижными элементами (патент RU №2286454, МПК Е21С 35/00, Бюл. №30, 2006). Заметим, что ось этого БАУ в связи с иной задачей направлена перпендикулярно оси механогидравлического снаряда, которым является горная нарезная машина.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. снижение массы снаряда и трудоемкости его обслуживания.
Технический результат достигается тем, что механогидравлический снаряд для проведения восстающих скважин, включающий
несущую раму, исполнительный орган в виде двух симметрично расположенных относительно продольной оси снаряда в горизонтальной плоскости режущих коронок противоположного вращения и приводные гидродвигатели, использующие в качестве энергоносителя воду,
снабжен бурильно-анкерующим устройством, системой управления, которая имеет в своем составе, по крайней мере, два реверсивных золотниковых распределителя с выдвижными элементами, и маслостанцией с гидролинией нагнетания.
При этом бурильно-анкерующее устройство установлено по продольной оси снаряда с ориентированием его бурового инструмента в направлении движения снаряда и подключением его анкерующего механизма к гидролинии нагнетания маслостанции.
Дополнительно в систему управления снарядом введены две гидроуправляемые шиберные задвижки с выдвижными штоками, работающие в противофазе; при этом одна из задвижек включена в гидролинию подвода воды к приводным гидродвигателям и режущим коронкам исполнительного органа, а другая - в гидролинию подвода воды к вращателю бурового инструмента бурильно-анкерующего устройства, кроме того, один распределитель закреплен на несущей раме снаряда и кинематически соединен одновременно с выдвижными штоками обеих шиберных задвижек и гидравлически - с подающим гидроцилиндром бурильно-анкерующего устройства, а второй закреплен на штоке этого гидроцилиндра с возможностью введения своих выдвижных элементов в контакт попеременно с его корпусом или с несущей рамой снаряда и гидравлически соединен с управляющими полостями шиберных задвижек и расклинивающим гидроцилиндром анкерующего механизма бурильно-анкерующего устройства.
Такое усовершенствование прототипа позволяет заменить трудоемкий способ толкания механогидравлического снаряда на забой полностью автоматизированным способом подтягивания этого снаряда по заанкерованной в опережающей скважине буровой штанге, последовательно автоматически выдвигаемой авангардно по отношению к несущей раме с режущими коронками и анкеруемой в этой скважине, т.е. существенно снизить трудоемкость обслуживания снаряда. Дополнительно такое усовершенствование снаряда в десятки раз снижает материалоемкость снаряда, т.к. тяжелый двухлинейный трубчатый подающий став с опорными фонарями заменен легким бурильно-анкерующим устройством.
При этом снаряд работает по схеме: бурение опережающей скважины - анкерование снаряда за буровую штангу - надвигание исполнительного органа на буровую штангу с одновременным проведением основной скважины биноклеобразного сечения. Это исключает участие человека в управлении снарядом.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана гидрокинематическая схема механогидравлического снаряда, вид сверху, на фиг.2 изображено продольное сечение анкерующего механизма, на фиг.3 дано сечение А-А на фиг.1, на фиг.4 показано сечение Б-Б на фиг.1, на фиг.5 механогидравлический снаряд изображен при виде сбоку в момент проведения восстающей скважины.
На фиг.1-5 изображены: 1 - несущая рама, 2 - гидродвигатель маслостанции, 3 - маслостанция (МНС), 4 - гидролинии управления шиберными задвижками, 5 - шток подающего гидроцилиндра, 6 - шток задвижки вращателя, 7 - силовые полости задвижек, 8 - шток задвижки режущих коронок, 9 - задвижка режущих коронок, 10 - водовод режущих коронок, 11 - задвижка вращателя, 12 - водовод вращателя, 13 - задняя полость подающего гидроцилиндра (ПГЦ), 14 - передняя полость, 15 - корпус, 16 - ПГЦ, 17 - гидродвигатель левой режущей коронки, 18 - верхняя подрезная штанга, 19 - левая режущая коронка, 20 - правая режущая коронка, 21 - исполнительный орган снаряда, 22 - ось режущей коронки, 23 - ось снаряда, 24 - бурильно-анкерующее устройство (БАУ), 25 - буровой инструмент, 26 - вращатель, 27 - анкерующий механизм, 28 - буровая штанга, 29 - резцы исполнительного органа, 30 - гидродвигатель правой режущей коронки, 31 - гидролиния рабочей подачи снаряда, 32 - гидролиния рабочей подачи БАУ, 33 - распределитель управления ПГЦ, 34 - выдвижной элемент, 35 - захват (кинематическая связь элемента 34 со штоками задвижек), 36 - передний выдвижной элемент распределителя, 37 - распределитель управления задвижками, 38 - задний выдвижной элемент распределителя, 39 - ползун, 40 - упор на раме, 41 - гидролиния управления анкерующим механизмом, 42 - распорное устройство, 43 - гибкий рукав, 44 - распределитель МНС, 45 - силовая полость расклинивающего гидроцилиндра (РГЦ), 46 - кольцевой поршень, 47 - анкерующий башмак, 48 - пружинное кольцо, 49 - опережающая скважина, 50 - контур основной скважины, 51 - шестерня паразитная, 52 - коническая передача, 53 - подрезная штанга нижняя, 54 - редуктор, 55 - корпус вращателя, 56 - шибер, 57 - ротор (вал), 58 - отклонитель, 59 - пружина плоская, 60 - основная скважина.
c
п
бш
пш
к
На чертежах обозначены: R - максимальный радиус режущей коронки по резцам, r - максимальный радиус режущего инструмента БАУ, L - длина опережающей скважины, Х - ход поршня подающего гидроцилиндра, R - максимальный радиус буровой штанги, R - максимальный радиус подрезной штанги, R - максимальный радиус корпуса вращателя.
Снаряд называется «механогидравлическим», т.к. разрушение угля производится механическим путем, а транспорт разрушенной горной массы по скважине - преимущественно гидравлическим (при больших углах падения пласта указанное транспортирование твердого осуществляется за счет гравитации, а вода подается к снаряду для водяных двигателей, охлаждения режущего инструмента и пылеподавления).
В состав снаряда входят несущая рама 1 и исполнительный орган 21 в виде двух симметрично расположенных относительно продольной оси 23 снаряда в горизонтальной плоскости режущих коронок 19, 20 противоположного вращения и приводные гидродвигатели 17, 30, использующие в качестве энергоносителя воду. Через редукторы 54 и подрезные штанги 18, 53 (фиг.3) осуществлена синхронизация частот вращения этих двигателей. Противоположное вращение коронок и синхронизация оборотов двигателей способствуют уменьшению угла отклонения проводимой скважины от заданного направления в плоскости пласта.
В отличие от прототипа по SU 1244302 заявляемый снаряд снабжен известным бурильно-анкерующим устройством 24 (БАУ) и известной маслостанцией 3 (МНС) с водяным двигателем 2 и гидролинией нагнетания 41, а также системой управления, в которую входят минимум два реверсивных золотниковых распределителя 33, 37 с выдвижными элементами 34, 36, 38. В прототипе маслостанция с водяным двигателем расположена на нижележащем штреке.
При этом БАУ (патент RU №2286454) включает невращающуюся буровую штангу 28, вращатель 26 (водяной двигатель, например, по патенту RU 2295062) с буровым инструментом 25 максимальным радиусом по резцам r, закрепленным на его валу 57, подающий гидроцилиндр 16 с корпусом 15, штоком 5 (выполненным двухсторонним для удобства компоновки снаряда), передней 14 и задней 13 силовыми полостями, а также анкерующий механизм 27 (фиг.2) пружинно-поршневого типа с кольцевым расклинивающим гидроцилиндром на буровой штанге.
В отличие от патента 2286454 БАУ установлено по продольной оси 23 рамы снаряда на расстоянии L>R+r от оси 22 каждой режущей коронки и ориентировано в направлении движения снаряда (по патенту RU 2286454 ось БАУ ориентирована перпендикулярно направлению движения снаряда, которым является, например, механогидравлический проходческий комбайн).
Кроме того, анкерующий механизм 27 подключен к линии нагнетания маслостанции 3, а в систему управления снарядом введены гидроуправляемые шиберные задвижки 9 и 11 с выдвижными штоками 6 и 8 и работают в противофазе, т.е. когда одна задвижка открывается, другая закрывается. Задвижка 9 установлена в гидролинии 10 подвода воды к режущим коронкам 19 и 20 (и к двигателям 17, 30, если они выполнены водяными, например, по патенту RU 2295062), задвижка 11 установлена в гидролинии 12 подвода воды к вращателю 26, который выполнен также водяным (например, по патенту RU 2295062), и буровому инструменту 25 бурильно-анкерующего устройства 24.
Распределитель 33 закреплен на раме 1 и кинематически соединен одновременно с выдвижными штоками 6, 8 задвижек 9,11 и гидравлически гидролиниями 31, 32 - с силовыми полостями 13, 14 подающего гидроцилиндра 16. Для осуществления упомянутого кинематического соединения подвижный элемент 34 распределителя 33 захватом 35 нежестко сочленен со штоками 6 и 8, которые жестко связаны между собой (см. пунктирную связь на фиг.1). "Нежесткое" сочленение элемента 34 и захвата 35 обеспечивает неподвижность элемента 34 в течение всего хода запорного органа задвижек на соответствующую команду; и только в конце хода захват 35 перемещает элемент 34, а следовательно, переключает распределитель 33.
Распределитель 37 закреплен на штоке 5 гидроцилиндра 16. Его подвижные элементы 36 и 38 могут входить в контакт попеременно либо с корпусом 15 этого гидроцилиндра, либо с упором 40 (выступом) рамы. Распределитель 37 соединен гидролиниями 4 с управляющими полостями 7 задвижек 9, 11 и силовой полостью 45 (фиг.2) расклинивающего гидроцилиндра анкерующего механизма 27.
c
Анкерующий механизм 27 (фиг.2) включает (возможны варианты) отрезок буровой штанги 28, выполненный как кольцевой гидроцилиндр с кольцевым поршнем 46 и силовой полостью 45, которая гидролинией 41 сообщена с линией нагнетания маслостанции через распределитель 37 (положение I). Подвод управляющей жидкости (масла) к силовой полости 45 от МНС выполнен (как вариант) через полость двухстороннего штока 5 и далее по трубкам на наружной поверхности буровой штанги 28. Такая компоновка соответствующих гидрокоммуникаций может облегчить процесс наращивания буровой штанги, если в этом возникнет необходимость, например, при забуривании снаряда в пласт, а также при необходимости размещения в пределах длины опережающей скважины L нескольких ступеней анкерующих механизмов 27. Поршень 46 находится в контакте с конической поверхностью анкерующих башмаков 47; этот контакт обеспечивает кольцевая пружина 48.
На фиг.1 и 5 представлены водяные двигатели 2, 26 и 17, 30 с принципом действия по фиг.4; конструктивное исполнение их может быть разным. Дополнительно изображены корпус 55, шибер 56, ротор (вал) 57, отклонитель 58 и плоская пружина 59.
Вращатель. Подвод воды к двигателю 26 осуществлен по гидролинии 12 через полость двухстороннего штока 5, далее по полости буровой штанги 28 и далее через полые ребра на корпусе 55 (фиг.4) двигателя; отвод отработавшей в двигателе воды выполнен через аналогичные ребра к буровому инструменту 25. Наружный диаметр корпуса 55 по упомянутым ребрам выполнен больше диаметра скважины 49, чем достигается незначительное врезание этих ребер в стенки скважины и отсутствие проворота корпуса при бурении (не заявляется). Для большей гарантии непроворота корпуса 55 при нагрузках на вал 57 шток 5 гидроцилиндра 16 оснащен граненым ползуном 39, который контактирует своими гранями с закладной деталью рамы на всей длине хода поршня гидроцилиндра 16 (не заявляется; на фиг.1 показан условно).
Распорное устройство 42 (фиг.1) состоит из двух поршней с распорными башмаками и пружины растяжения, притягивающей поршни друг к другу при отсутствии давления масла в гидролинии 4.
Редуктор 54 содержит паразитные шестерни 51 и конические пары 52, совместно обеспечивающие синхронное вращение двигателей 17, 30 и синхронное вращение подрезных штанг 18, 53.
пш
бш
Биноклеобразный контур 50 основной скважины (фиг.3) обусловлен работой двух режущих коронок (19, 20) радиусом R и подрезных штанг (18, 53) радиусом R<0,5(R-R), геометрические соотношения не заявляются.
Вода, подаваемая по гибкому рукаву 43 к снаряду, является энергоносителем для двигателей 2 и 26, выполненных, в частности, по патенту RU №2295062. Отработавшая в двигателях вода используется на цели пылегашения, охлаждения режущего инструмента и (при необходимости) для организации гидротранспорта разрушенной горной массы по проводимой скважине. Двигатели 17 и 30 принципиально могут быть масляными высокомоментными с питанием от маслостанции 3, особенно при проведении скважин на пластах крутого падения. В других ситуациях они должны быть водяными, например, по патенту RU 2295062.
В настоящем описании не рассматриваются вопросы, связанные с заходом снаряда в пласт угля из нижележащей горной выработки, с выходом снаряда на вышележащую выработку, с извлечением снаряда из проводимой выработки при возникновении аварийной ситуации, с расширением скважины при использовании данного снаряда на очистных работах, в том числе в системах с закладкой выработанного пространства. Эти вопросы не имеют отношения к предлагаемой формуле изобретения и могут представлять собой самостоятельные технические решения по совершенствованию рассматриваемого механогидравлического снаряда или устройств с его применением.
Работа вращателя (водяного двигателя по фиг.4). Вода поступает в две рабочие камеры двигателя по каналам гидролинии 12 (водовод вращателя, осевая полость штока 5, осевая полость буровой штанги 28 и полые ребра на корпусе 55) и воздействует одновременно на два шибера 56, подпружиненные плоскими пружинами 59. Давление воды на шиберы пропорционально всем сопротивлениям на валу 57 двигателя. Движущий момент создается парой сил на шиберах. Отработавшая в рабочих камерах вода вытесняется по полым сливным ребрам в сторону забоя. Разгруженные от давления шиберы отклоняются в пазы ротора 57 отклонителями 58.
Работа анкерующего механизма 27 (фиг.2). Масло поступает от МНС 3 по каналам гидролинии 41 (металлические трубки и гибкие рукава) в силовую полость 45 расклинивающего гидроцилиндра. Кольцевой поршень 46, контактирующий с анкерующими башмаками 47, силой от давления масла разводит последние до упора в стенки опережающей скважины 49. При соединении гидролинии 41 со сливом распорное усилие снимается с анкерующих башмаков. Кольцевая пружина 48 способствует процессу разанкерования буровой штанги.
Работа механогидравлического снаряда.
Основные операции при непрерывном проведении основной скважины 60 (фиг.5):
п
1 - бурение опережающей скважины 49 на глубину X (фиг.1 и 5);
2 - снятие распора снаряда снижением давления в гидроцилиндре 42 (фиг.1) и анкерование снаряда за буровую штангу в опережающей скважине 49 анкерующим механизмом 27 (фиг.1, 2);
п
3 - проведение основной скважины 60 на ход X исполнительным органом 21 (фиг.1);
4 - разанкерование снаряда (фиг.2) и его распор гидроцилиндром 42 (фиг.1).
п
Операции 1…4 образуют «цикл» отработки уступа скважины глубиной Х. Последовательное и автоматическое повторение таких циклов позволяет осуществить безлюдное проведение основной скважины 60 на заданную длину. При этом способ «толкания» снаряда заменен способом «подтягивания» с существенным снижением материалоемкости всей установки и трудоемкости ее обслуживания.
Работа узлов снаряда в автоматическом режиме.
Распределитель 44 открыт, двигатель 2 работает, на выходе из МНС 3 дежурит давление масла.
Выдвижной элемент 38 распределителя 37 находится в контакте с упором 40, обеспечивая этому распределителю положение II, при котором находятся под давлением полость 7 задвижки 11 на открытие, противоположная полость задвижки 9 на закрытие и гидроцилиндр 42, с помощью которого снаряд расперт в борта основной скважины 60. При этом рама 1 и вместе с ней корпус 15 подающего гидроцилиндра 16 неподвижны.
Одновременно распределитель 33 находится в положении II - давление масла передается в переднюю полость 14 гидроцилиндра 16; поршень этого гидроцилиндра находится в крайнем заднем положении и движения бурштанги 28 нет.
Поршни задвижек 9 и 11 относительно медленно (предотвращаются гидроудары) перемещаются, открывая канал 12 питания вращателя 26 и закрывая канал 10 питания гидродвигателей 17, 30; вал 57 с режущим инструментом 25 тоже медленно набирает обороты до максимума, а режущие коронки 19, 20 обороты снижают до нуля. Вместе с этим захват 35 перемещается "вхолостую" (по фиг.1 вправо), не касаясь выдвижного элемента 34 распределителя 33, и в конце хода спаренных задвижек переключает распределитель 33 в положение I.
п
Через распределитель 33 задняя полость 13 гидроцилиндра 16 соединяется с напорной линией 32, чем осуществляется подача БАУ 24 - проводится опережающая скважина 49 на шаг Х. При этом вода под давлением проходит по гидролинии 12 через полость штока 5 и полость буровой штанги 28 в гидродвигатель 26, вал 57 которого вращается вместе с буровым инструментом 25. Продукты разрушения выносятся по опережающей скважине отработавшей в двигателе 26 водой, которая служит и для охлаждения режущего инструмента, и для пылеподавления.
В конце хода поршня гидроцилиндра 16 элемент 36 распределителя 37 входит в контакт с корпусом 15 этого гидроцилиндра и происходит переключение распределителя 37 в положение I, в результате чего:
- давление масла от МНС передается по гидролинии 41 в полость 45 анкерующего механизма 27, и буровая штанга 28 анкеруется башмаками 47 в стенки скважины 49;
- линия, бывшая ранее линией нагнетания 4 для гидроцилиндра 42, соединяется через распределитель 37 со сливом, и снаряд становится свободным для перемещения по основной скважине;
- задвижка 9 медленно открывается, а задвижка 11 медленно закрывается; захват 35 перемещается влево (по схеме на фиг.1) и в конце хода переключает распределитель 33 в положение II;
- к двигателю 26 вода не поступает, а двигатели 17, 30 начинают работать;
п
- через распределитель 33 давление масла передается в переднюю полость 14 гидроцилиндра 16; корпус 15, жестко связанный с рамой 1, надвигается на свой шток 5 - проводится основная скважина 60 на шаг Х.
Таким образом, сделанными усовершенствованиями достигнут процесс автоматического проведения восстающей скважины способом подтягивания, не требующим громоздкого подающего оборудования, и без использования ручного труда, что обеспечивает высокие темпы проведения скважин в условиях безлюдной отработки угольных пластов с углами падения, соответствующими условиям безнапорного гидротранспорта или условиям гравитационной эвакуации угля из скважины.