УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Полезная модель относится к строительной промышленности, в частности к ручным сверлильным машинам, и может применяться для бурения технологических отверстий в горных породах и бетоне.
Известен термобур для бурения горных пород посредством электрической дуги, SU 125782 A1 Е21 В 7/15 опубл. 10.19.1960, выполненный в виде трубы, снабженной двумя электродами, между которыми создается электрическая дуга, которая под действием электродинамических сил вытягивается в огненное кольцо, разрушающее горные породы.
Известен термобур для бурения скважин, SU 152842 A1 Е21В 7/14 опубл. 18.12.1966. В нижней части термобура шарнирно закреплена реактивная горелка, содержащая внутри сопловый аппарат, камеру сгорания и форсунку. Поворот реактивной горелки под углом к оси термобура производится системой рычагов и тягой с приводом. Привод механизма поворота может быть электрический, гидравлический или пневматический.
Известно устройство для электродуговой обработки бетона, SU 679404 B28D 1/00 опубл. 15.08.1979, включающее электроды, из которых, по крайней мере, один из электродов выполнен полым, в полости которого помещена металлосодержащая присадка, например, выполненная в виде проволоки.
Недостатком термобура по SU 125782, SU 152842 и устройства для электродуговой обработки бетона по SU 679404 является отсутствие породоразрушающих элементов для механического разрушения горной породы, что значительно снижает скорость бурения.
Известен термомеханический способ бурения и устройство для его осуществления, RU 2263758 C1 Е21В 10/48 опубл. 10.11.2005. Способ термомеханического бурения включает фрикционный нагрев поверхностного слоя горной породы, последующее отделение этого слоя резанием и удаление продуктов разрушения промывочной жидкостью. Устройство для термомеханического бурения включает корпус, фрикционные элементы, разупрочняющие нагревом приповерхностный слой горной породы, резцы и радиальные промывочные каналы для промывочной жидкости. Фрикционные элементы и резцы разделены на скважино- и кернообрабатывающие сектора и выполнены в радиальном сечении по контуру, контактирующему с забоем, совпадающими при наложении друг на друга.
Недостатками устройства является быстрое затупление режущих кромок при бурении твердых пород, что требует частой остановки и замены дорогостоящей коронки, за счет чего снижается производительность бурения.
Известно устройство для термического бурения твердых горных пород, RU 2365731 C1 Е21В 7/15 опубл. 27.08.2009. Устройство снабжено колонковой трубой, соединенной в верхней части с бурильной штангой, на которой установлены токосъемник для подачи электроэнергии к плазмотрону и вертлюг для подачи сжатого воздуха, при этом нижняя часть колонковой трубы соединена с цилиндрической съемной буровой коронкой, на которой установлены резцы, выполненные из термостойких материалов, причем на наружной поверхности колонковой трубы установлены система подачи водовоздушной смеси и система подачи электроэнергии и плазмообразующей смеси в плазмотрон и соединены в нижней части с буровой коронкой, а в верхней части соединены с двумя емкостями плазмообразующей смеси, первая из них жестко закреплена с бурильной штангой, а вторая емкость соединена с первой емкостью посредством подшипников с устройством, обеспечивающим их герметизацию.
Недостатком устройства для термического бурения твердых горных пород является использование в качестве плазмообразующей смеси газа и в связи с этим сложность ее транспортирования в плазмотрон.
Наиболее близким аналогом полезной модели, взятым в качестве прототипа, является устройство для бурения твердых горных пород, RU 193120 U1 Е21В 3/02 опубл. 16.09.2019, включающее две колонковые трубы, внутренний диаметр одной колонковой трубы больше внешнего диаметра другой колонковой трубы и она установлена поверх меньшей колонковой трубы, на одном торце колонковых труб закреплены буровые коронки с термостойкими резцами, на коронке внешней трубы, на ее внутренней поверхности, изготовлен паз, в который вставлены ролики для вращения по внешней поверхности коронки внутренней колонковой трубы, причем, свободный торец внешней колонковой трубы упирается в упорный подшипник, установленный в обойму, закрепленную на основание, выполненное в виде пластины, а свободный торец внутренней колонковой трубы соединен с хвостовиком, соединенным другим концом через соединительную муфту с валом электродвигателя и на хвостовике закреплен планетарный редуктор, передающий вращение хвостовика на внешнюю колонковую трубу в противоположном направлении вращения, а также втулка, упирающаяся в упорный подшипник, установленный в обойму, закрепленную на основание, на том же основании закреплен электродвигатель, электропитание которого производится через регулятор скорости вращения, при этом, внешняя колонковая труба имеет перфорационные отверстия для забора воздуха, а режущие поверхности резцов направлены по направлению вращения коронок.
Недостатком устройства является недостаточно высокая скорость бурения горных пород.
Целью полезной модели является создание конструкции устройства для бурения горных пород с увеличенной скоростью бурения.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для бурения горных пород содержащее две колонковые трубы, у одной из которых внутренний диаметр больше внешнего диаметра другой колонковой трубы и она установлена поверх меньшей колонковой трубы, на одном торце колонковых труб закреплены буровые коронки с термостойкими резцами, свободный торец внутренней колонковой трубы соединен с хвостовиком, который другим своим концом через соединительную муфту соединен с валом электродвигателя и на хвостовике закреплен планетарный редуктор и втулка, упирающаяся в упорный подшипник, установленный в обойму, закрепленную на основание, выполненное в виде пластины, а свободный торец внешней колонковой трубы упирается в упорный подшипник, обойма которого закреплена на основании, и на том же основании закреплен электродвигатель, электропитание которого производится через регулятор скорости, причем, внешняя труба имеет перфорационные отверстия, а на внутренней поверхности ее коронки в пазу установлены ролики вращения, при этом устройство снабжено сварочным агрегатом и осциллятором, включенных между собой последовательно, и при помощи соединительных проводов и токосъемников, один из которых подключен к внешней колонковой трубе, а другой к втулке на хвостовике, подают разнополярное напряжение сварочного агрегата и осциллятора к резцам разных коронок, причем, соединительная муфта, ролики вращения и основание изготовлены из диэлектрического материала, планетарный редуктор закреплен на хвостовике через изоляционную втулку, а так же, резцы на коронках равномерно распределены по окружности коронок, причем, на разных коронках закреплено четное и нечетное количество резцов, но не менее трех, а расстояние между боковыми плоскостями резцов, закрепленных на разных коронках и при их расположении друг против друга, не должно превышать максимального расстояния пробивного напряжения осциллятора.
Между отличительными признаками и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Одним из существенных признаков является:
введение в устройство сварочного агрегата, осциллятора и токосъемников дает возможность осуществлять за счет электрической дуги термическую обработку породы при ее бурении;
изготовление соединительной муфты, роликов вращения и основания, а так же крепление планетарного редуктора на хвостовике через изоляционную втулку изолируют подачу разнополярного напряжения - к резцам разных коронок;
равномерное распределение резцов по окружности коронок, а так же их ограничение по количеству стабилизируют процесс бурения «… как показывает практика, количество резцов должно быть не менее трех, а при использовании меньшего количества резцов стабилизации вращения породоразрушающего инструмента достичь чрезвычайно трудно» (RU 2440479 C1 Е21В 10/00 опубл. 20.01.2012);
при кратном количестве резцов на разных коронках возникает условие, когда друг против друга могут находиться более двух резцов разных коронок и возникает несколько каналов развития разряда осциллятора. По закону электротехники, истечение разряда осциллятора не происходит одновременно по всем каналам возможного распостранения разряда, а только по тому каналу, у которого наименьшее электрическое сопротивление. В этом случаи место разряда осциллятора не определено. Исходя из вышесказанного, введен существенный признак, гарантирующий однозначное поочередное возникновение одного канала разряда осциллятора со всеми резцами коронок, производящими резание породы по окружности, а именно, на разных коронках закреплено четное и нечетное количество резцов;
условие ограничения расстояния между боковыми плоскостями резцов, закрепленных на разных коронках, меньше чем максимальное расстояние пробивного напряжения осциллятора гарантирует условие возникновения разряда осциллятора, а затем и дугового разряда в зоне резания между боковыми плоскостями резцов.
Материал изготовления резцов, их число и расположение на коронках уменьшают радиальное биение колонковых труб, и при бурении создает обработку породы дугой по всей окружности бурения с одновременным подрезанием участка размягченной породы с двух сторон.
Совокупность существенных признаков устройства, а именно конструкция элементов, наличие связи между элементами, взаимное расположение элементов, параметры, материал из которого выполнены элементы, характеризуют заявленное решение как устройство для бурения горных пород и достаточно для достижения поставленной цели.
Сущность полезной модели заключается в том, что предлагаемая конструкция устройства для бурения горных пород дает возможность создавать электрическую дугу непосредственно в зоне резания, а именно, между резцами вращающихся встречно, и одновременно подрезать участок размягченной породы с двух сторон, что дает возможность решить поставленную задачу - увеличить скорость бурения горных пород.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен разрез устройства для бурения горных пород, на фиг. 2 - разрез устройства по А - А, фиг. 3 - вид Б, фиг. 4 - вид В (увеличено).
Устройство для бурения горных пород (Фиг. 1) включает в себя две колонковые трубы 1 и 2, внутренний диаметр колонковой трубы 2 больше внешнего диаметра колонковой трубы 1 и она установлена поверх колонковой трубы 1. На торце колонковой трубы 1 закреплена буровая коронка 3 с термостойкими резцами 4, а на торце колонковой трубы 2 закреплена буровая коронка 5 с термостойкими резцами 6. Свободный торец внутренней колонковой трубы 1 соединен с хвостовиком 7, который другим своим концом через соединительную муфту 8, изготовленную из диэлектрического материала по ГОСТ 21424 - 93, например, из ударного полистирола по ГОСТ 28250-77 или ABC- сополимера по ТУ6-05-1587-84, соединен с валом 9 электродвигателя 10. На хвостовике 7 закреплена втулка 12 и через изоляционную втулку 14 закреплен планетарный редуктор 15 (Фиг. 2). Втулка 12 упирается в упорный подшипник 16, установленный в обойму 17, закрепленную на основание 18, выполненное в виде пластины из диэлектрического материала. Свободный торец внешней колонковой трубы 2 упирается в упорный подшипник 19, обойма 20 которого закреплена на основании 18. На том же основании 18 закреплен электродвигатель 10, электропитание которого производится через регулятор скорости 21. На колонковой трубе 2 расположены перфорационные отверстия 22, а на внутренней поверхности ее коронки 5 в пазу 23 установлены ролики 24 вращения, изготовленные из диэлектрического материала. Устройство снабжено сварочным агрегатом 25 и осциллятором 26, включенных при помощи соединительных проводов 27 между собой последовательно и соединенных к токосъемникам 28 и 29. В качестве сварочного агрегата 25 можно использовать сварочный трансформатор, сварочные выпрямители и сварочные аппараты с жесткой характеристикой. В качестве осциллятора 26 целесообразно применять осциллятор с большим пробойным расстоянием, например осциллятор СМТ - ОСП - 1 (Осциллятор сварочный внешний марки СМТ-ОСЦ-1. https://weldmachine.ucoz.ru/product3030.html), пробойное расстояние которого составляет до 15 мм. В качестве соединительных проводов 27 применяются гибкие провода марки КПГ или КОГ по ГОСТ 24334 - 80. Токосъемник 28 подключен к внешней колонковой трубе 2, а токосъемник 29 подключен к втулке 12. Токосъемники 28 и 29 обеспечивают подачу питающего напряжения с неподвижных частей устройства - сварочного агрегата 25 и осциллятора 26 на вращающиеся части устройства - резцы 4 и 6. В предлагаемом устройстве применимы наиболее распространенные кольцевые токосъемники (Токосъемники КТ. https://izpk.ru /tokosemnik-kt). За счет равномерного расположения резцов 4 и 6 по окружности коронок 3 и 5 (Фиг. 3), а также из-за того, что количество резцов 4 на коронке 3 внутренней трубы 1 нечетно - три резца 4, а количество резцов 6 на коронке 5 внешней трубы 2 четно - четыре резца 6 при бурении создается стабилизация вращения труб и последовательное возникновение дуговых разрядов по окружности бурения. На Фиг. 3 показано расположение резцов 4 и 6 на коронках 3 и 5 и стрелками показано направление вращения коронок 3 и 5, при этом режущие поверхности резцов 4 и 6 направлены по направлению вращения коронок 3 и 5. Для гарантированного возникновения дугового разряда между боковыми поверхностями резцов 4 и 6 (Фиг. 4) расстояние между ними Z не должно превышать расстояния максимального пробивного напряжения осциллятора 26. . Применяемые в устройстве коронки 3 и 5 выпускаются по ГОСТ11108 - 70 и ГОСТ Р 51639 - 2000. Возможно применение коронок со сменным креплением резцов (Коронка ТК160Р http://www.tehnoprok.com/production /vertikalnoe-burenie/burovye-koronki). Термостойкие резцы 4 и 6 применяются из твердого сплава по ГОСТ 3882 - 74. Возможно так же применение алмазных коронок по ГОСТ19527-74.
Устройство работает следующим образом.
Предварительно собирают устройство и прикрепляют его основание 18 к направляющим с возможностью возвратно-поступательного перемещения (на Фиг. не показано). Производят подключение к сети (на Фиг. не показано) регулятор 21, сварочный агрегат 25 и осциллятор 26. После установки устройства в рабочее положение и его центрирования на поверхности горной породы, устройство подается вперед до касания резцами 4 и 6 поверхности породы, и включают регулятор 21, сварочный агрегат 25 и осциллятор 26. Регулятором 21 устанавливают необходимую скорость вращения вала 9 электродвигателя 10. За счет установленного планетарного редуктора 15 колонковые трубы 1 и 2 вращаются встречно. Высокое напряжение осциллятора 26 по проводам 27 и через токосъемники 28 и 29 и элементы конструкции устройства попадает на резцы 4 и 6. При сближении резцов 4 и 6 на расстояние Z происходит электрический пробой между боковыми поверхностями резцов 4 и 6, что инициирует возникновение дуги от сварочного агрегата 25. При этом происходит разупрочнение горной породы за счет нагрева и термических напряжений, возникающих в различии модулей упругости и коэффициентах объемного расширения частиц породы. Разупрочненный слой породы снимается термостойкими резцами 4 и 6, вращающиеся в разные стороны, а продукты разрушения удаляются с забоя скважины воздухом, поступающим в межтрубное пространство труб 1 и 2 через отверстия 22. Так как дуговой разряд возникает между боковыми стенками резцов, то подрезка породы резцами 4 и 6 в этой же зоне носит облегченный характер, что в целом увеличивает скорость бурения.
Количество резцов на коронках, их расположение, наличие роликов вращения в пазу коронки, а так же вращение колонковых труб в разные стороны снимают радиальные нагрузки, воздействующие на устройство во время бурения, и стабилизируют процесс бурения. Осевые нагрузки гасятся в упорных подшипниках, в которые упираются колонковые трубы.
Предлагаемая конструкция устройства для бурения горных пород дает возможность увеличить скорость бурения, исключает прихват резцов буровых коронок в породе, уменьшает вибрацию устройства и придает плавность траектории бурения.