УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
DEVICE FOR DRILLING ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения скважин в рыхлых, слабосвязных и средне-твердых горных породах.
Известно «Устройство для ударно-канатного бурения» (патент RU №2368751, опубл. 27.09.2009 г.). Устройство содержит стрелу, через блок которой переброшен инструментальный канат, несущий на одном конце ударную штангу с буровым снарядом, а другим концом связанный с лебедкой, и дополнительный ударник, установленный над ударной штангой с возможностью свободного перемещения по инструментальному канату. Буровой снаряд выполнен в виде стакана и имеет поперечную ось, на которой закреплен клещевой механизм для перекрытия нижней своей частью входного отверстия бурового снаряда, а верхней своей частью контактирующий с клиновидной или конусной нижней частью ударной штанги, которая в верхней своей части имеет приемный элемент - тарелку для взаимодействия с дополнительным ударником.
Недостаток - использование устройства предлагаемой конструкции, подвешенного на инструментальном канате и лебедки, требует значительных затрат электроэнергии и времени при спускоподъемных операциях в процессе нанесения ударов устройством на забой скважины.
Известен вибратор резонансного действия с электромагнитным полем (патент РФ №2356647, опубл. 27.05.2009 г.), включающий электромагнит, якорь электромагнита, дополнительные грузы, при этом статорная и якорная части соединены между собой упругой системой, состоящей из винтовых пружин. При этом плита якорной части вибратора зажата между пружинами с возможностью совершения колебаний вдоль осей пружин без отрыва от их торцов.
Недостатком данного вибратора является: малые амплитуды относительных колебаний якорной и статорной частей при высокой промышленной частоте, что не позволяет нанесение значительных сил ударов о долото.
Известен подрессоренный вибратор ЛГИ-2 (Технология и техника разведочного бурения. Учебник для вузов. изд. 2 перераб. и доп. М.: «Недра», 1973, с. 172), состоящий из двух горизонтально расположенных валов, на которых насажены эксцентрики, вращающиеся в разные стороны. Жестко закрепленный на коробке-корпусе двигатель при помощи клиновых ремней передает движение одному из валов вибратора, а второй вал с эксцентриками приводится во вращение при помощи двух шестеренок, сидящих на валах. При работе этого вибратора горизонтальные составляющие центробежных сил при любом положении эксцентриков равны и, будучи всегда направлены в противоположные стороны, взаимоуравновешиваются. Вертикальные составляющие также равны и направлены вверх или вниз, поэтому результирующая этих сил действует как их сумма, эти силы и создают вертикальные колебания, направленные по оси бурового инструмента, посредством бурильных штанг, связанного с вибратором.
Недостатком данного вибратора является то, что вибратор в этом устройстве установлен в верхней части бурильной колонны, удаленной от бурового инструмента, что ограничивает глубину бурения скважины за счет веса бурильных штанг, наращиваемых в процессе бурения, поскольку при этом гасятся вертикальные составляющие на буровой инструмент.
Известен станок типа УКС-22М и УКЗ-30М (Бурение и оборудование скважин на воду. Практическое руководство проектирование и расчет. С-Петербург, Егоров Г.С. с. 128-131. ООО «Копи Холл»). Станок ударно-канатного бурения оснащен следующими основными узлами: балансиром (долбежный узел или механизм ударного действия); инструментальным барабаном (механизм подъема долота); желоночным барабаном; главным валом, от которого приводится в действие перечисленные узлы.
Ударный буровой снаряд подвешен на бурильном канате (элемент подвеса), который подается с инструментального барабана. Ударный снаряд связан с балансиром оттяжного механизма станка и долотом. Ударный снаряд подвешивают на канате, который подают с инструментального барабана. Снаряд при бурении поднимают и сбрасывают с помощью балансира - оттяжного механизма станка. При сбросе снаряд под действием собственного веса падает вниз, разрушает породу забоя. По мере углубления скважины бурильный канат стравливают с инструментального барабана, осуществляя подачу долота. Пробурив некоторый интервал скважины, прекращают долбление и приступают к очистке забоя с помощью желонки, спускаемой в скважину. После очистки скважины продолжают долбление или приступают к креплению скважины - неустойчивые интервалы закрепляют обсадными трубами.
Недостатком устройства является большая энергоемкость при бурении скважин, значительные материальные затраты и ограничение глубины бурения скважин.
Известен способ бурения горных пород и устройство для его осуществления (патент РФ №2473766, опубл. 27.01.2013 г.), принятый за прототип, включающий желонку, механизм ударного действия, элемент подвеса, выполненный в виде грузонесущего кабеля, наковальню, центратор, кабельный замок.
Недостатком устройства является большая энергоемкость механизма ударного действия и ограничение диаметра при бурении скважин.
Техническим результатом устройства является увеличение производительности бурения, снижение материальных затрат и увеличение глубины бурения скважин.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено электродвигателем, редуктором, а механизм ударного действия выполнен в виде вращающего шпинделя-ударника, верхняя торцевая часть которого соединена с центратором через редуктор, элетродвигатель и кабельный замок, при этом верхняя торцевая часть вращающего шпинделя-ударника соединена с редуктором валом, выполненным со шлицами, а нижняя часть вращающего шпинделя-ударника жестко соединена с термообработанным наконечником, оснащенным сегментами с выступами, при этом нижняя часть корпуса устройства оснащена наковальней, оснащенной сегментами с выступами, и соединена с желонкой.
Устройство для бурения горных пород поясняется следующими фигурами:
фиг. 1, 2 - схемы устройства бурового снаряда;
фиг. 3 - общая схема самоходной буровой установки с устройством, где:
1 - желонка;
2 - наковальня;
3 - термообработанный наконечник;
4 - шпиндель-ударник;
5 - вал редуктора;
6 - редуктор;
7 - вал;
8 - элетродвигатель;
9 - кабельный замок;
10 - центратор;
11 - грузонесущий кабель;
12 - дизельгенератор;
13 - монтажная лебедка;
14 - токосъемник.
Устройство для бурения горных пород включает желонку 1, механизм ударного действия, выполненный в виде вращающего шпинделя-ударника 4, верхняя торцевая часть которого соединена с центратором 10 через редуктор 6, элетродвигатель 8 и кабельный замок 9, при этом элетродвигатель 8 соединен валом 7 с редуктором 6, а верхняя торцевая часть вращающего шпинделя-ударника 4 соединена с редуктором 6 валом 5, выполненным со шлицами, а нижняя часть вращающего шпинделя-ударника 4 контактируется с наковальней 2 с выфрезерованными сегментами в верхней ее части, при этом нижняя часть вращающего шпинделя-ударника 4 жестко соединена с термообработанным наконечником 3, оснащенным сегментами с выступами, аналогичными сегментами, выфрезерованными как у наковальни 2. Устройство снабжено элементом подвеса - грузонесущим кабелем 11, который одним концом соединен с дизельгенератором 12, а другой конец соединен с кабельным замком 9 через токосъемник 14, закрепленным на барабане монтажной лебедки 13.
Устройство работает следующим образом. На поверхности собирается устройство с желонкой 1 для бурения рыхлых и слабосвязных горных пород. После сборки устройства и постановки его на забой скважины монтажной лебедкой 13 подают электрическую энергию с пульта управления от дизельгенератора 12 по электрическим жилам грузонесущего кабеля 11 к элетродвигателю 8, соединенному валом 7 с редуктором 6, при этом вращающий момент от редуктора 6 передается к шпинделю-ударнику 4 через вал редуктора 5, выполненный со шлицами, что обеспечивает вращение шпинделя-ударника 4 и перемещение его в вертикальном положении, нанося удары по желонке 1 через наковальню 2 с выфрезерованными сегментами в верхней ее части.
Бурение продолжается до заполнения полости желонки 1 на 3/4 ее высоты, после чего устройство с желонкой 1, заполненной горной породой, поднимают к устью скважины, где горная порода извлекается из ее полости, после чего устройство снова опускается на забой скважины и процесс бурения повторяется.
После проходки определенного интервала скважины осуществляют ее крепление обсадными трубами.
Благодаря тому, что удары о желонку 1 осуществляются непосредственно устройством в зоне забоя, это позволяет бурение скважин достаточно глубоких и глубина зависит в основном от длинны грузонесущего кабеля, намотанного на барабан лебедки.
Устройство позволит значительно увеличить производительность бурения горных пород, увеличить глубину скважин и снизить материальные затраты по сравнению с известными решениями.