Буровой агрегат буровой установки с проходным шпинделем и гидравлическим патроном для сооружения горизонтальных и наклонных скважин из подземных горных выработок

Заявляемая полезная модель относится к области горного дела, и специальных работ и может быть использована при сооружении горизонтальных восстающих и наклонных дренажных, разведочных и технических скважин из подземных горных выработок.
При выполнении горных работ в подземных горных выработках и в карьерах выполняется большой объем работ по сооружению дренажных, разведочных и технических скважин, при сооружении которых применяется бурение шарошечными долотами, алмазными и твердосплавными коронками. Поэтому возникает потребность в использовании универсального бурового станка.
Из технического уровня известно применение для сооружения таких скважин специально созданной буровой установки вращательного бурения УДБ-8 (отчет по ПИР «Проведение приемочных испытаний и внедрение буровой установки УДБ-8» Шифр 15.-50730-А 1083 № гос. Регистрации 01830012022. Белгород, 1984. Рук. Тимошков И.А., стр. 7-11).
Известная буровая установка состоит из маслостанции, пульта управления, бурового агрегата, бурильной и фильтровой колонн, бурового насоса. Буровой агрегат имеет нижнюю раму с шарниром и верхнюю поворотную раму с полуосями, благодаря чему обеспечивается бурение наклонных скважин вверх и вниз от горизонтали, горизонтальных и восстающих скважин. На поворотной раме размещен вращатель с гидромотором, гидроцилиндр подачи, гидроключ для удержания бурильной и фильтровой колонны. На вращателе закреплен механизм разворота бурильной колонны. Промывка скважины осуществляется буровым насосом через сальник-вертлюг, установленный на шпинделе вращателя.
Удержание поворотной рамы под разным углом осуществляется винтовыми подкосами, а раскрепление в выработке винтовыми домкратами.
Буровая установка комплектуется бурильными штангами длиной 1,2 м. Для работы в горной выработке установке требуется камера размерами (4,0×4,0×3,7) (длина × ширина × высота).
К недостаткам аналога следует отнести стационарное расположение опорной пяты штока гидроцилиндра на задней траверсе. Для изменения направления бурения, например для бурения нисходящих скважин, необходимо снять с направляющих поворотной рамы, развернуть его на 180 градусов и вновь установить в этих направляющих. После этого поворотная рама в шарнире поворачивается вертикально вверх винтовыми подкосами и закрепляется в выработке винтовыми домкратами совместно с винтовой распоркой. Только в этом случае цилиндр подачи, жестко установленный на передней траверсе, не будет мешать в работе. Передняя траверса с гидромеханизмами захвата бурильной или фильтровой колонн (гидровилка и гидрозахват) при таком развороте оказываются вверху и остаются незадействованными. Шпиндель вращателя в своем крайнем нижнем положении располагается в непосредственной близости от низа подвижной рамы, т.е. практически у поверхности земли. При таком расположении шпинделя невозможно установить кондуктор в нисходящей скважине, а также осуществлять операции по спуску-подъему бурового инструмента. Поэтому приходится устанавливать либо дополнительную раму, либо другое основание. При этом разборку бурильной колонны производят вручную.
К недостаткам можно отнести ручную транспортировку к месту монтажа тяжелых узлов буровой установки: маслостанции, бурового насоса и бурового станка.
Недостатком установки является крепление бурового станка с помощью винтовых домкратов и винтовых распорок, которые при бурении раскручиваются, буровой станок смещается от оси скважины, что приводит к искривлению скважины, износу бурового инструмента и вращателя, а так же созданию аварийных ситуаций.
Недостатком является также то, что для производства работ по свинчиванию и развинчиванию бурильных или фильтровых колонн в установке УДБ-8 установлены различные зажимные устройства: гидровилка - для бурильных колонн, гидрозахват - для фильтровых колонн, что усложняет конструкцию.
Кроме того, в буровой установке применяются электромоторы, магнитные пускатели и другая электроаппаратура, выполненная не во взрывозащищенном исполнении. На пульте управления распределители имеют алюминиевые крышки, а гидронасосы и гидромоторы имеют алюминиевые корпуса. Это исключает возможность использования установки прототипа в горных выработках, опасных по газу и пыли.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели является «Буровая установка вращательного бурения» (Патент на полезную модель №81525, Бюл. №8. 2009), которая взята за прототип. В установке-прототипе устранены вышеперечисленные недостатки, которые были выявлены в установке-аналоге (УДБ-8), которые расширили функциональные возможности установки. В частности, была разработана съемная опорная пята штока гидроцилиндра подачи, позволяющая устанавливать ее и на переднюю траверсу, что исключило разворот вращателя при бурении нисходящих скважин и позволило использовать нижнюю опорную траверсу с ее захватным механизмом, при выполнении спускоподъемных операций усовершенствована система крепления бурового агрегата на точке, перемещения узлов установки по горной выработке. Созданы условия для работы установки в выработках, опасных по газу и пыли.
Недостатком аналога и прототипа полезной модели буровой установки вращательного бурения является использование коротких бурильных штанг с длиной меньше хода штока гидроцилиндра подачи, что при алмазном и твердосплавном бурении с отбором керна (колонковое бурение) существенно снижает производительность труда, т.к. при колонковом бурении велики затраты на спускоподъемные операции. Создание устройства, позволяющего осуществить извлечение и спуск бурильных труб, собранных в свечи через проходной шпиндель, и извлечения через него керноприемника без извлечения бурильных труб позволит снизить затраты на выполнение спускоподъемных операций и существенно повысить производительность труда.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа путем создания бурового агрегата с проходным шпинделем и гидравлическим патроном для захвата колонны, позволяющим извлечение и спуск бурильных труб при замене породоразрушающего инструмента и подъеме керна при колонковом бурении осуществлять свечами, состоящими из нескольких секций бурильных труб, а при бурении нисходящих скважин применять снаряды со съемными керноприемниками (ССК).
Техническими результатами, которые должны быть получены при реализации полезной модели, являются:
- Расширение функциональных возможностей;
- Расширение параметрического ряда отечественных буровых установок, с помощью которых расширяется область применения метода бурения для решения разнообразных инженерных задач при ведении работ из подземных горных выработок;
- Повышение производительности труда при выполнении спускоподъемных операций при замене породоразрушающих инструментов и подъеме керна при колонковом бурении.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным потому, что известная буровая установка вращательного бурения, включающая маслостанцию, пульт управления, выполненные во взрывозащищенном исполнении, буровой насос, бурильную (фильтровую) колонну с фиксированной длиной отдельных секций, буровой агрегат, в состав которого входит нижняя рама с шарнирной опорой и крепежными узлами для монтажа транспортных колес и хомутами для закрепления анкера в горной выработке, поворотной рамы, состоящей из передней и задней траверс, в которых размещены направляющие с передней и задней парами поворотных осей для бурения соответственно либо нисходящих, либо восходящих скважин, гидроцилиндр подачи, шток которого закреплен либо на передней, либо на задней траверсе (в зависимости от направления бурения) гидроключа, размещенного на передней траверсе, вращателя бурильной колонны, включающего гидромотор, редуктор, шпиндель с отверстием для прохода промывочной жидкости сальника вертлюга, переводника для подсоединения бурильной колонны и размещенным на нем храповым колесом, корпуса вращателя с отверстием для прохода гидроцилиндра и ползушками, установленными на его боковых поверхностях и перемещаемых вместе с корпусом гидроцилиндром подачи по направляющим поворотной рамы, гидрораскрепителя (гидроразворот бурильной колонны, установленного на корпусе вращателя и состоящего из гидроцилиндра, шток которого подвижно связан с храповым колесом, для производства спуска подъема бурильной колонны свечами, состоящими из нескольких бурильных штанг, а при бурении нисходящих разведочных скважин использовать снаряды со съемными керноприемниками (ССК), буровой агрегат дополнительно снабжен шпинделем с проходным отверстием и гидравлическим патроном для захвата штанг и передачи осевых усилий и крутящих моментов, развиваемых буровым агрегатом, а для подачи промывочной жидкости к бурильной колонне буровой агрегат дополнительно снабжен ведущей штангой со стационарно установленным на ней сальником вертлюгом, а диаметр проходного отверстия шпинделя соответствует большинству типоразмеров бурильных труб и снарядов со съемными керноприемниками (95 мм), принятыми при разведке полезных ископаемых.
Расширение функциональных возможностей бурового агрегата достигнуто благодаря исполнению вращателя с проходным шпинделем и гидровлического патрона, позволяющих осуществить подъем и спуск бурильной колонны свечами, извлечение керна при бурении нисходящих скважин колонковыми снарядами со съемными керноприемниками (ССК).
Расширение параметрического ряда отечественных буровых установок достигается созданием бурового агрегата с параметрами, отличными от известных установок, в т.ч. аналога и прототипа.
Повышение производительности труда при бурении с применением полезной модели достигается за счет сокращения времени, затрачиваемого на проведение спускоподъемных операций буровой колонны свечами, состоящими из нескольких собранных воедино отдельных секций бурильных труб, извлекаемых через проходной шпиндель вращателя бурового агрегата.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие фигуры:
Фиг. 1 Показан общий вид буровой установки, включающей маслостанцию, пульт управления, буровой агрегат, буровой насос, бурильную колонну, ведущую штангу с сальником-вертлюгом.
Фиг. 2 Показан общий вид бурового агрегата: нижняя рама с шарнирной опорой, подкосом, зажимным устройством для закрепления агрегата на точке, поворотной рамы с двумя парами поворотных полуосей, вращатель бурильной колонны с гидромотором, гидропатроном и проходным шпинделем, короткой ведущей трубы с сальником-вертлюгом, гидроключом.
Буровая установка с проходным шпинделем и гидравлическим патроном для сооружения горизонтальных, восстающих и наклонных скважин из подземных горных выработок (фиг. 1) включает маслостанцию 1 с гидронасосами и электродвигателями (на фиг. не показаны), пульт управления 2 с распределителями, дросселями, манометрами (на фиг. не показаны), буровой насос 3, буровой станок 4, а также бурильную колонну 5, оснащенную породоразрушающим инструментом 6.
Буровой агрегат (фиг. 2) содержит нижнюю 7 и поворотную 8 рамы. Нижняя рама 7 снабжена шарнирной опорой 9 двух пар поворотных полуосей 10 поворотной рамы 8 и подкосами 11 для фиксации ее положения. На нижней 7 раме также установлено зажимное устройство 12 для закрепления и фиксации бурового агрегата 4 (фиг. 1) в горной выработке (на фиг. не показаны) на анкере 13. Поворотная рама 8 снабжена двумя поворотными полуосями 10 для бурения восходящей скважины (на фиг. не показаны) и двумя дополнительными поворотными полуосями 14 для бурения нисходящей скважины (на фиг. не показаны). При этом шарнирная опора 9 используется также и при бурении нисходящих скважин. На поворотной 8 раме размещен гидроцилиндр подачи 15 со штоком, крепящим съемно-опорной пятой 16 в передней 17 или задней 18 траверсах в виде плит. Для этого опорная пята 16 оснащена съемным зажимным устройством 19, а в передней 17 и задней 18 траверсах выполнено по одному аналогичному отверстию для прохода гидроцилиндра подачи 15 при смене направления бурения с возможностью размещения в них съемного зажимного устройства 19. В передней 17 траверсе также выполнены отверстие под буровой снаряд, отверстие под крепление устройства для гидравлического захвата 20 бурильных и фильтровых колонн (на фиг. не показаны) и отверстие под направляющие 21 поворотной рамы 8. Направляющие 21 выполнены в виде труб и служат для перемещения с помощью гидроцилиндра подачи 15 вращателя 22 с гидромотором 23 и гидравлическим патроном 24. Снижение доли ручного труда достигается благодаря винтовым домкратам (на фиг. не показаны) устанавливаемых на монтажных площадках 25. Транспортные колеса с осями (на фиг. не показаны) устанавливаются в отверстия 26 рамы 7. Передача вращения с проходного шпинделя 27 на бурильную колонну 5 осуществляется посредством захвата плашками 28 патрона 24 ведущей штанги 29, наружний диаметр которой максимально приближен к внутреннему диаметру проходного шпинделя 28 (зазор 1,0-1,5 мм). Промывочная жидкость бурового насоса 3 через сальник-вертлюг 30 по шпинделю 29 поступает к бурильной колонне 5.
Заявляемая буровая установка с проходным шпинделем и гидравлическим патроном работает следующим образом.
Буровую установку (фиг. 1) доставляют в камеру (на фиг. не показана) горной выработки на транспортных тележках (на фиг. не показаны). С помощью винтовых домкратов (фиг. 1) (на фиг. не показаны), Установленных на монтажных площадках 25 нижней поднимают 7 рамы буровой агрегат 4 над транспортной тележкой и удаляют ее. В отверстиях 26 на нижней 7 раме устанавливают транспортировочные колеса (на фиг. не показаны), под эти колеса укладывают направляющие швеллера (на фиг. не показаны), опускают буровой агрегат 4 и перекатывают его в заднюю точку камеры (на фиг. не показаны) горной выработки. Аналогично доставляют маслостанцию и буровой насос, после чего монтируют буровую установку. Буровой агрегат 4 раскрепляют в горной выработке камеры путем закрепления его зажимного устройства 12 на анкере (на фиг. не показаны), укрепленном в почве горной выработки. Для сооружения восходящих, горизонтальных или наклонных скважин (на фиг. не показаны) буровой агрегат собирают в компоновке, представленной на фиг. 2 (шток гидроцилиндра крепится на задней траверсе), осуществляют обвязку маслопроводами маслостанции, пульт управления, буровой агрегат. Маслостанцию подключают к источнику электроснабжения, буровой насос 3 (фиг. 1) посредством нагнетательного шланга соединяют с сальником-вертлюгом 30, установленным на ведущей трубе 29. При работе в выработках, опасных по газу и пыли, установка комплектуется электрооборудованием во взрывозащищенном исполнении.
Для бурения восстающих скважин поворотную раму 8 в шарнире 14 устанавливают на полуоси 10.
Для бурения нисходящих с углами наклона оси шпинделя свыше 60 градусов от горизонтали зажимное устройство 19 штока гидроцилиндра 15 с задней 18 траверсы перемещают на переднюю 17 траверсу. Вместе с зажимным устройством 19 гидроцилиндр 15 поворачивается на 180 градусов и его шток закрепляется в зажимном устройстве 19 передней траверсы 17.
После выполнения подготовительных работ буровая штанга 5 вставляется в гидроключ 20, зажимается и на ее переднем конце устанавливается соответствующий тип породоразрушающего инструмента 6 (фиг. 1). После этого резьбовое соединение ведущей трубы 29 подводится к буровой штанге 5, включается вращение шпинделя 27. После соединения ведущей трубы 29 с бурильной колонной 5 включается подача вращателя вперед, буровой снаряд подводится к горной породе, включается буровой насос 3, ведущая штанга 29 зажимается в патроне 28, включается вращение шпинделя 29 и при малой подаче вращателя 22 производится забуривание скважины. Сформировав забой скважины, приступают к нормальному процессу бурения с заданными геолого-техническими нарядом параметрами. После износа породоразрушающего инструмента или после окончания рейса при колонковом бурении ведущая труба 29 отсоединяется от бурильной колонны 5 и извлечение колонны осуществляется свечами, состоящими из 2-3-х секций бурильных труб. После замены породоразрушающего инструмента или извлечении керна спуск бурильной колонны осуществляется свечами. Применение установки с проходным шпинделем снижает затраты времени и при проведении спускоподъемных операций. Особо ощутим эффект при бурении длинных скважин. При бурении нисходящих скважин колонковым способом использование вращателя с проходным шпинделем позволяет применять снаряды со съемными керноприемниками (ССК), что вообще исключает подъем бурового снаряда для извлечения собранного керноприемкой трубой керна.
Практическую применимость заявляемой буровой установки с проходным шпинделем, гидропатроном, в том числе и из подземных горных выработок, проверили на нескольких объектах.
Пример 1.
3
3
Объект испытаний - разрез «Восточный» г. Экибастуз. Проектом предусматривалось осушение угольных пластов горизонтальными скважинами, сооружаемыми установками типа УДБ-8-01. Глубина проектируемых скважин 400-500 м, диаметр бурения 98,4 мм, диаметр бурильных штанг 73 мм, категория пород по буримости V-VI, угол наклона скважин 30 градусов к горизонту. С целью получения достоверной информации о качестве углей на некоторых скважинах бурение велось с отбором керна колонковыми снарядами Ф89 мм, армированными твердосплавными коронками Ф93 мм. Для решения поставленных задач наряду с применением установки УДБ-8-01 было принято решение о проведении сравнительных испытаний с применением полезной модели. Для этого была разработана конструкторская документация, изготовлен новый вращатель с проходным шпинделем Ф95 мм, изготовлен гидравлический патрон со сменными плашками под бурильные трубы Ф89 мм, Ф73 мм, Ф63 мм. Разработанная установка была доставлена на объект и смонтирована на отведенном проектом уступе. К буровой установке была проведена электроэнергия, буровой агрегат закреплен на точке. Для закрепления был использован якорь, установленный в почве уступа. Для обеспечения агрегата водой для бурения скважины с промывкой был выкопан зумф емкостью 3м и отстойник 1,5м. После этого проводилась обвязка маслопроводами маслостанции, пульта управления, бурового агрегата. Нагнетательная линия бурового насоса соединилась с сальником вертлюгом, после чего в режим холостого хода и проверилась работоспособность всех рабочих агрегатов установки и производилось забуривание скважины. Бурение скважины велось по общеизвестной технологии. В процессе бурения фиксировались параметры режима бурения, затраты времени на спускоподъемные операции, связанные с заменой породоразрушающего инструмента, отказы в работе вновь разработанного гидравлического патрона, надежность его работы, технологичность операций, связанных с разворотом секций бурильных штанг, захват бурильной колонны и др.
Испытания показали:
1. Объем испытаний составил 10 скважин глубиной 350-400 м.
2. За счет применения проходного шпинделя созданы благоприятные условия для извлечения и спуска бурового снаряда свечами, состоящими из 3-х буровых штанг длиной 1,2 м.
3. Применение гидравлического патрона позволяет быстро осуществлять захват и освобождение бурильной колонны при ее извлечении свечами.
4. Производительность труда при производстве спускоподъемных операций «свечами» увеличилась на 35-40% по сравнению с извлечением и спуском буровой колонны отдельными секциями бурильных труб.
5. Недостатков в работе вновь разработанных узлов: патрона, вращателя не установлено.
6. В процессе промышленных испытаний достигнуты следующие параметры установки:
- частота вращения - до 400 об/мин;
- крутящий момент - 152 кГсм;
- осевое усилие на забой - 5600 кГс.
Пример 2.
Испытание полезной модели проверили при сооружении разведочно-дренажных скважин на Яковлеском руднике КМА. Проектом предусматривалось бурение скважин в богатых, переотложенных, обводненных рудах с целью получения дополнительной информации о свойствах руд и их осушения. Отбор керна предусматривалось проводить в интервалах, указанных в геолого-техническом наряде. Глубина скважин 120-150 м, конечный диаметр бурения 112 мм, угол наклона скважины +3-5° к горизонту. Количество скважин - 3. Категория пород по буримости IV-V с включением цементированных прослоек до VIII-IX категории по буримости. После завершения бурения в скважинах устанавливались фильтры ∅ 89 мм.
Для сооружения скважин буровое оборудование было спущено в ствол, перевезено в заранее сооруженную камеру 6×3×3 (длина × ширина × высота), смонтировано, буровой агрегат закреплен на точке. Проектом предусматривалось бурение скважин через герметизатор бурильной колонны, смонтированном на кондукторе ∅ 168 мм. Сооружение скважин началось с бурения скважины шарошечным долотом ∅ 190 Т на глубину 2 м под установку кондуктора ∅ 168 мм. После его установки кондуктор был зацементирован и после ОЗЦ на нем смонтирован герметизатор бурильной колонны. Бурение скважины велось как сплошным забоем, так и с применением колонковым снарядом с отбором керна в заданных интервалах. Бурение как керновое, так и бескерновое осуществлялось по общепринятой технологии. При испытаниях полезной модели основное внимание уделялось работоспособности патрона, работе вращателя, определение затрат времени на проведение спускоподъемных операций, фиксации параметров режима бурения.
Проведенными испытаниями установлено, что применение полезной модели позволило существенно, на 30-35% сократить время на проведение спускоподъемных операций. При испытаниях практиковалось извлечение и спуск снаряда свечами по 2 штанги, каждая из которых имеет стандартную длину, равную 1,2 м, патрон оперативно осуществляет операции по захвату и освобождению колонны при нагрузках 3-4 т.с. плашки удерживают штанги без проскальзывания.