БУРОВОЙ СТАНОК ДЛЯ ПРОХОДКИ 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.
Известно устройство для формирования силовых импульсов (А.С. №536851, МПК В06В 1/18, Б.И. №44-1976). Устройство содержит корпус, привод гидропульсатора, в качестве которого может быть кривошипно-шатунный, эксцентриковый или другой механизм, обеспечивающий колебания плунжера гидропульсатора, инерционные массы, поджатые пружинами к продольным боковым стенкам полого упругого элемента (гидравлического шланга), имеющего непосредственную связь с силовым гидроцилиндром и его поршнем, примыкающим к исполнительному или рабочему органу. Инерционные подпружиненные массы установлены так, что могут совершать поперечные колебания относительно продольной оси полого упругого элемента. Под импульсным воздействием поршня силового гидроцилиндра на исполнительный 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 соответствие с прототипом буровой станок для проходки скважин в подземных условиях включает вращательный узел и механизм подачи бурового инструмента на забой. Согласно полезной модели станок снабжен устройством для формирования силовых импульсов. Это устройство состоит из гидравлически связанных между собой гидропульсатора с приводом, устройства 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 пружин двумя инерционными массами, а поршень силового гидроцилиндра 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 инерционных масс при прохождении гидравлического импульса (в поперечном сечении);
- на фиг.5 - положение инерционных масс после прохождения гидравлического импульса (в поперечном сечении);
- на фиг.6 - форма гидравлического импульса после прохождения через корректирующее устройство.
Буровой станок для проходки 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, устройства для коррекции формы гидравлических импульсов 8 и силового гидроцилиндра 9. Гидропульсатор 7 представляет собой гидравлический цилиндр 10 с плунжером 11, приводимым в действие кривошипно-шатунным, эксцентриковым или иным механизмом 12. Полость цилиндра 10 сообщена с полым упругим элементом 13, который заполнен жидкостью и имеет нелинейную характеристику. Полый упругий элемент 13 посредством пружин 14 зажат между двумя инерционными массами 15, вследствие чего в поперечном сечении он приобретает эллипсовидную форму. При этом все вышеназванные детали устройства для коррекции формы гидравлических импульсов 8 заключены в жесткий корпус 16. Полый упругий элемент 13 гидравлически связан с полостью силового гидроцилиндра 9, поршень 17 которого оперт о хвостовик 18 колонны буровых штанг 2.
Буровой станок для проходки скважин из подземных горных выработок 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 12 гидропульсатора 7 плунжер 11 совершает в гидравлическом цилиндре 10 возвратно-поступательные движения (фиг.2). Они вызывают образование гидравлических импульсов с формой, приведенной на фиг.3, характеризуемой плавным нарастанием фронтальной части импульсов. Эти гидравлические импульсы, в свою очередь, вызывают вынужденные колебания жидкости в полом упругом элементе 13, зажатом посредством пружин 14 двумя инерционными массами 15. Так как гидравлический импульс в процессе перемещения по полому упругому элементу 13 преодолевает сопротивление жидкой среды, то в момент его прохождения последний расширяется (фиг.4), что сопровождается перемещением инерционных масс в радиальном направлении относительно полого упругого элемента 13. После прохождения гидравлического импульса инерционные массы 15 под воздействием пружин 14 возвращаются в исходное положение (фиг.5). Таким образом, инерционные
массы 15 совершают поперечные колебания, причем частота этих колебаний близка к частоте вынужденных колебаний жидкой среды. Это означает, что плунжер 11 гидропульсатора 7 и инерционные массы 15 работают на частотах, близких к резонансным. Указанные два фактора - перепады давления жидкости в месте расположения инерционных масс и резонансные явления при работе гидропульсатора 7 и инерционных масс 15 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 9, воздействует на поршень 17 и через хвостовик 18 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.