О параметрах и количестве бурильных машин для установки на буровых тележках

^ ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 108 ИССЛЕДОВАНИЕ БУРИЛЬНЫХ МАШИН 1959

О ПАРАМЕТРАХ И КОЛИЧЕСТВЕ БУРИЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ УСТАНОВКИ НА БУРОВЫХ ТЕЛЕЖКАХ

О. Д. Алимов, Г1. А. Самойлов

В последнее время в технической литературе [1—4], посвященной технике проведения горизонтальных подготовительных выработок в горных породах средней и высокой крепости, многие исследователи и производственники высказываются о необходимости создания в ближайшее время более совершенных, чем существующие, буровых тележек. Для уменьшения времени, затрачиваемого на обуривание забоя, и увеличения производительности труда рабочих такие тележки должны быть оборудованы мощными бурильными машинами, установленными на поддержи-вающе-подающих приспособлениях (манипуляторах и автопо-датчиках) с механизированным приводом. Эти положения разделяют все авторы, высказывающиеся в пользу буровых тележек.

Что же касается конкретных вопросов о типе, необходимой мощности бурильных машин и о целесообразном количестве их на одной буровой тележке, то на это в известной нам литературе не дается ответа. Правда, в литературе имеется ряд предложений о количестве бурильных машин на буровой тележке, но и они приводятся без достаточных обоснований. В подтверждение этого отметим лишь, что различными исследователями для одних и тех же условий рекомендуется создавать буровые тележки с числом бурильных машин от 1 до 20.

В данной статье приводятся некоторые результаты исследовании авторов по данному вопросу применительно к проведению откаточных выработок в горнотехнических условиях рудников Горной Шории.

Тип и основные характеристики бурильных машин для буровых тележек

На рудниках Горной Шории большинство откаточных выработок однопутевые, сечением 6,5—9 м2у проводятся они по горным породам с коэффициентом крепости [=9-4-14 по шкале 136

проф. М. М. Протодьяконова. В ряде случаев: встречаются горные породы крепостью 16—18. Двухпутевые выработки сечением 12—14 м2 проводятся реже.

Шпуры обычно бурят глубиной 1,8—2,2 м. Большая глубина их не практикуется, так как при существующей на этих рудниках механизации бурения шпуров на обуривание забоя должно затрачиваться более смены, что усложняет организацию проходческих работ.

Для бурения шпуров в этих горных породах можно использовать машины ударно-поворотного действия (пневматические бурильные молотки) и вращательно-ударного действия. Последние в виде опытных образцов появились в заграничной практике сравнительно недавно и промышленностью СССР пока не освоены. Поэтому при создании буровых тележек в ближайшее время мы считаем целесообразным применить для установки на них, хорошо зарекомендовавшие себя в практике пневматические машины ударно-поворотного действия. Вопрос о целесообразности применения буровых тележек с машинами вращательно-ударного действия можно решить только после всестороннего изучения этого способа бурения.

Одним из основных показателей эффективной работы бурильной машины и ее установочно-подающего устройства является минимальная затрата времени на обуривание забоя.

Продолжительность бурения каждого шпура в забое, зависящая, как известно, от глубины шпура, машинной скорости бурения и затрат времени на вспомогательные и Ьодготовительно-зак-лючительные операции, может быть записана

t=ti+t2+-^ мин(1) пш ]

где (г = — —машинное время бурения одного шпура, мин.;

/ш—глубина шпура, м\ V—-машинная скорость бурения, м/ман; t2 — время на вспомогательные операции, отнесенное к одному шпуру, мин.;

Гп.з— затраты времени на подготовительно-заключительные операции, мин.; пш — число шпуров в комплекте, обуриваемом одной машиной.

Затраты времени на бурение одного шпура глубиной 2 и 3 м в зависимости от машинной скорости бурения, рассчитанные по формуле (1) , приведены на рис. 1. Расчеты проведены для двух различных величин затрат времени на вспомогательные и подготовительно-заключительные операции, отнесенных к одному шпу-Т

РУ 4 = 4 Ч——»а именно: ¿3 = 7,0 мин. и Н — 4,0 мин. Причем

первая величина суммарных затрат получена на основе хроно-метражных наблюдений за работой буровых тележек типа БТ-3

на рудниках Горной Шории [1], а вторая — принята ориентировочно, с учетом возможности уменьшения продолжительности вспомогательных операций за счет применения длинноходовых автоподатчиков и более совершенных манипуляторов с электрическим или гидравлическим приводом механизмов их подъема и поворота.

Согласно рис. 1, время, затрачиваемое на бурение одного шнура, уменьшается с увеличением машинной скорости бурения.

50

12

0

1

§

<5 Со

са *

5г 5:

П " 250 500 750 /ООО /250 /500 /750 2000 Машинная спорость бурения 3 мм]мин

Рис. 1. Зависимость продолжительности бурения одного

шпура и мощности бурильной машины от скорости бурения:

1 — продолжительность бурения при ¿3 — 7 мин.; 2 —продолжительность бурения при мин.

При этом наиболее эффективное влияние скорости на снижение продолжительности бурения шпура наблюдается при увеличении скорости бурения лишь до 1200 мм/мин при глубине шпура 2 м и лишь до 1500 мм]мин при бурении шпуров глубиной 3 м. Дальнейшее увеличение скорости бурения не оказывает существенного влияния на общие затраты времени на бурение одного шпура.

Бурение шпура с той или иной скоростью требует определенных затрат мощности [5]. Затраты мощности на бурение могут быть определены по формуле

Аоби к<1;и Ао6ис*9

N

ш

60 • 75 . 4 . 10

57 320

Л. С.у

гДе ^об — объемная работа разрушения, кгм]смъ\ V— машинная скорость бурения, мм]мин;

(1т — диаметр шпура, см.

Объемная работа разрушения зависит от крепости горной породы, геометрии бурового инструмента и способа бурения. Согласно нашим исследованиям [6], средняя величина объемной работы разрушения для горных пород, характерных для рудников Горной Шории, при ударно-поворотном бурении однодолот-чатыми коронками диаметром 40—46 мм, составляет А0б = 16— 22 кгм]смъ при крепости горных пород / = 9 — 14 иЛоб = 25 — 30 кгм/смъ при / = 16-^-18.

Определенные по формуле (2) значения мощности для случая бурения шпуров диаметром 40 мм нанесены на рис. 1. Согласно рисунка, величина необходимой мощности бурильной машины с повышением скорости бурения увеличивается и тем интенсивней, чем больше величина энергоемкости. Для достижения скоростей бурения шпуров 1200—1500 мм]мин, например в горных породах с / = 9-7-18 (Аоб = 16-^-30 кгм]смг)у величина мощности бурильной машины должна составлять 5,5—12 л. с.

Как известно, мощность, развиваемая бурильной машиной ударно-поворотного действия, определяется по формуле

N = л.

75  60

где А — кинетическая энергия поршня-ударника перед соударением с буром, кем; п — число ударов поршня-ударника в минуту.

Ввиду того, что мощность бурильного молотка прямо пропорциональна произведению Л/г, обоснование скоростей бурения, которые могут обеспечивать бурильные машины, установленные на буровой тележке, должно начинаться с выявления возможных значений энергии и числа ударов бурильных молотков.

Современные пневматические бурильные молотки при работе с давлением воздуха 4—6 ати развивают энергию удара от 3 до 8,0 кгм и число ударов от 1400 до 3600 в минуту.

Согласно исследованиям механизма разрушения горных пород [6—8], при бурении шпуров диаметром 40—46 мм в горных породах средней и высокой крепости увеличение энергии удара с 3,5 до 20—25 кгм не приводит к сколько-нибудь существенному увеличению объемной работы разрушения. Поэтому увеличение энергии удара молотка с 3,0—8,0 до 20—25 кгм при сохранении одной и той же частоты ударов позволило бы увеличить скорость бурения в 3—6 раз. Препятствием к осуществлению этого в настоящее время является недостаточная стойкость бурового инструмента. Качество материала и применяемая на шахтах и рудниках технология изготовления инструмента, видимо, не позволят в ближайшие годы увеличить энергию удара бурильных мо-

лотков свыше 7—8,0 кгм. Следовательно, увеличение мощности бурильных машин этого типа может быть достигнуто за счет повышения частоты ударов. Необходимая частота ударов при различных заданных мощностях и величинах энергии единичного удара приведена на рис. 2, где видно, насколько большей должна быть частота ударов вновь создаваемых бурильных молотков для того, чтобы обеспечить их мощность 5,5—12 л. с.

Результаты наблюдения за процессом внедрения бура в горную породу при работе современных бурильных молотков [8] поз-

воляют предполагать, что процесс взаимодействия бура с горной породой качественно не изменится и величина объемной работы разрушения останется постоянной при увеличении частоты ударов бурильных молотков до 6000 в минуту (при энергии удара свыше 3,0 кгм и длине бура 2 м). Это число ударов на рис. 2 и принято за максимальное'(/гтах), к которому при создании новых бурильных молотков следует стремиться. Заметим, что современные бурильные молотки типа ПМ-508, КЦМ-4, выпускаемые серийно, имеют частоту порядка 1600 ударов в минуту при энергии уда-140

О '2 Ц 6 8 Ю 12

Мощность полотнаул.с.

Рис. 2. Зависимость мощности бурильного молотка от числа и энергии удароп.

ра 3,5—6 кгм. В последние годы промышленностью выпущены ручные высокочастотные молотки с числом ударов 2600—3600 в минуту.

Исследования внутренних процессов высокочастотных молотков, проведенные на кафедре горных машин и рудничного транспорта Томского политехнического института В. Ф. Горбуновым [9], показали, что число ударов высокочастотных молотков, работающих по схеме с отдельным золотниковым распределением (типа ПР-25, ИН-754), возможно увеличить до Лшах^НгООО уд/мин, а для молотков, работающих по схеме беззолотниковых молотков (типа Т-10), до Лтах = 4500 уд/мин. Этой величиной частоты ударов на рис. 2 ограничена область, в которой необходимая мощность молотка может быть обеспечена наиболее простыми по конструкции машинами — пневматическими бурильными молотками с одним рабочим поршнем.

Увеличение частоты свыше 4000—4500 уд/мин при сохранении рабочего давления воздуха 4—6 ати потребует, видимо, коренного изменения конструкции бурильных молотков. Одним из возможных направлений для осуществления этого является создание двухпоршневых бурильных молотков, у которых удары по буровому инструменту наносятся поочередно двумя свободно движущимися поршнями. В последние годы такие ударные узлы создаются для машин вращательно-ударного действия, частота ударов которых достигает 6000 в минуту. Широкого распространения в практике эти ударные узлы не получили ввиду сложности изготовления и малой надежности в эксплуатации. Основным недостатком подобных машин является малая прочность ударных узлов, несмотря на то, что энергия единичного удара не превышает 3—4 кгм.

Исходя из изложенного, мы считаем, что для оборудования буровых тележек, которые будут создаваться в ближайшие годы для проведения выработок в крепких горных породах, необходимо ориентироваться на однопоршневые бурильные молотки, тщательно подобрав их характеристики и отработав конструкции. Одновременно следует проводить научно-исследовательские и конструкторские работы с целью создания для буровых тележек надежных в работе ударных машин с частотой ударов до 6000 в минуту.

Принимая во внимание высказанные выше соображения, для работы с буровых тележек можно рекомендовать бурильные машины со следующими параметрами ударных узлов: энергии удара А = 5—8 кгм и число ударов я = 4000—4500 уд/мин.

При этих величинах энергии и частоты ударов величина мощности машины (рис. 2) увеличится до N = 5,0—7,0 л. с. в сравнении с 2,0—2,1 л. с. у молотка КЦМ-4.

В табл. 1 приведены результаты расчетов продолжительности бурения одного шпура в горных породах / = 9-М8 при исполь-

зовании бурильных машин рекомендуемой нами мощности-Расчеты проведены с помощью номограммы, приведенной на рис. 1.

Показатели

Коэффициент крепости горной породы по шкале проф. М. М. Протодьяконов^

/ - 1 6^-18

Объемная работа разрушения, кг/см3

Энергия удара, кгм .......

Число ударов, уд/мин.....- •

Ударная мощность, л. с.......

мм/мин

скорость бурения,- . . . .

%

Продолжительность бурения шпуров глубиной 2 м:

мин

а) при ¿з = 7 мин.

б) при /3= 4 мин.,-

%* мин

%

Продолжительность бурения ыпуров глубиной 3 м:

мин

а) при ¿з=7 мин ,

б) при /3= 4 мин

%* мин

16—22 5,0—8,0 4000—4500 5,0—7,0 810—1550

%

55-59

25—30 5,0—8,0 4000—4500 5,0—7,0 600—1000

250—340 250—340

8,7-9,5 9,0—10,4

76—70 5,2-6,4 65—66 5,8—7,5

61—62 52—60

8,9—11 9,8—12,2

65—69 5,9—7,8 56—61 6,8—8,9

47—55

П р и м е ч а н и е. Таблица составлена для бурения шпуров диаметром 40 мм-

* Зт 100% принята скорость и продолжительность бурения шпура бурильным молог ком КЦМ-4.

По данным, приведенным в таблице, видно, что увеличение мощности бурильной машины в 2,5—3,3 раза позволит пропорционально повысить скорость бурения и уменьшить общую продолжительность бурения одного шпура глубиной 2 м в 1,3—1,5 раза. Если же дополнительно снизить затраты времени с 7 до 4 мин. путем улучшения конструкций податчиков и манипуляторов, то продолжительность бурения одного шпура снизится в 2,1—2,2 раза. При увеличении глубины шпуров до 3 м эффект от указанных мероприятий будет еще большим.

Количество бурильных машин на буровой тележке

Изучение передового отечественного и зарубежного опыта проведения горизонтальных выработок показывает, что вследствие низких скоростей бурения, которые могут обеспечить существующие бурильные машины ударно-поворотного действия, уменьшение продолжительности обуривания забоя подготовительных

выработок достигается в основном за счет увеличения количества одновременно работающих машин. При скоростных методах проведения выработок число бурильных машин, установленных в одном забое, достигает 10—12 [10]. При этом на одну бурильную машину приходится всего 0,9—1,5 м2 площади обрабатываемого забоя. Большое количество одновременно работающих машин и обслуживающих их рабочих на небольшой рабочей площади создает неблагоприятные условия для работы бурильщиков и снижает их производительность.

В связи с этим можно предполагать, что создание бурильных машин, обеспечивающих большие скорости бурения, и снижение затрат времени на подготовительно-заключительные и вспомогательные операции позволит получать высокие скорости проведения выработок с меньшими затратами труда.

Общие затраты времени на обуривание забоя могут быть определены по формуле

Т = мин.,

V} т1

где 1'ш — средняя глубина шпура по паспорту буровзрывных работ для данного забоя, ж; п'и — количество шпуров на забой;

тх — количёство бурильных машин, работающих в забое;

VI—скорость бурения по общим затратам времени, т. е. с учетом как затрат времени на собственно бурение шпура, так и затрат времени на вспомогательные операции, м/мин

I0 /

/ IV

= Т"7- - •

т /ш + Ьи

Графические зависимости скорости бурения по общим затратам времени от величины машинной скорости бурения и затрат времени на вспомогательные работы для рассматриваемых нами случаев приведены на рис. 3.

Согласно рис. 3, увеличение машинной скорости бурения свыше 1000—1250 мм/мин при значительных затратах времени на вспомогательные работы (¿г^б мин.) и глубине шпура 2 ж не приводит к существенному увеличению скорости бурения по общим затратам времени и поэтому вряд ли целесообразно. В то же время при меньших вспомогательных затратах (¿2 = 2,5 мин.) и глубине шпура 3 м скорость бурения по общим затратам времени существенно увеличивается при повышении машинной скорости до 2000 мм/мин и более. При реализации наших рекомендаций по созданию бурильных молотков мощностью 5,0—7,0 л. с. (см. таблицу) и снижении затрат времени на вспомогательные работы до ¿2 == 2,5 мин. можно обеспечить скорость бурения по

общим затратам времени до 540 мм/мин при горных породах с /= 16-7-18 и до 680 мм/мин — при / = 9-М4.

Результаты расчетов общей продолжительности бурения шпуров в забое однопутевой выработки, произведенные по формуле (4), при — 3 ж, Лщ = 30 шпуров и Тпз = 50 мин., приведены на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что общие затраты времени на обуривание

Р.тс. 3. Зависимость скорости бурения по общим га-

тратам премени от машинной скорости бурения: 7-/2 ~ 5 мин., 2 м; 2 — /2 = 5 мин., — 3 Л; 3 — (2 —

= 2,5 мин.; « 2 Л; 4 —- 2,5 мин.; = 3 л*, ш ' ш

количества бурильных машин до 4—5 и скорости бурения по общим затратам времени до 0,5—0,6 м/мин. Дальнейшее увеличение количества бурильных машин при — 0,5—0,6 м/мин не может значительно сократить общее время, необходимое для обу-ривания забоя. Аналогичные результаты получены нами и при С=2 и 2,5 ж.

Следует к тому же заметить, что все расчеты при построении графических зависимостей (рис. 4) производились исходя из предположения, что затраты времени на вспомогательные и подготовительно-заключительные операции будут одинаковые по величине, независимо от количества бурильных машин и обеспечиваемой скорости бурения. В действительности же с увеличением количества бурильных машин, установленных на одной буровой

тележке, свыше четырех, очевидно, будут увеличиваться и затраты времени на подготовительно-заключительные операции. Кроме того, для увеличения скорости бурения потребуется применять более мощные и тяжелые бурильные машины, что приведет к дополнительному увеличению затрат времени на вспомогательные операции и, естественно, уменьшит эффект от применения большого количества мощных бурильных машин.

Учитывая сказанное, мы считаем, что для обеспечения минимальных затрат времени на обуривание забоя однопутевой вы-

чбо

а/ о? 03 цц 0^5 0$ 0,7 Од

Скорость дурения по общим затратам бр*> мрни м/мин

Рис. 4. Продолжительность бурения шпуров в забое в зависимости от скорости бурения по общим затратам времени и количества бурильных машин.

роботки нецелесообразно увеличивать число бурильных машин устанавливаемых на одной тележке, свыше четырех, а скорость, бурения по общим затратам времени — свыше 0,5—0,6 м/мин.

Эффективность работы бурильщиков характеризуется не только минимальными затратами времени на обуривание забоя, но и максимально возможной производительностью их труда. Одним из важнейших путей повышения производительности труда бурильщиков является одновременная работа на нескольких бурильных машинах.

Ю Заказ 29 14->

Максимальное количество бурильных машин, которое в состоянии обслужить один бурильщик без простоев, можно определить по формуле

™тах=• (б) ¿2

Производительность рабочего может быть выражена количеством погонных метров, пробуренных в течение одного часа всеми машинами, которые он обслуживает, и подсчитана по формуле

I = 60'пог. м/час,

где VI — скорость бурения по общим затратам времени, м/мин.

Подставляя в формулу (7) значения ттах и 1>ь получим выражение для определения максимально возможной часовой производительности бурильщика

/

/

¿тах = 60 — пог. м/час.

¿2

Результаты расчетов по формулам (7) и (8) приведены на рис. 5, согласно которому при обуривании забоя на глубину шпуров 2 м с наиболее распространенных в настоящее время буровых тележек типа ТБ-3, БК-2 и др. (при применении которых затраты времени на вспомогательные операции составляют не менее 5 мин.), можно обеспечить производительность труда бурильщика не более 24 пог. м/час. Увеличение производительности труда бурильщиков в 2—3 раза может быть достигнуто за счет снижения затрат времени на вспомогательные операции, например, до 2,5 мин. путем установки бурильных машин на более совершенные буровые тележки, оборудованные длинноходовыми иодатчиками и манипуляторами с гидро- или электроприводом. В этом случае при бурении шпуров глубиной 2 м максимальная производительность бурильщика ¿тах=48 пог. м/час, а при глубине шпуров 3 м —Ьтах= 72 пог. м/час.

При работе бурильными молотками КЦМ-4 с существующих буровых тележек (Ы = 2—2,2 л. е., V = 240—450 мм/мин и мин.), а также машинами с рекомендуемыми нами параметрами, но установленными на более совершенные буровые тележки (А'^б—7 л. е., V = 600—1550 мм/мин и ¿2 = 2,5 мин.), одному бурильщику целесообразно обслуживать 2—3 машины. Большее число бурильных машин, приходящееся на одного рабочего, не дает увеличения производительности труда. По этой же причине нерационально увеличивать машинные скорости бурения сверх 800 и 1250 мм/мин при глубине шпуров соответственно 2 н 3 м.

Из всего изложенного выше можно сделать вывод, что для проведения однопутевых откаточных выработок сечением 6,5— 146

9 м* в крепких горных породах, целесообразно создать буровые тележки на 3—4 мощнее бурильные машины. При этом следует обратить особое внимание на совершенство их установочно-по-дающих приспособлений (манипуляторов и автоподатчиков). С целью увеличения производительности труда буровые тележки:

30

/5

1'щ=2м 4 =5мин

1тах = ?Цпогм

ж щ шщщ

/молоток

¿ пая — 72пог м

Сг ~2>5мин

250 300 750 /ООО /230 /500 /750 2000 Машинной скорость бурения ¡мм]мин

Рис. 5. Производительность одного бурильщика в зависимости от количества обслуживаемых машин и режимов их работы.

на три бурильные машины должны обслуживаться одним бурильщиком, а на четыре машины — двумя бурильщиками.

При проведении двухпутевых выработок (сечением 12—14 м2) целесообразно применять одновременно две тележки на три или четыре бурильные машины каждая.

Таким образом, создание новых более совершенных буровых тележек на 3—4 мощные бурильные машины позволит добиться 10* . 147'

значительного увеличения производительности труда бурильщиков, сократить затраты времени на производство каждого цикла буровзрывных работ и добиться тем самым высоких скоростей проведения выработок. Так, например, если процесс бурения шпуров в однопутевых выработках, проводимых в настоящее время на рудниках Горной Шории по горным породам крепостью / - 16-М8 с помощью тележек типа БТ-3 составляет 3,6—4,5 часа, то при создании более совершенных буровых тележек продолжительность этого же процесса может быть снижена до 1,4— 1,6 часа, т. е. более чем в два раза. Еще больший эффект от применения таких буровых тележек может быть достигнут при увеличении глубины шпуров до 2,5—3,0 ж.

Создание совершенных буровых тележек поможет также решить более полно вопросы автоматизации ряда операций при Пурении, уменьшения шума и влияния вибрации на рабочего, уменьшения запыленности воздуха в забое и др., что позволит значительно облегчить труд бурильщиков. Однако до сих пор научно-исследовательские и проектные организации, а также заводы горного машиностроения вопросу создания совершенных Дуровых тележек не уделяют должного внимания, что существенно тормозит повышение производительности труда рабочих при проведении горных выработок, затягивает строительство и реконструкцию горных предприятий.

ЛИТЕРАТУРА

О. Д. А л.и ¡мо >в, П. А. Самойлов. О целесообразности применен; I я буровых кареток на рудниках Горной Шории. Горный журнал, № 8, 1958.

2. В. С. Романов. Пути повышения скорости проходки горизонтальных

выработок. Днепропетровск, 1958.

3. Н. Д. Скоба. К вопросу скоростного обуривания забоя горизонтальных

горных выработок. Известия высших учебных заведений, Горный журнал, № 2, 1958.

4. П. Я. Таранов. Буровзрывные работы. Углетехиздат, 1958.

5. О. Д. Алимов. Об оценке качества машин для бурения шпуров. Статья

в данном сборнике.

6. О. Д. А' л и м о в, А. А. Алимова. Номограммы для расчета некото-

рых параметров бурильных молотков. Статья в данном сборнике.

7. И. А. О с т р о у ш к о. Разрушение горных пород при бурении. Госгеол-

издат, 1952.

8. О. Д. А л и м о в. О механизме разрушения горных пород при ударно-вра

щательном бурении. Известия ТПИ, т. 75, 1954.

9. В. Ф. Горбунов. Экспериментальное исследование рабочего процесса

пневматических бурильных молотков. Кандидатская диссертация, Томск, ТПИ, 1958.

,:0. МУП СССР. Скоростная проходка квершлага темпами 870,5 м в месяц на чешском руднике. М., ЦИТИ, 1955.