Предмет горного дела 3

Машины и инструмент для бурения шпуров

На открытых и подземных горных работах шпуры бурят машинами ударно–поворотного, вращательного и ударно–вращательного действия.

Бурильная машина ударно–поворотного действия представляет собой одноцилиндровый двигатель, в котором поршень – ударник под действием сжатого воздуха совершает возвратно–поступательное движение и наносит удар по буру, лезвие которого внедряется в породу. После каждого удара бур поворачивается на некоторый угол.
Бурильная машина вращательного действия представляет собой ротационный двигатель (электрический, пневматический или гидравлический) с редуктором и шпиндлем, в патроне которого крепится штанга с резцом. Бурение шпура осуществляется непрерывно вращающимся буром.
Бурильная машина ударно - вращательного действия состоит из ротационного и ударного двигателей, скомпонованных в одном корпусе. Для бурильных машин этого типа вращение буровой штанги не зависит от работы ударного узла. Под действием ударной нагрузки лезвие бура внедряется в породу и образует вруб. Поскольку вращательное движение продолжается и во время вращения лезвия инструмента, то порода, расположенная рядом с врубом, скалывается в направлении вращения.
Для привода машин используется электрическая, гидравлическая и пневматическая энергия.
Современные конструкции бурильных машин поставляются в комплекте с породоразрушающим инструментом: моноблоками (бурами) и составными бурами.
Бурильные машины ударно - поворотного действия.
Бурильные машины ударно-поворотного действия (перфораторы) предназначаются для бурения шпуров в породах V – XX категорий. В зависимости от назначения и массы пневматические бурильные машины подразделяют на три группы: ручные массой 26 - 35 кг; колонковые массой 50 – 75 кг; телескопные массой от 38 – 48 кг.
По способу очистки шпура от бурового шлама различают бурильные машины: с осевой промывкой и продувкой; с боковой промывкой; с центральным пылеотсосом сжатым воздухом.
По частоте ударов бурильные машины подразделяют на обычные (с числом ударов до 2000 в минуту) и быстроударные (с числом ударов более 2000 в минуту).
По способу подачи различают бурильные машины с ручной и механической подачей. Для первого типа перфораторов характерно использование мускульных усилий бурильщика. Бурильные машины второго типа перемещаются и подаются специальными механическим податчиками.
Основные параметры, характеризующие ударно – поворотные бурильные машины, следующие:
Сила P₁ (H), действующая на поршень машины,
π
P₁ = - --- - (D² - d₂ ²) (p₁ – p₀),
4
где D - диаметр ударника с рабочей стороны, м; d - диаметр геликоидального стержня, м.
Энергия удара на ударнике. Частота вращения бура n₁ (об/мин) будет
β n _уд
n₁ = - --------- - .
360⁰
Угол поворота бура β (градус) после каждого удара
k_Х S₁
β = - ------- - 360⁰
H
где k_{Х =} 0, 85 ÷ 0, 9 - коэффициент потери хода и S₁ длина хода ударника; H = 1, 1 – шаг нарезки геликоидального стержня, м.
Скорость поршня перед ударом вычисляют по формуле v = √2a₁k_ХS_1, м/с.
Время холостого удара ударника
Т_см – (Т_{п. з.} + Т_{р. п)}
П_б = - ------------------------
1
(- -- - + t_вс) k_отд
v
где Т_{см –} продолжительность смены, мин; Т _{п. з.} и Т _{р. п.} = 10 ÷ 20 – продолжительность соответственно подготовительно – заключительных и регламентированных перерывов в работе, мин; v – скорость бурения за чистое время (буримость горной породы), м/мин; t_вс - вспомогательное время на бурение 1 м шпура; k_отд = 1, 1 – коэффициент, учитывающий отдых.
Крутящий момент M (Н۰ м) на буре
P₂d_2ср
M = - ----------- - tg (υ – δ)
2
где P₂ - сила, действующая на поршень при холостом ходе, Н; d_2ср - средний диаметр геликоидального стержня, м; υ и δ – соответственно угол подъема нарезки поворотного стержня и угол трения гайки о стержень, градус.
Перфораторы имеют сходные между собой узлы, общие для всех бурильных машин ударно – поворотного действия; воздухораспределительно–ударный механизм и механизм поворота с промывочным устройством, устройства для виброгашения и пуска перфораторов в работу. Воздухораспределительно-ударный механизм предназначен для регулирования поступления сжатого воздуха попеременно в поршневую и штоковую полости цилиндра бурильной машины для обеспечения заданной частоты ударов ударника по буровой штанге; поворотный механизм - для передачи вращения буровому инструменту после каждого удара ударника по хвостовику штанги; устройство промывки – удаления бурового шлама из забоя шпура с помощью напорной воды и сжатого воздуха; виброгасящее устройство – для гашения вибрации работающего перфоратора. Отдельные модификации различаются условиями применения, массой и ударной мощностью.
Бурильные машины вращательного действия.
Бурильные машины вращательного действия (сверла) предназначены для бурения шпуров в малоабразивных породах до XIV категории. В зависимости от условий применения и массы сверла подразделяются на три группы: ручные массой до 24 кг и мощностью до 1, 4 кВт; колонковые массой до 130 кг и мощностью до 2, 5 к Вт и съемные – массой до 700 кг и мощностью до 7, 5 кВт.
Подобно бурильным машинам ударно - поворотного действия в машинах вращательного действия предусмотрены устройства для центральной и боковой промывки. Применяют также сверла, при работе которых буравой шлам удаляется из шпура витками штанги ("сухое" бурение).
При бурении мерзлых пород используют специальные устройства, обеспечивающие отсос бурового шлама через устье шпура и боковую муфту.
Технические характеристики ручных и колонковых сверл приведена в табл. 2, а съемных в табл. 3.

Табл. 2.

Параметры	Ручные элетросверла									Ручные пневмосверла												Колонковые элетросверла
	ЭРИД-2М	ЭР18д-2М		ЭРП18д-2М		СЭР-19М			ЭРВ	СР-3		СР-3М		СПР13-750					СПП-15			ЭБГП-1			ЭБГП-2У5
Мощность на шпинделе, кВТ	1	1, 4		1, 4		1, 2			1, 2	2, 5		2, 5		2, 5					2, 5			2, 5			2, 5
Частота вращения, об/мин	800	640		300		750			750	335		335		750					750			170/335			170/335
Усилие подачи, кН	Ручная			3 ± 0, 5		Ручная				Ручная РУ4(5); РУ-6; РМ-40									0, 7			15			15
Тип бурового инструмента	Сталь витая буровая, резцы РМ-43, РУ-13М																		Сталь круглая буровая с продольными пазами, резцы РП-42, БИ-741В
Габариты, мм	375 х 316 х 230	338 х 316 х 230		468 х 316 х 230		350 х 318 х 300			368 х 325 х 300	354 х 445х 280			405 х 325 х 236					290 х 325 х 240			1765 х 400 х 400
Масса, кг, не более	16	17		24		16, 5			19	13		13, 2		13					12, 5			130			125
Показатели			Бурильные машины
			Вращательного действия				Ударно – вращательного действия																Вращательного и ударно – вращательного действия
			БУЭ		БУА-3			БУ1100-1-1М			БГА-1М, 1БГА-1			БКГ-2		ПК-60				ПК-75			МБЭ
Мощность, кВт			7, 5		10			7, 0			10			10		7, 8				10			7, 5
Вид энергии			Электричес-кая		Гидравлическая			Пневматическая							Гидравлич.		Пневматическая							Электрическая
Частота вращения шпинделя, об/мин			152, 317, 731		510			130			100			450		150				120			152, 317, 731
Частота ударов в минуту			-		-			4000			2500-3000			4000		2800				2000			3000
Максимальное усилие подачи, кН			17		12			15			19			18		10				10			17
Ход подачи, мм			3000		2100, 3000			2750			2750			2750		3300				3300			3000
Масса, кг			675		470			480			497			580		620				630			675

Буры для ударных пневматических бурильных машин.

Буры и стержни составных буров для ударных пневматических бурильных машин изготавливают из углеродистой стали, чаще всего шестигранного сечения в поперечнике, диаметром 22 – 32 мм, имеющей по оси прута канал диаметром 5 – 6 мм.
Чтобы пробурить шпур определенной глубины, необходимо иметь набор (комплект) из нескольких буров различной длины с уменьшающимися по мере увеличения длины бура диаметрами головок.
В процессе бурения лезвие головки бура срабатывается и тупится. Поэтому время от времени, в зависимости от крепости пород, затупившийся бур необходимо заменять новым. Старый бур передается в мастерскую для заправки на бурозаправочных станках.
Для заправки (восстановления) головок и хвостиков буров их предварительно нагревают в специальных нефтяных горнах. После обработки (заправки) головки бура ее необходимо закалить – придать ей необходимую твердость. Для этого головку бура вновь нагревают до определенной температуры и опускают в холодную воду.
Для повышения технико–экономической эффективности ударного бурения применяют головки буров с пластинками из твердого сплава. Как показала практика, в этом случае производительность бурения в породах средней и ниже средней крепости повышается от 40 до 100% и выше, а в породах выше средней крепости и крепких – от 100 до 300%.
Как и резцы сверл, буровые головки, армированные твердыми сплавами, не подвергаются термической обработке, а затачиваются.
В последнее время стали применять буры главным образом со съемными коронками, армированные пластинками из твердого металла.
Применение съемных коронок снижает расход буровой стали, сокращает расходы по транспортировке буров из забоя в мастерскую и обратно и упрощает бурозаправочное хозяйство.
Формы головок буров могут быть различные. Чаще всего бывают однодолотчатые или крестовые. Также широкое применение получает Т – образная форма. И разъемные головки с опережающим лезвием.
Соединение съемной головки со стержнем бура может быть конусное (основанное на силе трения) и резьбовое.
Подача энергии к бурильным машинам.
При бурении электросверлами электрическая энергия подается по бронированному кабелю, прокладываемому по горным выработкам до специального пускателя. От пускателя к электросверлу ток подается по гибкому кабелю длиной 50 – 100 м, который для удобства обращения наматывается на специальный барабан и соединяется с пускателем через штепсельную муфту при помощи отрезка гибкого кабеля. Второй конец гибкого кабеля, намотанного на барабан, снабжен штепсельная вилка, имеющаяся на конце отрезка гибкого кабеля, идущего непосредственно от электросверла.
При бурении пневматическими бурильными машинами сжатый воздух подводится от компрессора к забоям по трубам.
Диаметр трубопровода в каждом отдельном случае определяется в зависимости от длины участка и количества проходящего по нему воздуха. Непосредственно у компрессора диаметр труб бывает 100 – 200 мм. По мере удаления от него и разветвления сети диаметр труб уменьшается и у самого забоя бывает 38-50 мм. От трубопровода непосредственно к бурильной машине сжатый воздух подается по гибким резиновым шлангам длиной 10-15 м с внутренним диаметром 16-25 мм.
Давление сжатого воздуха у компрессора обычно бывает 6 – 7 am, а непосредственно у молотка не должно быть ниже 5 – 6 am, так как при падении давления воздуха производительность буровой машины уменьшается.
Последнее время имеется тенденция к повышению давления сжатого воздуха как у компрессора, так у потребителя.
Потеря давления сжатого воздуха происходит как за счет утечек его в местах неплотных соединений труб и через арматуру, так и за счет преодоления им сопротивлений при движении по трубам.
Необходимая производительность компрессора определяется в зависимости от числа работающих пневматических механизмов.
Например, если работают только бурильные и отбойные пневматические молотки, то производительность компрессорной установки Q может быть ориентировочно определена по формуле:
Q = k₁n₁q₁ + k₂n₂q₂ + al, м³ /мин,
где k_{1 –} коэффициент одновременности работы бурильных машин, который можно принимать равным 0, 8 - 0, 8; n₁ - число работающих бурильных машин в смену; q₁ - расход воздуха одной бурильной машиной, м³ /мин; k₂ - коэффициент одновременности работы отбойных молотков, равный 0, 9; n₂ - число работающих отбойных молотков в смену; q₂ – расход воздуха одним молотком, м3/мин; a – потери воздуха на 1 км сети, м3/мин; l – длина воздухопровода) суммарная одновременно работающих участков), км.
Расположение шпуров в забое, их глубина и число.
Целью применения взрывных работ является отделение породы от массива и раздробление ее на куски, наиболее удобные по размерам для погрузки. Сопротивление различных пород отделению от целика и раздроблению неодинаково и зависит в первую очередь от свойств самих пород: их крепости, слоистости, трещиноватости, кливажа и т.д. Поэтому для получения наибольшего эффекта при ведении взрывных работ шпуры следует располагать в забое с учетом этих естественных свойств пород. Кроме того, на расположение шпуров в забое оказывают влияние тип горной выработки и форма ее поперечного сечения.
Если в забое выработки, проводимой по однородной массивной породе, пробурить один шпур перпендикулярно плоскости забоя (рис.3, а) и зарядить его взрывчатым веществом, то при взрыве почти не произойдет отрывания породы, так как вся сила его будет направлена на выбрасывание из шпура забойки и на некоторое раздробление и уплотнение породы вокруг шпура. Если же шпур пробурить наклонно к плоскости забоя (А₁О рис.3, б), то порода между шпуром и обнаженной поверхностью забоя окажется по сравнению с предыдущим случаем в более благоприятных для отрыва от массива условиях, так как в этом направлении сопротивление породы отрыванию будет меньше, чем в остальных. А₃
Р
ис.3. Расположение шпуров относительно плоскости забоя.
При расположении шпуров под более острыми углами к плоскости забоя (А₂О, А₃О) объем породы, отрываемой одним шпуром, возрастает. Максимальный эффект взрыва достигается при расположении шпура параллельно обнаженной плоскости (А₄О), что возможно при наличии вруба. При работе по мягким породам или при наличии мягкого прослойка такой вруб может быть произведен при помощи врубовой машины; при ведении взрывных работ в массивных породах вруб производится при помощи взрывных работ.д.ля этого в забое пробуривают несколько наклонных, направленных друг к другу так называемых врубовых шпуров, заряды в которых взрывают в первую очередь. При этом все заряды последующих шпуров взрывают при наличии второй обнаруженной поверхности; такие шпуры называют отбойными. Глубину их обычно принимают несколько меньше, чем врубовых.
Кратчайшее расстояние (рис.3, б) от центра заряда до обнаженной плоскости называется линией наименьшего сопротивления.
Глубину шпуров определяют в зависимости от крепости пород, исходя из времени, необходимого для выполнения проходческого цикла, в основном для бурения и уборки породы.
Например, при необходимости окончания бурения всех шпуров в заданное время t длина l шпуров может быть определена по формуле
cn₁t
l = - --------- - ,
kN
где c – средняя скорость бурения, м/мин; n₁ - число одновременно работающих бурильных машин; k = 1 – 1, 1 – коэффициент, учитывающий бурение дополнительных (подбурочных) шпуров; N - общее число шпуров в забое.
Общее число шпуров определяют исходя из числа шпуров, приходящих на 1 м² забоя, зависящего в основном от крепости пород и размеров забоя и устанавливаемого по данным практики или по необходимому расходу взрывчатого вещества.
В первом случае может быть применена также формула М. М. Протодьяконова
f
n = 2, 7 √ - -------,
S
где n - число шпуров на 1 м² забоя; S - площадь забоя, м²; f - коэффициент крепости по шкале М. М. Протодьяконова.
Следует однако, иметь виду, что по этой формуле число шпуров (с учетом необходимой степени дробления породы при механической погрузке) получается заниженным.
Зная число шпуров на 1 м² забоя, легко найти их общее число
N = n*S.
Число шпуров по расходу взрывчатого вещества может быть определено по формуле
qV
N = - ------- - ,
γ
где q – расход взрывчатого вещества на 1 м³ породы; γ – средняя величина заряда отдельных шпуров, кг; V - объем взрываемой породы, м³;
V = S* l, м
где S - площадь выработки, м²; l – средняя длина шпура, м.
Общее число шпуров N по числу шпуров на 1 м³ взрываемой породы может быть определено по формуле L_общ
N = - ----------
l
где L_общ - общая длина всех шпуров, м; l – средняя длина одного шпура, м.
Общая длина всех шпуров определяется из выражения
L_общ = V*l_{пог. м ш/м3,}
где V – объем взрываемой породы, м³; l_{пог. м. ш/м3} – число шпурометров, приходящееся на 1 м³ взрываемой породы, которое берется по нормам.
Взрывчатые вещества.
Общая характеристика взрывчатых веществ.
Взрывчатыми веществами (ВВ) называют химические соединения или механические смеси, которое под воздействием внешнего импульса (нагревание, искра, толчок) способны к взрыву, т. е. могут с огромной скоростью превращаться в другие химические соединения с выделением тепла и образованием газов, способных производить механическую работу.
Крайне быстрое выделение энергии при химическом превращении ВВ, сопровождающееся выделением тепла и образованием сжатых газов, которые при высокой температуре мгновенно расширяются, производя механическую работу и образуя в окружающей среде ударные (взрывные) волны, называется взрывом.
В зависимости от скорости взрывчатого разложения одно и то же взрывчатое вещество может быть бризантным (дробящим) или фугасным (метательным); чем больше скорость этого разложения, тем больше бризантность.
Скорость разложения внутри заряда измеряется в метрах в секунду. В зависимости от ее величины различают взрывное горение и детонацию.
В первом случае распространение взрывчатого разложения по взрывчатому веществу происходит без прохождения ударной волны и протекает со скоростью порядка сотен метров в секунду.
При детонации распространение взрыва обуславливается прохождением ударной волны по взрывчатому веществу и протекает для данного ВВ и при данных условиях с постоянной сверхзвуковой скоростью порядка нескольких тысяч метров в секунду.
Только немногие взрывчатые вещества взрываются при зажигании (например, гремучая ртуть и азид свинца). Большинство применяемых взрывчатых веществ при зажигании на открытом воздухе сгорает без взрыва.
Первый тип взрывчатых веществ применяют для изготовления капсюлей – детонаторов, а второй – в качестве основного взрывчатого вещества, обеспечивающего отрывание породы от массива и дробление ее.
В практике взрывного дела в качестве возбудителя первичного взрыва применяют тепловые воздействия (искру). Взрыв основного заряда ВВ взрывается посредством взрывного толчка, т. е. сообщения толчка взрывчатому веществу при помощи взрыва небольшого заряда другого, так называемого инициирующего взрывчатого вещества.
Все взрывчатые вещества для подземных работ должны применяться в виде патронов, причем изготовление патронов допускается только на заводах взрывчатых веществ.
Промышленные ВВ делятся на следующие основные классы:
- аммиачноселитренные ВВ (аммониты и динамоны);
- нитроглицериновые ВВ;
- нитропроизводные ароматического ряда;
- оксиликвиты;
- хлоратные и перхлоратные ВВ;
- черный порох.
Средства взрывания.
Взрывание зарядов может производиться при помощи огня или при помощи электрического тока.
При огневом взрывании применяют огнепроводный шнур и капсюли – детонаторы, а при электрическом – электровоспламенители и электродетонаторы.
Капсюли – детонаторы (рис.4) применяют для сообщения взрывного толчка заряду взрывчатого вещества. Изготавливают их в виде металлической или бумажной гильзы диаметром 7 мм и длиной 45, 5 – 51 мм, открытой с одного конца и на две трети заполненной зарядом ВВ. В нижней части гильзы запрессован вторичный инициатор, а поверх него – первичный.
Огнепроводный шнур служит для сообщения снопа искр инициирующему взрывчатому веществу, находящемуся в капсюле – детонаторе. Горючей массой такого шнура является шнуровой проход в мельчайших зернах; снаружи эта масса заключена в две оплетки, предохраняющие ее от механического повреждения, от сырости и пр.
Р
7,65

ис.4. Капсюль – детонатор:
а – в металлической гильзе; б – в бумажной гильзе;
1 – гильза; 2 – вторичное инициирующее ВВ; 3 – первичное инициирующее ВВ;
4 – металлическая чашечка; 5 – отверстие; 6 – азид свинца; 7 – углубление.
Электровоспламенители представляют собой два изолированных электрических проводника, концы которых соединены проволокой (мостиком). При пропускании по проводам электрического тока этот мостик накаливается и воспламеняет зажигательный состав, передающий затем инициирующему взрывчатому веществу капсюля – детонатора, в который вставляется электровопламенитель.
Для одновременного взрывания нескольких зарядов при открытых работах, кроме электроденаторов мгновенного действия, принимают детонирующий шнур. Детонирующие шнуры представляют собой тонкие хлопчатобумажные трубки, наполненные высокобризантными взрывчатыми веществами.
Определение величины шпурового заряда.
Ориентировочно величина отдельного заряда при шпуровом методе взрывных работ может быть установлена исходя из общего расхода взрывчатого вещества на одну заходку, определяемого по формуле
Q = q*V, кг
где q - расход взрывчатого вещества на 1 м³ взрываемой породы, который берется по нормам с ведением поправочных коэффициентов в случае отклонения условий данного конкретного случая от стандартных условий, кг; V – объем взрываемой породы, м^3.
Зная общий расход взрывчатых веществ на всю заходку, можно найти средний расход ВВ на один шпур. Q
γ = - -----, кг
N
где N – число шпуров.
Окончательная величина заряда уточняется практически с учетом конкретной характеристики пород (крепость, трещиноватость, слоистость и т.п.) путем нескольких опытных взрывании.
Заряжение шпуров и взрывание зарядов.
При заряжении шпуров взрывчатыми веществами патроны по одному вводятся в шпур и досылаются до его дна при помощи забойника – деревянного или алюминиевого цилиндрического стержня, диаметр которого меньше диаметра шпура, а длина несколько больше обычной глубины последнего. По всей длине забойника имеется полукруглая выемка, в которую помещают во время заряжения огнепроводный шнур или провода электродетонатора.
Когда все патроны заряда введены в шпур, последним посылается патрон – боевик, состоящий из патрона взрывчатого вещества и капсюля - детонатора с огнепроводным шнуром или патрона взрывчатого вещества с электродетонатором.
Соединение огнепроводного шнура с капсюлем – детонатором производится в специальном помещении, обычно в камере, устраиваемой рядом с подземным складом взрывчатых веществ. Приготовление же патрона - боевика должно производиться у самого забоя.
Концы отрезка шнура, предназначенные для введения в капсюль – детонатор, отрезают перпендикулярно оси шнура для обеспечения плотной посадки конца шнура на чашечку детонатора, так как иначе возможны отказы. Противоположные концы отрезков, предназначенные для зажигании, обрезают по диагонали для того, чтобы создать большую поверхность пороховой сердцевины, чем достигается надежность зажигания. Из устья шпура должен выходить конец шнура длиной не менее 15 см. Кроме того, время горения первого зажженного шнура должно быть достаточно для того, чтобы взрывник успел до начала взрыва зажечь остальные и удалиться в безопасное место. Длина самого короткого шнура должна быть не менее 1 м.
При надевании на один из концов огнепроводного шнура капсюля – детонатора последний предварительно освобождают от случайно попавшего сора постукиванием о ноготь открытым концом. Продувать капсюль – детонатор не разрешается, так как при этом в него может попасть слюна.
Вставив огнепроводный шнур в капсюль – детонатор, обжимают конец металлической гильзы при помощи специальных щипцов; при бумажной гильзе место соединения огнепроводного шнура с капсюлем обматывают прорезиненной изоляционной лентой или дульце капсюля затягивают ниткой.
При изготовлении патрона – боевика берут патрон взрывчатого вещества, разворачивают его оболочку с торцевой стороны и при помощи деревянной палочки делают в нем углубление. В это углубление и вставляют капсюль – детонатор. Развернутый конец оболочки патрона прижимают к шнуру и крепко обвязывают шпагатом.
При соблюдении всех правил, требующих при заряжении и взрывании, через известный промежуток времени после начала взрывания должен произойти взрыв.