Горные машины. Телескопные перфораторы

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

Хромтауский политехнический  колледж № 4

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему:

Горные машины. Телескопные перфораторы

Выполнил (а):_____________________

Проверил (а): _____________________

Хромтау, 2012 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………….….3

Раздел 1.  Машины для бурения  шпуров……………………………….….4

1.1  Разрушение горных  пород при бурении шпуров……………….…4

1.2  Классификация машин для  бурения шпуров………………………8

Раздел 2.  Горные машины перфораторы…………………………………14

2.1  Конструкция пневматического перфоратора……………………..14

2.2  Переносные, колонковые и телескопные перфораторы………….17

2.3  Перфоратор телескопный ПТ-36М………………………………...24

Заключение………………………………………………………………….26

Список литературы…………………………………………………………27

Приложение 1.  Устройство телескопического перфоратора……………28

Введение

Отделение крепких горных пород от массива  при проведении подготовительных выработок на рудных и угольных шахтах и при ведении очистных работ на рудных шахтах производится с помощью буровзрывных работ. Разрушение массива горных пород в этом случае осуществляется энергией взрыва. Взрывные вещества размещают в специальных цилиндрических полостях, искусственно образованных в горных породах.

Цилиндрическая  полость в горной породе диаметром  до 75 мм и глубиной до 5 м обычно называется шпуром. Шпур длиннее 5 м и любая цилиндрическая полость в горной породе диаметром более 75 мм называется скважиной. Сам процесс образования цилиндрических полостей в горной породе называется бурением, а машины, осуществляющие этот процесс, называются буровыми.

Шпуры и скважины используют не только для  буровзрывных работ. Короткие шпуры  могут применяться при установке  анкерной крепи. Скважины могут использоваться для дегазации, дренажа, вентиляции, прокладки силовых кабелей, трубопроводов, а скважины большего диаметра (более 500 мм) могут использоваться и как технологические выработки.

В подземных условиях наиболее широкое  применение в горной промышленности получил механический способ бурения шпуров и скважин, при котором разрушение горных пород производится буровым инструментом под действием механических усилий, а удаление буровой мелочи производится водой, сжатым воздухом либо воздушно-водяной смесью.

Курсовая работа посвящена рассмотрению горных машин – телескопных перфораторов.

Раздел 1.  Машины для  бурения шпуров

1.1  Разрушение горных пород при бурении шпуров

По характеру разрушающего воздействия способы бурения шпуров и скважин можно разделить на механические, немеханические (физико-химические) и комбинированные.

В условиях геолого-разведочных работ породу при бурении разрушают с помощью передачи на забой через буровой инструмент механических нагрузок, т.е. механическими способами. При таких способах бурения на забой передают сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформируются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда эти напряжения превышают предел прочности, порода на забое разрушается. В крепких породах применяют ударные способы бурения. В мягких породах эффективнее применять способы, в которых преобладает резание. Важной операцией при бурении является удаление шлама из шпура (скважины), которое осуществляется водой, воздушной струёй или механически.

Различают колонковое бурение с отбором керна, когда по периферии сечения забоя выбуривается кольцевое углубление, а центральная неразрушенная часть породы (керн) извлекается с помощью специальных керноподъёмников на поверхность, и бурение сплошным забоем, когда буровой инструмент разрушает всю площадь забоя.

По способу удаления продуктов разрушения с забоя различают периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов) и непрерывную очистку. Последняя осуществляется механически с помощью витых штанг и шнеков (при вращательном бурении) и циркулирующим жидким аэрированным или газообразным агентом (при вращательном и ударном бурении).

По способу подачи промывочного агента к забою различают прямую очистку, при которой агент движется внутри бурового става, омывает забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по затрубному пространству на поверхность, и обратную очистку, при которой промывочный агент подается по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность.

По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное (с помощью электрической, пневматической и гидравлической энергии), когда все процессы бурения выполняются с применением различных механизмов для разрушения горной породы и транспортировки продуктов разрушения на поверхность.

Бурение скважин и шпуров осуществляется разнообразными бурильными молотками, буровыми станками и установками, которые характеризуются разными принципами воздействия бурового инструмента на забой и очистки скважин или шпуров при бурении от продуктов разрушения.

Процесс бурения, осуществляемый различными способами, включает две, как  правило, совмещаемые во времени  операции: отделение от забоя, сопровождаемое разрушением породы, и удаление из шпура или скважины горной мелочи (буровой шлам).

В условиях геологоразведочных работ породу при бурении разрушают  с помощью передачи на забой шпура (скважины) через буровой инструмент механических нагрузок. Этот вид бурения  называют механическим. При механических способах бурения на забой передаются сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформируются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда величина этих напряжений превышает предел прочности, забой разрушается.

Вторая операция —  удаление шлама из шпура (скважины) — осуществляется водой, воздушной струёй или механически.

Перейдем к краткому рассмотрению способов разрушения породы. Механические способы бурения шпуров разделяют на ударно-поворотный, вращательный, ударно-вращательный и вращательно-ударный. Отличительные особенности этих способов — характер приложения нагрузки и вид породоразрушающего бурового инструмента.

При ударно-поворотном способе бурения породоразрушающим инструментом (долото) по забою шпура наносят удары. При ударе долото внедряется в породу и разрушает ее поверхностный слой, в результате чего на забое по диаметру шпура образуется углубление в виде канавки. После удара буровой инструмент поворачивается на некоторый угол относительно оси шпура, и при следующем ударе разрушается порода, расположенная не только непосредственно под долотом, но и скалывается довольно значительный объем породы в сторону ранее образовавшегося углубления.

Таким образом, порода разрушается  только в процессе соударения инструмента с поверхностью забоя, поворот же инструмента не сопровождается разрушением породы, а осуществляется с целью повышения эффективности разрушения ее при очередном ударе.

Ударно-вращательный способ может использоваться при бурении пород различной крепости, но особенно целесообразен он при бурении шпуров в крепких и весьма крепких породах с коэффициентом крепости f >=10 Буровой шлам из шпура удаляют с помощью его непрерывной промывки или продувки. При этом вода или сжатый воздух подается на забой шпура по каналам в буровом инструменте.

При вращательном способе бурения шпуров разрушение породы достигается при непрерывно вращающемся и прижимаемом к забою буровом инструменте. Технология процесса разрушения породы проста и аналогична сверлению отверстий в кирпичной или бетонной стенке. При этом резцы, являющиеся рабочим органом вращающегося инструмента, перемещаются в шпуре по винтовой линии и непрерывно срезают стружку породы с забоя. Внедрение режущих лезвий в породу достигается при значительных величинах вращательного момента и усилия подачи, резко возрастающих с повышением крепости породы, поэтому способ вращательного бурения шпуров наиболее распространен в породах средней и ниже -средней крепости (максимальная эффективность достигается при бурении пород с коэффициентом крепости f =4 – 8). Шлам из шпура удаляют механическим способом или промывкой.

Разрушение породы вращательно-ударным способом бурения шпуров обусловлено тем, что на непрерывно вращающийся и прижимаемый к забою породоразрушающий инструмент для интенсификации его внедрения в породу наносятся удары. Под воздействием ударных импульсов возрастает глубина внедрения бурового инструмента за каждый его оборот, что обеспечивает существенное увеличение скорости бурения и возможность эффективного применения способа в крепких породах. Вращательно-ударный способ используют преимущественно при бурении шпуров в породах с коэффициентом крепости f =8—16. Шлам удаляют промывкой шпуров.

Взрывные скважины бурят, как правило, вращательным и вращательно-ударным  способами.

Существует три способа отбойки руды: шпуровая, скважинная и камерными зарядами.

Шпуровой способ применяется при  разработке весьма тонких, тонких и  средней мощности рудных залежей, а  также при разработке мощных залежей  с разделением их на слои. Шпуры  бурятся перфораторами, которые устанавливаются на пневмоподдержках, распорных колонках или на буровых каретках. При разработке наклонных и крутопадающих залежей шпуры бурятся рядами снизу вверх телескопными перфораторами. На пологих залежах для бурения шпуров применяются ручные колонковые перфораторы, а при мощности более 2-3 метров буровые каретки.

Достоинства шпуровой отбойки:

- возможность вынимать рудную  залежь строго по контуру;

- хорошее дробление руды;

Недостатки:

- низкая производительность труда;

- хуже санитарно-гигиенические условия.

При ударном бурении разрушение горной породы на забое скважины или шпура происходит за счёт кинетической энергии, развиваемой движущимся элементом машины и передаваемой рабочему инструменту при ударе. Лезвие ударного бурового инструмента представляет собой симметричный двусторонний клин.

Наименьшие углы заострения применяют при бурении более мягких пород, в пределах 80…90°. При увеличении твердости породы угол заострения лезвия увеличивается до 100…120°.

При ударной нагрузке лезвие бурового инструмента погружается в породу, при этом щеки клина раздвигают породу, разрушая её на отдельные кусочки за счёт деформации сдвига. Непосредственно под острием лезвия происходит раздавливание породы. При деформации сдвига получаются сравнительно крупные фракции буровой мелочи. При раздавливании под лезвием бура порода превращается в тонкую пыль. Чем больше степень затупления лезвия, тем на меньшую глубину погружается в породу буровой инструмент и тем меньше объём разрушенной породы. При этом относительное количество крупных фракций уменьшается, а количество тонких фракций увеличивается.

1.2 Классификация машин для бурения шпуров

 Шпуры бурят с  использованием компактных, транспортабельных  бурильных машин относительно  небольшой мощности. Эти особенности бурильных машин обеспечивают удобство их эксплуатации в горных выработках; в условиях разведки месторождений они облегчают перевозку оборудования к месту производства работ и позволяют бурить шпуры при небольшой энерговооруженности ГРП.

Бурильные машины оборудуют индивидуальными силовыми приводами — пневматическими, электрическими или встроенными в корпус двигателями внутреннего сгорания.

В соответствии с этим бурильные машины с пневматическими  двигателями необходимо обеспечивать сжатым воздухом, подаваемым от компрессоров по воздухопроводам, бурильные машины с электродвигателями снабжаются электроэнергией по кабелям. Бурильные машины с двигателями внутреннего сгорания не нуждаются в подводе того или иного вида энергии, а эксплуатируются, потребляя жидкие топливные бензино-масляные смеси.

При значительных объемах  бурения шпуров в определенных горно-геологических  условиях становится целесообразным использование более мощного и производительного оборудования — бурильных установок, имеющих пневматические или электрические силовые приводы.

Исходя из рассмотренных  выше способов бурения шпуров бурильные машины разделяют на следующие:

1) ударно-поворотного  действия — перфораторы;

2) вращательного действия  — сверла;

3) вращательно-ударного  действия — колонковые перфораторы и бурильные головки, монтируемые преимущественно на специальных бурильных установках (буровых каретках).

При разведке месторождений  полезных ископаемых шпуры в подавляющем  большинстве случаев бурят перфораторами  и сверлами.

В геологоразведочных партиях наиболее распространены пневматические перфораторы. В особых условиях проведения горных выработок при отсутствии достаточно мощных энергетических источников применяют перфораторы с двигателями внутреннего сгорания, называемые мотоперфораторами (бензоперфораторы).

Пневматические перфораторы  массой до 33 кг называют переносными (ПП). Бурение шпуров переносными перфораторами осуществляется с использованием простейших поддерживающих устройств (пневмоподдержек) или ручной подачей (поэтому переносные перфораторы ранее назывались ручными). Переносные перфораторы применяют в подземных и открытых горных выработках для бурения горизонтальных, наклонных и направленных вниз шпуров.

В подземных выработках для бурения направленных вверх  шпуров применяют телескопные перфораторы (ПТ). Масса телескопных перфораторов, используемых в геологоразведочных выработках, достигает 50 кг.

При проходке подземных  выработок горизонтальные и наклонные шпуры в крепких породах можно бурить колонковыми перфораторами (ПК), имеющими значительную мощность и массу 100 кг и более. Для бурения ПК монтируют на распорных колонках, специальных поддерживающих устройствах (манипуляторы) или на буровых установках.

Мотоперфораторы используют для бурения нисходящих или наклонных шпуров преимущественно в процессе проходки открытых горных выработок. Масса мотоперфораторов составляет 30 кг.

Каждый класс делится на типы, определяемые массой и мощностью перфоратора. Отдельные конструкции (модели) перфораторов имеют марку или индекс, каждая выпускаемая машина имеет очередной заводской номер. Перфораторостроительные заводы переходят на серийный выпуск единых моделей, соответствующих утвержденным стандартам, при максимальной унификации деталей и узлов.

При бурении пневматическими перфораторами применяют вспомогательное установочное оборудование. Ручные перфораторы устанавливаются на пневматических поддерживающих колонках, телескопные перфораторы – на пневматических подающих механизмах (телескопах). Колонковые перфораторы монтируются на подающих механизмах, установленных на винтовых распорных колонках или манипуляторах буровых кареток, или на ходовой части погрузочных машин. Погружные (забойные) перфораторы, входящие в скважину, крепятся на колонне штанг, закрепляемой в патроне подающего механизма, установленного на кронштейне распорной колонки или на буровой каретке.

Менее распространены при  проведении разведочных выработок сверла, основная причина этого — затрудненность или невозможность бурения шпуров в крепких породах.

Электрические сверла разделяют  на ручные (масса до 24 кг) и колонковые, монтируемые на распорных колонках, манипуляторах или буровых каретках (масса колонковых электрических сверл достигает 130 кг).

Ручные электросверла (рис. 1, а) применяют при проходке выработок небольшого сечения в породах крепостью, не превышающих f = 4 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, главным образом в условиях, где применение более совершенных средств бурения не возможно или экономически нецелесообразно. Глубина шпуров при бурении ручными электрическими сверлами редко превышает 2,5 м, диаметр шпуров 36-43 мм.

При бурении шпуров по антрацитам и породам средней  крепости применяют ручные электросверла с принудительной подачей. Для этого в забое устанавливается распорная стойка, к которой с помощью крюка крепится стальной тросик, а с помощью механизма подачи электросверла осуществляется обуривание забоя.

Электрические сверла (рис. 1,б) изготавливают во взрывобезопасном исполнении и применяют в шахтах, опасных по газу и пыли.

Пневматические сверла (рис. 1, в) применяют для бурения шпуров диаметром 36-43мм, где основным видом энергии является пневматическая. Пневматические сверла практически не применяют при проведении горных выработок в процессе геологоразведочных работ, они используются в основном на угольных шахтах, в выработке которых выделяются горючие газы и пыль, образующие с воздухом взрывоопасные смеси.

а)

б)

в)

Рисунок 1. Ручные горные сверла: а – электрическое; б – электрическое с канатной подачей; в – пневматическое

Сверла с  двигателями внутреннего сгорания (мотобуры) применяют при проведении открытых горных выработок в мягких некрепких породах; эти ручные бурильные машины имеют массу до 15 кг.

При больших объемах  проходческих работ, осуществляемых в крепких породах, в процессе проведения подземных горизонтальных выработок применяют мощные пневматические машины вращательно-ударного действия, монтируемые на бурильных установках.

Раздел 2.  Горные машины перфораторы

2.1  Конструкция пневматического перфоратора

При конструировании пневматических перфораторов принимаются за основу две кинематические схемы: перфоратор с поворотным винтом и без поворотного винта. Первый вариант кинематики имеет преимущественное распространение.

Независимо от класса и типа все пневматические перфораторы имеют следующие основные узлы (рис. 2): ударно-поворотный механизм (12), который наносит удары по хвостовику бура (13) и поворачивает его; воздушный пусковой кран (10); воздухораспределительное устройство (11); промывочное устройство (9); буродержатель (8); масленку перфоратора (6).

Если снять стяжные болты (3), то перфоратор распадается на три части: головку (2), цилиндр (4) и патрон (7). Выхлопное окно цилиндра иногда имеет кран (5) для прямой продувки шпура. В головке перфоратора имеется ручка (1) для удерживания машины при работе. При бурении на патрубок воздуховпускного крана крепится шланг, питающий перфоратор сжатым воздухом, а на штуцер промывочного устройства – шланг, подводящий воду.

Сжатый воздух через полость в пробке пускового крана (10) по каналу а в головке (2) и дальше по каналу б в корпусе храпового кольца попадает в кольцевое пространство (в), имеющееся внутри воздухораспределителя. Дальше сжатый воздух клапаном (или золотником) по каналам в корпусе цилиндра направляется в нижнюю (г) или верхнюю (д) полости цилиндра.

При поступлении сжатого воздуха в полость цилиндра (д) осуществляется ход поршня перфоратора вперёд, при этом поворотный винт поворачивается на некоторый угол. В конце хода поршень наносит удар по торцевой плоскости хвостовика бура. При движении поршня вперед, в начале хода воздух из полости (г) выходит в атмосферу через выхлопное окно и через зазоры в шлицевом сопряжении штока поршня с поворотной буксой. При дальнейшем движении поршень перекрывает выхлопное окно и сжимает воздух, оставшийся в полости цилиндра (г).

Рисунок 2.  Общий вид  пневматического перфоратора

Сжимаемый воздух через каналы в теле цилиндра устремляется в воздухораспределитель и перебрасывает клапан в положение, при котором сжатый воздух направляется в нижнюю полость цилиндра. В этом случае произойдет ход поршня назад. При этом ходе поворотный винт стопорится храповым механизмом и поршень поворачивается вместе с поворотной буксой и буром.

При бурении обязательным условием является постоянная промывка шпура промывочной жидкостью.

Характеристика  работы пневматического перфоратора

Основными показателями, характеризующими технико-эксплуатационные качества пневматических перфораторов являются:

мощность, развиваемая  перфоратором, кВт                                N

кинетическая энергия  поршня, кДж                                             А_о

частота ударов поршня в 1 мин                                                     u

величина максимального  крутящего момента, Н·м                    М_кр

угол поворота бура после удара, градус                                       β

число оборотов бура в 1 мин                                                          п

расход воздуха в 1 мин, м3/мин                                                     Q

отдача перфоратора  и соответствующее ей усилие подачи, кН С

уровень шума перфоратора  при работе, дБ                                  J

коэффициент использования  перфоратора                                   η

себестоимость единицы  бурения, руб                                          S

Пневматические бурильные машины ударно-поворотного действия различаются:

• по роду потребляемой энергии – пневматические, гидравлические;

• по конструктивным особенностям механизма поворота – с зависимым и независимым приводом;

• по способу применения (угла наклона шпуров) – ручные и колонковые (для бурения горизонтальных и нисходящих шпуров), телескопные (для бурения шпуров по восстанию);

• по массе – лёгкие (до 18 кг), средние (20…25 кг) и тяжёлые (более 30 кг);

• по способу очистки шпуров от буровой мелочи – с осевой промывкой, с боковой промывкой, с отсосом от пыли.

2.2 Переносные, колонковые и телескопные перфораторы

Перфораторы наибольшее применение получили при строительстве  стволов и при проведении горизонтальных выработок в породах высокой крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Бурильные молотки ударно-вращательного действия в зависимости от условий применения подразделяются на три группы: ручные, телескопические и колонковые. По роду применяемой энергии их подразделяют на пневматические, гидравлические, электрические. Для геологоразведочных работ применяют мотоперфораторы с двигателями внутреннего сгорания. В шахтном строительстве наибольшее распространение получили пневматические перфораторы.

Переносные  перфораторы имеют массу от 24 до 36 кг и предназначены для бурения шпуров диаметром 30-56 мм и глубиной до 2-4 м. Их устанавливают на пневматических поддержках (пневмоподдержках) или легких распорных колонках. При бурении нисходящих шпуров каких-либо поддерживающих установок не требуется. Переносные перфораторы делят по массе на легкие, средние и тяжелые.

На рис. 3 приведена принципиальная схема устройства переносного перфоратора.

Рисунок 3. Схема ручного перфоратора

Он состоит из цилиндра 5, передней головки 12, крышки 3, воздухораспределительного устройства, ударно-поворотного механизма и устройства для подвода сжатого воздуха и воды. Внутренняя часть поворотной муфты имеет шестигранную форму в соответствии с формой хвостовика бура.

Воздухораспределительное  устройство состоит из направляющей втулки 6, воздухораспределительной коробки 7, кольцевого клапана 20 и крышки клапана 18. Крышка перфоратора имеет приливы для рукоятки 1 и пускового крана 4. В крышку вставляется также наконечник для подвода воды, которая через каналы в крышке, промывную трубку 2, проходящую по оси перфоратора, и канал в буре поступает в шпур. Крышка, цилиндр и передняя головка стянуты болтами 23.

Перфоратор работает следующим образом. Сжатый воздух через  пусковой кран 4 и отверстия в  храповом кольце, направляющей втулке и воздухораспределительной коробке поступает в кольцевое пространство 19, из которого он подается в заднюю часть А цилиндра и давит на поршень. Поршень движется вправо и наносит удар по буру 14. Воздух, находящийся в передней части Б цилиндра, выходит через выхлопное отверстие 10 в атмосферу.

При движении вперед поршень  перекрывает выхлопное отверстие, воздух в передней части цилиндра сжимается и по каналу 15 в корпусе  цилиндра поступает в левую часть  кольцевого пространства 19, давя на клапан. Как только поршень 16 при дальнейшем движении вперед вновь откроет выхлопное отверстие, давление в задней части цилиндра, а также в правой части кольцевого пространства снижается и клапан 20 перемещается вправо, перекрывая кольцевое отверстие 17. Сжатый воздух начинает поступать в переднюю часть цилиндра по каналу 15, заставляя поршень двигаться влево. После перекрытия поршнем - выхлопного отверстия воздух в задней части цилиндра сжимается и давит на клапан.

Как только вновь откроется  выхлопное отверстие, давление воздуха в передней части цилиндра и, следовательно, в левой части кольцевого пространства снижается почти до нормального, а клапан под воздействием избыточного давления справа перемещается в крайнее левое положение. Ход клапана составляет всего 0,5-0,6 мм. Затем воздух вновь поступает в заднюю часть цилиндра и процесс повторяется. Ежеминутно поршень наносит около 2000 ударов по буру.

При движении поршня вперед (рабочий ход) он перемещается поступательно  без поворота, а поворотный винт поворачивается на определенный угол, зависящий от шага спиральной нарезки. При обратном (холостом) ходе поршня собачки препятствуют повороту винта и поворачивается поршень. Вместе с поршнем поворачивается ведущая муфта, которая при помощи кулачков передает вращение поворотной муфте. Так как поворотная муфта соединена с буром, то последний также поворачивается. Следующий удар бур нанесет уже в новом месте забоя шпура.

Основное достоинство  ударно-поворотного бурения —  возможность бурить породы любой крепости. К недостаткам следует отнести периодичность воздействия инструмента на породу, причем время, затрачиваемое на удар, в десятки раз меньше времени на движение инструмента но направлению к забою, отскок и поворот. Кроме того, для этого способа характерны значительное пылеобразование, шум и вибрация при работе. Ударно-поворотное   бурение шпуров и скважин осуществляется с помощью пневматических перфораторов и станков ударно-канатного типа.

Колонковые  перфораторы устанавливают на распорных колонках. В этом случае для подачи перфоратора применяют цепные или винтовые автоподатчики. Распорная колонка вместе с бурильным молотком и автоподатчиком представляет собой бурильную установку. Распорная колонка устанавливается вертикально между кровлей и почвой выработки (или горизонтально между ее боками). С помощью кронштейна к ней крепится автоподатчик с молотком. Автоподатчики обеспечивают с помощью пневматического двигателя (мощностью 0,5-4,8 кВт) усилие подачи 6 - 9,8 кН и ход подачи 1200-1400 мм. В промышленности используются колонковые бурильные установки КБУ-50 и КБУ-80 с перфораторами соответственно ПК-60 и ПК-80.