БУРОВАЯ КОРОНКА ДЛЯ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B10/36 

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к штыревым коронкам для ударно-поворотного бурения, которые используют при проведении буро-взрывных работ.

Известна буровая коронка, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки с глухим центральным отверстием, соединенным с наклонными отверстиями, выходящими на периферию коронки, а также закрепленные на периферии и в центре головки вставки из твердого сплава (см. патент США N 4607712, кл. 175/410, опубл. 26.08.86).

Недостатки коронок этого типа следующие: большой расход твердого сплава и низкая энергоемкость бурения, т.к. вставка, расположенная в центре головки соосно корпусу переизмельчает разрушаемую породу, а вставки расположенные на периферии воспринимают радиальные усилия, вызывающие напряжения изгиба и их поломки.

Известна также буровая коронка, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки, имеющие сквозное наклонное отверстие, соединенное с канавками на торце корпуса. На торце головки размещены вставки из твердого сплава, количество которых в каждой из концентрических окружностей, принимается примерно пропорционально объему разрушаемой породы (см. заявку Великобритании N 1465560, кл. E 1F, опуб. 23.02.77).

При использовании такого инструмента лишь частично уменьшается энергоемкость процесса разрушения породы, т.к. твердосплавные вставки, расположенные в центральной части головки переизмельчают породу.

Наиболее близким техническим решением по технической сути, принятым нами за прототип, является буровая коронка для ударно-поворотного бурения, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки, имеющий сквозное центральное отверстие, верхняя часть которого имеет форму усеченного корпуса с большим основанием, расположенным на торце головки, а также размещенные на последней 6 твердосплавных цилиндрических вставок, из которых 4 расположены на периферии головки, а две ближе к центру (см. техдокументацию и проспект КМЗ "Коронки буровые для перфораторов").

Центральное отверстие в такой буровой коронке предназначено для подачи сжатого воздуха с целью очистки шпура от шлама. Фаска в верхней части центрального отверстия в виде усеченного конуса выполнена для притупления острой кромки, т.к. носит технологический характер и не оказывает влияния на работоспособность конструкции в смысле разрушения породы.

При принятом для рассматриваемой коронки соотношении диаметров головки, вставок и их количеств (шесть) потребуется большой расход твердого сплава за счет увеличения диаметра вставок или их количества, что, в свою очередь, приведет к переизмельчению породы на торце шпура ближе к его центру. Это приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения.

Увеличение размера вставок вызвано стремлением повысить их прочность, т. к. со стороны периферийного угла шпура действует радиальная составляющая от сил взаимодействия вставок с породой, которая вызывает растягивающие напряжения в твердом сплаве, приводящие к поломкам вставок.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования конструкции буровой коронки, в которой за счет подбора соотношения размеров, входящих в конструкцию элементов и их расположения обеспечивается уменьшение диаметра или количества вставок и, как следствие, меньшее переизмельчение разрушаемого материала, увеличивается глубина внедрения вставок в забой при одновременном снижении их поломок в результате чего снижается энергоемкость процесса и повышается эффективность бурения, а уменьшение размеров или количества вставок из твердого сплава позволит снизить его расход и удешевить коронку.

Поставленная задача решается тем, что в буровой коронке для ударно-поворотного бурения, содержащей корпус, выполненный в виде хвостовика и головки со сквозным центральным отверстием, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса с большим основанием, расположенным на торце головки, и размещенные на периферии последней цилиндрические вставки из твердого сплава, согласно изобретению диаметр головки в 3 4 раза превышает диаметр вставок, а радиус большего основания упомянутого усеченного конуса соответствует расстоянию от оси коронки до вставок, при этом угол при вершине конического отверстия находится в пределах от 45^o до 90^o.

Конструктивное выполнение предлагаемой нами коронки приводит к достижению приведенных выше технических результатов благодаря тому, что при выбранном соотношении между диаметром головки и диаметром вставки, равным от 3 до 4, в центральной части шпура образуется выступающий целик, охватывающий вставку с внутренней стороны, что уменьшает радиальные составляющие усилий взаимодействия вставок с породой, действующих на них со стороны шпура. Это снизит напряжение изгиба, вызывающее поломки вставок. Для скалывания вершины выступающего целика породы в центральной части головки корпуса выполнено усеченное коническое отверстие, параметры которого, а именно размеры верхнего и нижнего оснований и угол наклона образующей конуса выбраны таким образом, что в зоне контакта конической поверхности с целиком будут преобладать радиальные усилия, под действием которых будет скалываться вершина выступающего целика. Таким образом, в процессе разрушения породы будут принимать участие не только твердосплавные вставки, но и корпус коронки, что снизит переизмельчение разрушаемого материала.

Благодаря уменьшению размера вставок снизится расход твердого сплава. Это удешевит коронку.

На фиг. 1 показана буровая коронка, вид сверху, а на фиг. 2 сечение по А-А на фиг. 1. На фиг. 3 схема разрушения торца шпура заявляемой (а) и известной (б) коронками, распределение и направление действий усилий, возникающих на твердосплавных вставках при их внедрении в породу. На фиг. 4 - вид сверху на известную коронку, расположенную в шпуре.

Буровая коронка (фиг. 1, 2) содержит корпус 1 и вставки из твердого сплава 2. Корпус состоит из хвостовика 3 и головки 4 со сквозным центральным отверстием 5, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса 6 с большим основанием радиусом R₁, расположенным на торце головки 4. Вставка 2 расположена на периферии головки 4.

Диаметр Д головки 4 в 3,5 раза превышает диаметр d вставок 2, а радиус R большего основания упомянутого усеченного конуса соответствует расстоянию от оси коронки до вставок, при этом угол α при вершине конического отверстия равен 70.

Предлагаемые соотношения размеров были подобраны экспериментально при испытании штыревых коронок в процессе бурения шпуров по гранитам крепостью 16 18 по шкале проф. Протодьяконова с использованием перфоратора ПК-75. Испытывались буровые коронки диаметром 40 мм, изготовленные с разными соотношениями заявляемых параметров и коронка по прототипу. Результаты испытаний сведены в таблицу.

Как видно из приведенных данных, коронки, изготовленные с параметрами согласно предлагаемому изобретению (примеры 1, 2 и 3), имеют преимущества по скорости бурения и удельному расходу в сравнении с коронками по прототипу и коронками с соотношением параметров, меньшим и большим (примеры 4 7) заявленных. Так, например, при бурении коронкой (пример 1) была достигнута скорость бурения в 1,5 раза больше, а удельный расход инструмента на 18% меньше при весе вставок (84 г против 125 г) по сравнению с прототипом.

Заявляемая буровая коронка работает следующим образом. При бурении шпура (фиг. 3а) на его торце по периферии вставки из твердого сплава 2 образуют опережающую кольцевую канавку, а в центре шпура остается выступающий целик, который периодически скалывается при взаимодействии с конической частью отверстия 6 корпуса 1. Таким образом, в процессе разрушения породы принимают участие не только вставки 2, но и корпус 1 коронки. При наличии целика каждая вставка 2 при внедрении в породу симметрично обжата разрушаемым материалом и равнодействующая сила P лишь незначительно отклонена от оси вставок 2 и ее радиальная составляющая Pp, от которой зависит напряжение растяжения на наружной поверхности вставки 2, невелика. Это позволяет сократить количество поломок вставок 2.

Схема разрушения торца шпура коронкой, принятой за прототип, показана на фиг. 3б. Эта коронка содержит четыре цилиндросферические вставки 5, расположенные на периферии корпуса 1, и две ближе к его оси для разрушения породы в центральной части шпура. При таком конструктивном выполнении инструмента на периферийные вставки 2, при их внедрении в породу равнодействующая сил Р взаимодействия наклонена к оси вставки 2 под углом 40^o 45^o. В результате этого в несколько раз увеличивается радиальная составляющая Pp, что вызывает сколы и поломки твердосплавных вставок 2.

Таким образом, предложенное техническое решение и соотношения основных параметров коронки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с известным инструментом:
уменьшение размеров твердосплавных вставок снижает расход твердого сплава и удешевляет коронку;
на участке шпура ближе к его центру уменьшается переизмельчение разрушаемого материала, благодаря меньшей площади контакта вставок с породой увеличивается удельная энергия удара и вставки глубже внедряются в забой, увеличивается процент крупной фракции разрушаемого материала. Все это снижает энергоемкость процесса и повышает эффективность бурения;
благодаря образованию в центральной части шпура выступающего целика на каждую вставку действует радиальная составляющая от оси шпура, которая уравновешивает или уменьшает радиальную составляющую со стороны его периферии. Благодаря этому уменьшается напряжение растяжения и количество поломок, что снижает расход инструмента.

Изобретение относится к области бурения, а именно к штыревым коронкам, предназначенным для ударно-поворотного бурения, и обеспечивает уменьшение диаметра или количества вставок из твердого сплава, увеличение глубины их внедрения в забой с одновременным снижением их поломок и, как следствие, снижение энергоемкости процесса и повышение эффективности бурения, а также снижение расхода бурового инструмента. В буровой коронке, содержащей корпус, выполненный в виде хвостовика и головки со сквозным центральным отверстием, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса с большим основанием, расположенным на торце головки, и размещенные на периферии последней цилиндрические вставки из твердого сплава, диаметр головки в 3 - 4 раза превышает диаметр вставок. Радиус большего основания упомянутого усеченного конуса соответствует расстоянию от оси коронки до вставок. Угол при вершине конического отверстия находится в пределах от 45^o до 90^o. 1 табл., 4 ил.

1 Буровая коронка для ударно-поворотного бурения, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки со сквозным центральным отверстием, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса с большим основанием, расположенным на торце головки, и размещенные на периферии последней цилиндрические вставки из твердого сплава, отличающаяся тем, что диаметр головки в 3 4 раза превышает диаметр вставок, а радиус большего основания упомянутого усеченного конуса соответствует расстоянию от оси коронки до вставок, при этом угол при вершине конического отверстия находится в пределах 45 90<198>.