ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УДАРНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B10/36 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к бурению шпуров и скважин с помощью ударных механизмов.

Известен инструмент с рабочей частью в виде симметричного клина для ударно-поворотного способа бурения [1] Схематически процесс разрушения породы в забое шпура или скважины протекает следующим образом: удар лунка выкола - передвижение (поворот) инструмента снова удар новая лунка выкола и т.д.

Известен также инструмент с рабочей частью в виде асимметричного клина, у которого передний угол заточки (по ходу вращения) значительно меньше заднего угла заточки, для ударно-вращательного бурения, например коронка БУ 1100.01 [2 прототип] В этом случае процесс разрушения породы протекает несколько по-иному: удар лунка выкола поворот инструмента и съем стружки, благодаря малому переднему углу, снова удар и т.д. Однако практически, как показали исследования последних лет, процесс разрушения мало отличается от процесса при ударно-поворотном способе бурения. Дело в том, что инструмент после удара и внедрения отскакивает от забоя шпура под действием отражающего импульса и, возвращаясь назад под действием усилия подачи, не попадает в лунку выкола, так как за это время (отскока и возврата), вращаясь, продвинется на существенное расстояние. Таким образом, снятие стружки, как при вращательном бурении не происходит, так как применяемое осевое усилие для этого оказывается недостаточным снимаются лишь неровности забоя.

Недостатком упомянутых инструментов для соответствующих способов бурения является то, что разрушение породы в забое шпура происходит от сжимающих напряжений, возникающих при лобовом внедрении инструмента под действием силы удара. Поскольку горные породы обладают наибольшим сопротивлением при сжатии, процесс разрушения оказывается наиболее энергоемким и наименее производительным.

С помощью предлагаемого инструмента предполагается ударную нагрузку формировать таким образом, чтобы часть ее была направлена тангенциально в сторону свободной поверхности лунки выкола от предыдущего удара. В результате этого в целиках между соседними лунками создаются напряжения сдвига и скола. Разрушение части породы крупным сколом существенно снизит энергоемкость процесса и увеличит его производительность.

Формирование такой системы сил при ударе возможно с помощью инструмента с асимметричным клиновым лезвием, у которого передний угол должен быть существенно больше заданного.

На чертеже показана схема формирования сил при внедрении асимметричного клина 1 в породу 2 под действием силы улара P. Между ударами инструмент вращается с угловой скоростью ω в сторону, указанную стрелкой.

В соответствии с углами заточки передним a и задним g сила удара P разлагается на P_п переднюю и P_з заднюю составляющие, которые в свою очередь на P_п.в. и P_п.г. вертикальную и горизонтальную передние и P_з.в. и P_з.г. на вертикальную и горизонтальную часть задней составляющих. Горизонтальные составляющие силы удара, создающие напряжение скола имеют следующие выражения

Нужный нам эффект скол в сторону свободной поверхности 3 формирует соотношение между силами P_п.г./P_з.г., которое зависит только от величин углов асимметрии: чем меньше задний угол γ тем больше сила, направленная на преодоление сопротивления породы сколу по линии 4. При этом общий угол заточки клина 3 должен быть в определенных пределах, обеспечивающих прочность клина и долговечность инструмента. Как установлено ранее [2] рациональная величина его составляет 85^o.

Расчеты по приведенным выше формулам показывают, что при g 10^o и a 75^o горизонтальная составляющая силы удара в сторону свободной поверхности P_з.г. будет в 1,5 раза, а при g 5^o и a 80^o в 2 раза больше силы P_п.г., направленной в сторону массива, в данном случае в сторону поворота инструмента после удара. Дальнейшее уменьшение угла g чревато появлением растягивающих напряжений в пластине твердого сплава и, следовательно, уменьшению ее прочности и соответственно долговечности инструмента [2] Таким образом, соотношение g/α, равное 1 7,5 ^oC 1 16, появляется оптимальным, в наибольшей степени удовлетворяющим противоречивым требованиям эффективности (увеличения объема породы, разрушаемого сколом, т.е. снижения энергоемкости и увеличения скорости бурения) и прочности инструмента.

Способ бурения с применением такого инструмента можно назвать ударно-скалывающим в отличие от известного ударно-вращательного.

Использование: инструмент применяется для ударного бурения шпуров и скважин с помощью ударных механизмов. Сущность изобретения: рабочая часть инструмента имеет форму асимметричного клина. Для снижения энергоемкости процесса и увеличения скорости бурения, передний угол заточки клина (по ходу вращения) выполнен больше заданного угла заточки не менее чем в 7,5 раз. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Инструмент для ударного бурения, включающий державку и рабочую часть в виде асимметричных клиньев, отличающийся тем, что передний угол заточки клиньев по ходу вращения больше заднего угла заточки. 2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что соотношение переднего и заднего углов заточки составляет не менее 7,5 1.