МАЛЫЙ БУРОВОЙ СТАНОК ДЛЯ ОБРАБОТКИ КРЕПЧАЙШИХ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1997 года по МПК E21B7/14 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к средствам для термического бурения шпуров, резки и поверхностной обработки наиболее ценных пород природного камня.

Актуальность решаемой изобретением задачи обусловлена тем, что широкое применение в строительной практике природного камня, в особенности наиболее ценных его пород, таких как крепкие граниты, кварциты, кварцито-песчаники, сдерживается из-за высокой трудоемкости и стоимости работ по его добыче и последующей обработке. В настоящее время для добычи так называемого "штучного" камня применяется в основном буро-клиновый способ, заключающийся в бурении по требуемому контуру горного массива ряда близкорасположенных отверстий шпуров и последующего откола намеченного блока с помощью специальных клиньев.

Весьма перспективным для обработки твердых (преимущественно кварцсодержащих) пород камня является использование керосино-кислородного термогазоинструмента, который обеспечивает температуру выше 2000^oC и скорость истечения газов порядка 2500 м/с, что приводит к созданию необходимого теплового ударного импульса на поверхности обрабатываемого камня. Следует отметить, что в качестве горючего в таких инструментах, наряду с керосином, может быть применен любой из доступных углеводородов, например, метан, пропан, бутан и т. д. а также водород, но обязательно в сочетании с высокоэффективным окислителем, таким как, например, кислород. Такой инструмент иначе и чаше всего называется "огнеструйной горелкой".

Большинство известных устройств, реализующих данный принцип работы, представляют собой ручной инструмент. Примером такого инструмента является ручной кислородно-керосиновый термобур ТБР-29, (Бричкин. А.В. ГенбачА.Н. и др. "Устройство ручного термобура ТБР-29, журнал "Колыма", г. Магадан, N 3, 1958), а также термоинструмент конструкции Казахского политехнического института ТР-14/22-5М, Орлов А.М. "Добыча и обработка природного камня ", Стройиздат, М. 1977. рис.73, стр.255)
Ручной инструмент имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что удерживать в руках устройство с бьющей со сверхзвуковой скоростью горячей струей газов и обеспечивать при этом требуемую его ориентацию в пространстве и фиксированное расстояние от инструмента до обрабатываемой поверхности практически невозможно.

Все известные попытки механизировать эти процессы приводят к такому увеличению массы устройства, которое практически делает его малопригодным в условиях карьера, особенно карьеров для добычи высокосортных ("орнаментальных") пород камня, где выход блоков в больших количествах не требуется, да и размер самих блоков невелик (до 1-2 куб.м), зато требуются большие возможности устройства по маневренности и простоте обслуживания.

По наибольшему количеству сходных признаков в качестве прототипа заявляемого изобретения нами выбрано устройство, описанное в патенте США N 2675993 от 20 апреля 1954 года. Это устройство включает основание в виде стойки, укрепленной на переносном штативе, а буровой снаряд выполнен в виде штанги с укрепленной на ее конце огнеструйной горелкой, при этом устройство имеет механизм подачи, укрепленный на основании.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, являются:
1. Станок предназначен для бурения скважин диаметром более 150 мм и не может быть использован для бурения шпуров, диаметр которых не превышает 40-50 мм. А это делает его малоэкономичным, так как все энергетические затраты (топливо, электроэнергия ) в несколько раз (5-25 раз) превышают затраты, необходимые для решения требуемых производственно-технических задач.

2. Наличие вращателя устройства, предназначенного для создания большого вращательного момента на буровом инструменте, делает конструкцию станка достаточно сложной и тяжелой, такой станок, несмотря на то, что он укреплен на "переносном" основании (имеющем вид штатива ), неудобен для проведения работ в карьерах, так как для его перестановки потребуется слишком много времени и усилий.

3. Механизм подачи связан не с самой буровой штангой непосредственно, а с вращателем, что усложняет выполннение этим механизмом функции по перемещению снаряда, так как приводит к необходимости создания специальных направляющих для движения массивного вращателя вдоль основания в виде салазок или роликов опор в то время как в заявленном устройстве буровой снаряд как бы "подвешен" по отношению к основанию.

4. Станок-прототип по способу бурения относится к станкам комбинированного термовращательного действия, поэтому появляется такой сложный и малонадежный элемент конструкции, как сальниковый узел подвода топливных компонентов с вращающейся буровой штангой.

5. Возможности трансформации станка-прототинпа с целью расширения его функциональных возможностей резко ограничены. Конечно, его можно установить и на подвижном механизме типа колесного или гусеничного шасси, но при этом мобильность его резко упадет. А использование этого массивного станка в составе с различными манипуляторами вообще вряд ли возможно. И уже совсем маловероятна трансформация этого станка в распиловочный, предназначенный для образования врубовых щелей в горных массивах, в условиях карьера, так как для обеспечения продольного и поперечного перемещения станка нужны будут чрезвычайно сложные устройства и механизмы.

Указанные недостатки обуславливают узкие функциональные возможности прототипа.

Задачей изобретения является создание облегченного бурового станка, позволяющего использовать все достоинства термоструйного инструмента при одновременном расширении функциональных возможностей путем обеспечения его использования как в ручном исполнении в виде исходного модуля, так и с носителями различных типов.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно изобретению малый буровой станок для обработки крепчайших горных пород, включающий основание,с укрепленным на нем механизмом подачи штанги с буровым инструментом, выполненным в виде огнеструйной горелки, укрепленной на конце штанги, отличается тем, что основание станка выполнено облегченным с возможностью использования последнего как в виде ручного инструмента, так и с возможностью монтирования на носителях различного типа, при этом механизм подачи выполнен в виде механизма перемещения штанги со скоростью, обеспечивающей оптимальное заранее заданное расстояние между забоем и срезом огнеструйной горелки, предназначенной для бурения шпуров.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, заявленное решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения, либо особые условия его использования, а именно:
механизм перемещения штаги выполнен в виде фрикционого электромеханического привода, снабженного средством для обеспечения изменения и регулирования скорости подачи, выполненным в виде механизма изменения напряжения возбуждения электродвигателя привода;
основание может быть укреплено с возможностью перемещения в нескольких плоскостях;
основание может быть укреплено на рычажном манипуляторе, установленном на шасси транспортного средства;
основание может быть укреплено на двухстепенном манипуляторе с возможностью перемещения по любой заданной траектории.

Заявленное техническое решение является новым, так как характеризуется наличием новой совокупности признаков, отсутствующей во всех известных нам объектах техники аналогичного назначения.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленной совокупности признаков, заключается в том, что механизм подачи обеспечивает оптимальное расстояние торца огнеструйной горелки от обрабатываемой поверхности камня при любой траектории его движения относительно наружной поверхности камня. При этом не создается никакого механического усилия на обрабатываемую породу.

Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом порознь известных из других объектов техники признаков, таких как переносное основание, огнеструйная горелка, механизм подачи, а является свойством только всей заявленной в первом пункте формулы совокупности признаков, в том числе таких полностью новых признаков, как непосредственное взаимодействие механизма подачи с облегченной буровой штангой.

Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряда новых полезных свойств, заключающихся в том, что устройство может быть выполнено в предельно облегченном варианте, что повышает его универсальность, так как позволяет использовать как в ручном варианте, так и с простейшими средствами механизации, т.е. монтировать на носителях различного типа. Простота и удобство перестановки устройства значительно увеличивает производительность труда.

Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства, на фиг.2- схема его работы с механизированным носителем, на фиг.3- схема работы в "ручном" варианте его исполнения, на фиг.4- схема работы устройства в составе так называемого станка "строчечного бурения".

Малый буровой станок содержит основание 1, выполненное в виде стойки, на котором укреплен механизм подачи 2 буровой штанги 3, на конце которой укреплена огнеструйная кислородная горелка 4. На штанге 3 размещены штуцера 5 для подвода к горелке 4 топливных компонентов и охлаждающий жидкости. На основании 1 укреплена дополнительная направляющая с отражательным экраном 6.Все элементы конструкции выполнены в предельно облегченном варианте.

Масса огнеструйной горелки для бурения шпуров составляет 150-200 г. Все устройство в целом с учетом сказанного имеет суммарную массу около 20-25 кг, причем сам буровой снаряд, включающий буровую штангу с "начинкой" и огнеструйной горелкой, не превышает 5 кг.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно определяют физико-механические свойства обрабатываемого камня его буримость термическим методом и на пульте управления устанавливают требуемую скорость подачи механизма 2. После запуска горелки 4 обеспечивают с помощью выбранного носителя (см. фиг. 2, 3, 4) ее подвод к поверхности обрабатываемого камня на некоторое начальное расстояние. Затем горелка переводится в режим бурения, и механизм подачи 2 обеспечивает перемещение горелки вглубь камня с постоянной заранее заданной скоростью. Получаемые в процессе бурения мельчайшие частицы породы ("чешуйки") увлажняются выбрасываемой из тракта охлаждения водой и в виде пульпы удаляются из шпура напором отходящих газов.

По достижении требуемой глубины бурения двигатель механизма подачи переключается на положение "реверс", и буровая штанга 3 с горелкой 4, переведенной на режим холостого хода, на повышенной скорости выводится из шпура. Следует отметить, что в процессе бурения штанга 3 с буровым инструментом огнеструйной горелкой 4, движется поступательно, не имея механического контакта с разрушаемой породой. При проведении же распиловки буровой снаряд движется вдоль траектории по контуру, задаваемому выбранным носителем, также на некотором оптимальном расстоянии от разрушаемой поверхности, при этом глубина (величина) подачи определяется как скоростью движения снаряда вдоль контура, так и показателем буримости породы. Обычно скорость движения (скорость распиловки) выбирается на уровне 10 мм/с, при этом глубина подачи (перемещение буровой штанги вглубь камня) за один проход в зависимости от крепости породы может составлять от 12 до 35 мм.

При работе бурового устройства следует визуально контролировать правильность ведения процесса. При нормальной "работе" породоразрушающего инструмента из устья шпура с довольно большой скоростью выбрасывается мелкодисперсная пульпа в виде столба пара, отражаемого специальным отражателем 6 станка, возможен незначительный периодический выброс небольших светящихся осколков породы. Интенсивный выброс ярко светящихся частиц характеризует переход горелки 4 в режим плавления, что является недопустимым, так как может привести к выходу горелки из строя.

Главное достоинство заявляемого устройства состоит в том, что из всех известных оно наиболее приспособлено для обработки крепчайших, наиболее ценных пород природного камня, причем чем выше крепость камня, тем больше скорость обработки, достигая значения 10 мм/с.

В отличие от аналогов заявленное техническое решение может быть выполнено в предельно облегченном варианте, так как при его работе не требуется никаких сколь-нибудь значащих усилий, оно имеет суммарную массу около 20-25 кг и представляет собой некий универсальный агрегат, легко монтируемый на носителях различного типа. Поэтому с применением такого станка установка в целом (в различных вариантах ее исполнения) может быть использована для самых различных целей: от бурения одиночных шпуров при разделке гранитных негабаритов до добычи блоков из горных массивов и последующей разделке добытых блоков на плиты-заготовки, а также и различные "штучные" изделия. Возможно также применение некоторых модификаций конструкции и для других видов обработки камня: придание камню различных архитектурных форм, "контурная" распиловка камня, фактурная обработка и т.д.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается успешными результатами испытаний опытного образца, доказавшими его высокие производственные и технические возможности.

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:
1. Возможность обработки крепчайших пород природного камня.

2. Широкий спектр выполняемых работ.

3. Высокую производвительность труда.

4. Простоту и долговечность конструкции, относительную ее дешевизну, доступность изготовления на машиностроительных производствах обычного профиля.

5. Улучшение экономических и эксплуатационных характеристик, улучшение условий труда, обеспечение выполнения высоких требований по экологии.

Использование: изобретение относится к области горного дела, в частности к буровым стенкам для обработки крепчайших горных пород. Сущность изобретения : станок содержит основание, на котором укреплен механизм подачи штанги, на конце которой укреплена огнеструйная кислородная горелка, на штанге размещены штуцера для подвода к горелке топливных компонентов и охлаждающей жидкости, причем основание станка выполнено с возможностью использования станка, как в виде ручного инструмента, так и с возможностью монтирования на носителях различного типа. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Малый буровой станок для обработки крепчайших горных пород, включающий основание с укрепленным на нем механизмом подачи штанги с буровым инструментом, выполненным в виде огнеструйной кислородной горелки, укрепленной на конце штанги, отличающийся тем, что основание станка выполнено облегченным с возможностью использования последнего как в виде ручного инструмента, так и с возможностью монтирования на носителях различного типа, при этом механизм подачи выполнен в виде механизма перемещения штанги со скоростью, обеспечивающей оптимальное заранее заданное расстояние между забоем и срезом огнеструйной горелки, предназначенной для бурения шпуров. 2. Станок по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения штанги выполнен в виде фрикционного электромеханического привода, снабженного средством для обеспечения изменения и регулирования скорости подачи, выполненным в виде механизма изменения напряжения возбуждения электродвигателя привода. 3. Станок по п.1, отличающийся тем, что основание установлено с возможностью перемещения в нескольких плоскостях. 4. Станок по п.1, отличающийся тем, что основание укреплено на рычажном манипуляторе, установленном на шасси транспортного средства. 5. Станок по п.1, отличающийся тем, что основание укреплено на двустепенном манипуляторе с возможностью перемещения по любой заданной траектории.