Расширитель для бурения шахтных стволов и скважин Советский патент 1993 года по МПК E21D1/06 

оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношению

Riun - Rui(fi-i) 5i + дг 5inp,

где Rum - проектный радиус действия шарошки до ее износа;

Rui(n-i)-проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленной на ближайшем нижележащем ярусе;

Ron - радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа;

д - предельное упругое перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя.

дг - предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси;

Ь - величина предельно допустимого износа шарошки в направлении к продольной оси расширителя;

5inp - наибольшее перемещение рабочей поверхности шарошки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела прочности в наиболее нагруженном элементе конструкции шарошки.

Предлагаемый расширитель может быть использован как в составе бура с забурником для бурения выработки полной площадью, так и для расширения ранее пробуренной передовой скважины.

На фиг.1 - расширитель в продольном сечении буримой выработки, на фиг.2 - поперечный разрез расширителя по А-А в его свободном состоянии (вне забоя); на фиг.З - поперечный разрез расширителя по А-А в напряженном состоянии (в забое буримой выработки).

На фиг.2 и 3 расширитель изображен с шарошками, еще не претерпевшими износа.

Расширитель состоит из корпуса 1, яру- сообразнб расположенных на нем шарошек 2 (в частности 2а, 2Ь), связанных с корпусом посредством стержней 3-, и опорных элементов 4 (4а, 4Ь), расположенных оппозитно относительно шарошек на отдельных ярусах расширения, соответственно, шарошка 2а и опорный элемент 4а, шарошка 2Ь и опорный элемент 4b.

Рабочая поверхность данного опорного элемента (например, поверхность 5Ь опорного элемента 4Ь) состоит от продольной оси расширителя на расстоянии Ron (см.фиг.2), причем через R0n обозначено начальное расстояние, то есть до износа по

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

верхностиБЬ вследствие трения о породные стенки буримой выработки. В свободном состоянии, т.е. когда конструктивные элементы расширителя не испытывают внешних усилий (см.фиг.2), Ron меньше радиуса Ruin установки оппозитной шарошки 2Ь на некотором n-м ярусе. В напряженном состоянии расширителя, то есть в забое (см.фиг.З), где на шарошку 2Ь и другие действуют боковые силы Р5. фактический радиус действия шарошки уменьшается за счет упругого перемещения рабочей поверхности самой шарошки вследствие напряжений, возникающих внутри.ее конструкции (перемещения 5i) и за счет упругого перемещения стержня (62). На фиг.З изображен частный случай, когда зазор между поверхностью 5Ь опорного элемента 4Ь и породной стенкой б достигает нуля, то есть когда Ron Ruin(5i + 62). В общем случае Ron S Ruin - (5i + «За).

Расширитель функционирует следующим образом.

При вращении расширителя и сообщении ему осевой подачи шарошки 2, перекатываясь по уступам ступенчатой выработки в породном массиве (см.контур выработки 6 на фиг.1 и 2), разрушают породу испытывая при этом усилия реакции со стороны породного массива: При пересечении наклонных пластов пород различной прочности, как показано на фиг.1, где расширитель изображен в момент перехода из мягкой породы М в твердую Т, на расширителе возникает асимметрия нагрузок. Так, на ширину 2а со стороны твердой породы Т действует боковая реакция Ре.т. превосходящая величину аналогичных реакций Ре.м со стороны мягкой породы. Складываются условия локального отклонения расширителя в сторону мягкой породы М. Однако, в предлагаемой конструкции такому отклонению противостоит оппозитный опорный элемент 4а, который своей гладкой поверхностью 5а опирается о промежуточную стенку 6 выработки. Аналогичным образом будет действовать опорный элемент 4Ь, оппозитный шарошке 2Ь, когда последняя окажется на переходе из мягкой породы в твердую. Таким путем устраняются поперечные колебания корпуса 1 расширителя, которые передаются колонне бурильных труб и ограничивают повышение частоты вращения и усилия-подачи, что, в конечном счете, ограничивает эффективность бурения расширителями известных конструкций. Вместе с тем, при наличии в конструкции расширителя опорных элементов 4 шареш ки 2 лишаются возможности отступить от трудно преодолимого участка породы (например,

при касании шарошкой 2а твердой породы Т, как показано на фиг.1), вследствие шарошка воспринимает повышенные усилия (в сравнении с условиями работы в расширителях известных конструкций). Поэтому необходимым условием реализации предлагаемого технического решения является введение в конструкцию расширителя упру- гоподатливых стержней 3, преимущественно параллельных продольной оси расширителя, которые, отгибаясь в экстремальных условиях, предохраняют шарошки 2 от разрушающих усилий.

Радиус действия опорного элемента 4Ь (точнее, его рабочей поверхности 5b)R0n определен соотношение (1) из условия обеспе- чения минимального зазора между поверхностью 5Ь опорного элемента 4Ь и боковой стенкой горной выработки 6 с учетом постепенного износа шарошечного инструмента, а также с учетом упругости конструктивных элементов шарошки и ее соединения с корпусом расширителя. Очевидно, что в идеале зазор между поверхностью 5Ь опорного элемента 4Ь и стенкой выработки 6 был бы равен нулю при нулевом натяге в сопряжении поверхности 5Ь со стенкой 6: зазора нет- поперечных колебаний расширителя нет, натяга в сопряжении нет - трения опорного элемента о стенку нет. Однако этот идеал вследствие износа шарошечного инструмента достижим лишь в определенный момент отработки инструмента. Максимальное значение Ron Ruin(5i + 62) - левый предел соотношения (1) - означает равенство нулю зазора и натяга между опорным элементом и стенкой в начальный момент работы, когда износ шарошки 2Ь еще отсутствует, и она смещена в направлении к продольной оси корпуса 1 под действием рабочей боковой нагрузки в меру собственной упругости (перемещение 5i) и упругости стержня 3 (перемещение 2). Минимальное значение Ron Rum - (5i+ 62 + 5з) - правый предел соотношения (1) - означает равенство зазора и натяга нулю при достижении предельного износа шарошки (перемещение 5з, не показанное на фиг.З). Значения Ron между определенными таким образом максимумом и минимумом дают некоторый зазор между опорным элементом и стенкой выработки в начальный момент работы шарошки и некоторый натяг в цепочке стенка выработки - опорный элемент - корпус-стержень-шарошка-стенка к концу отработки шарошки. Вне определенных соотношением (1) пределов для Ron будет либо постоянный натяг и, следовательно, повышенные износ шарошечного инструмента, трений опорного элемента, сопротивление вращению расширителя и расход электроэнергии, либо постоянный зазор и, следовательно, по- вышенныё поперечные колебания расширителя. Износ опорного элемента соотношением (1) не учитывается, как малая величина в сравнении с износом шарошки

()-. .. - ,;;Л::,-;/:- ;V

Гибкость стержня 3 определена соотношением (2) из условий обеспечения со)фане: ния работоспособности (прочности) шарошечного инструмента, кбгда бй встречается с непреодолимым за один пр;охОд

препятствием (например, местным включе- нием горной породы повышенйОй inpplriHO- сти) и, с другой стороны, срхр андйия уступной схемы пораженияг забоя. Последнее условие обеспечивается левой мастыб

неравенства из соотношения (2), так как разность Rum - Ruj(n-i) равняется ширине проектного уступа разрушения Нуст., и коль скоро сумма максимальных упругих перёме-, щений шарошки (5i) и стержня (&) не достиг-

нет разности Rum - РШ(ГИ), то шарошка гарантированно остается в пределах уступа разрушения. Сохранение-же раббтосп рсрб- ности (прочности) шарошки моменты, когда боковое усилие со,стороны породного

массива превышает допустимую для собственно шарошки величину, обеспечивается гибкостью стержня 3, предельное упругое перемещение которого (da) в сумме с предельным упругим- перемещением рабочей

поверхности шарошки (di) превышает такое перемещение (5inp рабочей поверхности шарошки, соединенной с корпусом 1 непос- редственно, то есть без посредства стержня 3, при котором наступает разрушение шарошки в ее наименее прочном звене (например, в осевой опоре качения). Этот предел упругости (гибкости) стержня 3 отражен правым неравенством соотношения (2), Гибкость стержня,.выходящая за пределы

соотношения (2), будет означать либо нарушение схемы поражения забоя и снижение эффективности бурения, либо возможность поломки шарошек, их потери на забое и снижение надежности работы расширителя.

Если, например, опорный элемент в некоторой конкретной конструкции расширителя должен быть установлен на ярусе с радиусом Rum. 1000 мм при ширине уступа

Rum - Rui(n-i) 40 мм, проектной рабочей нагрузке Рд 50 кН и принятый к использованию шарошечный инструмент имеет (5з 15 мм, (5i 5 мм и 5inp 10 мм, то из (2) определим предел для дг.

Rum - Кш(п-1) - 5 inp

40-5 5z 10-5;

.

Соответственно найденным пределом и принятому значению и заданному значению по общеизвестным формулам рассчитывается жесткость стержня С, ив конечном счете его поперечные размеры (в частном случае диаметр d) и длина I. Из (1) определим пределы для Ron:.

1000 - 5 -15 Ј Ron а: 1000 - 5 -15 -10.

980 мм i Ron 2:970 мм. то есть Ron 970-980 мм.

Формула изобретен и я Расширитель для бурения шахтных стволов и скважин, включающий корпус с ярусообразно закрепленными на постепенно увеличивающимся расстоянии от продольной оси расширителя шарошками, отличающийся тем, что, С целью повышения эффективности работе расширители в разнопрочных породах наклонного напластования, он снабжен опорными элементами, жестко закрепленными на корпусе диаметрально противоположно шарошкам и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью, причем радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах Ruui-(5i+&)ЈRp.n ЈRlll:n-((51+().

а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость кото- рых удовлетворяет соотношению

Rui.n -Rui.(n-i) #i +& 5inp

где Rui.n проектный радиус действия шарошки до ее износа;

Rui(n-i)- проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе;

Ro.n - радиус внешней поверхности

опорного элемента до его износа;

5i - предельное перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя;

(52 - предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси;.

5з - величина предельно допустимого радиального износа шарошки;

5inp - наибольшее перемещение рабочей поверхности шарошки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела

прочности в наиболее нагруженном элементе конструкции шарошки.

Использование: в горном деле и строительстве при сооружении стволов и скважин. Сущность изобретения: расширитель, включающий корпусе ярусообразнозакрепленными на постоянно увеличивающемся расстоянии от продольной оси расширителя шарошками, снабжен опорными элементами/жестко закрепленными на корпусе диаметрально противоположно шарошками и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью. Радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах: Рш.п. -(5i - 62) S R0.n. S Нш.п. Изобретение относится к технике бурения шахтных стволов и скважин большого диаметра, а конкретно к устройству породо- разрушающих органов. Цель изобретения заключается в повышении эффективности работы расширителя в разнопрочных породах наклонного напластования.. . .. Постоянная цель достигается тем, что расширитель снабжен опорными элемента4 2 - (5i +62 ), а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношению: Рш.п. - Riu(n-i) 6} +62 д чпр, где: РШ.П. - проектный радиус действия шарошки до ее износа; Ruj(rH)- проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе; Ro.n. - радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа; (5г - предельное перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя; дг - предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси; 5з - величина предельно допустимого радиального износа шарошки; 5inp - наибольшее перемещение рабочей поверхности шарошки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела прочности в наиболее нагруженном элементе конструкции шарошки. 3 ил. ел е 00 00 о ми, жестко закреплеными на корпусе диаметрально противоположно шарошками и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью, причем радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах Rum (5l + 62} Ron Riup - (5i + 62 + 63), (1) а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной о -ч 1

Фиг.1

А-А {&не забоя)