ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.Г. Лукьянов, В.И. Комащенко, В.А. Шмурыгин

ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

Допущено Учебно-методическим объединением

по образованию в области прикладной геологии

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130203 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» направления подготовки 130200 «Технологии геологической разведки»

Издательство Томского политехнического университета 2008 УДК 622.235.6(075.8) ББК 33. Л Лукьянов В.Г.

Л84 Взрывные работы: учебник для вузов / В.Г. Лукьянов, В.И. Комащенко, В.А. Шмурыгин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 402 с.

ISBN 5-98298-376- В учебнике изложены общие сведения о прострелочно-взрывных работах, ядерных взрывах в промышленности и охране окружающей среды. Приведены способы бурения при разрушении горных пород. Описаны взрывчатые материалы, способы и методы взрывных работ. Большое внимание уделено основам теории взрыва и взрывчатых веществ. Дано описание общих принципов расположения и расчеты зарядов взрывчатых веществ в геологоразведке и инженерной геологии. Рассмотрены правила безопасного хранения, перевозки и уничтожения взрывчатых материалов.

Учебник разработан в рамках реализации Инновационной образовательной программы ТПУ по направлению «Рациональное природопользование и экологически безопасные технологии разработки месторождений, транспортировки, переработки нефти и газа» и предназначен для студентов геологических специальностей, инженерно-технических работников, занимающихся горным делом, а также может быть полезен для слушателей курсов дополнительного обучения специалистов на право технического руководства горными и взрывными работами.

УДК 622.235.6(075.8) ББК 33. Рецензенты Кафедра строительства подземных сооружений и шахт Кузбасского государственного технического университета (зав. кафедрой, доктор технических наук, профессор В.В. Першин) Доктор технических наук, профессор директор Тульского научно-исследовательского геологического предприятия В.И. Власюк ISBN 5-98298-376-4 © Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А., © Томский политехнический университет, © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, Посвящается 100-летию первого выпуска горных инженеров в Томском политехническом университете, в числе которых был Основатель Сибирской горной школы Дмитрий Александрович Стрельников 1881–1964. Пятнадцать его учеников стали Героями Социалистического Труда

ВВЕДЕНИЕ

В общем комплексе работ при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых горно-разведочные работы занимают важное место, обеспечивая высокое качество и достоверность получаемых геологических данных, особенно в условиях разведки месторождений цветных, редких и благородных металлов. Бывшим Министерством геологии СССР при разведке месторождений, главным образом на стадии детальной разведки, ежегодно проводилось около 300 тыс. м горизонтальных горно-разведочных выработок. Такой же объём горно-разведочных выработок ежегодно выполнялся и в других отраслях горнодобывающей промышленности.

Сокращение сроков разведки месторождений и ввод их в эксплуатацию выдвигают в качестве одной из главных задач – увеличение скорости проведения подземных горно-разведочных выработок. Академик Е.А. Козловский неоднократно указывал на необходимость довести проходку горных выработок скоростными методами до 60 % общего объема. В связи с этим вопрос совершенствования технологии и организации работ приобретает исключительно важное значение.

Породу в горно-разведочных выработках разрушают различными способами, определяемыми главным образом физико-техническими характеристиками горных пород: механизмами, с помощью взрывчатых веществ (ВВ), вручную, действием высоконапорной водяной струи, тепловыми, электромагнитными воздействиями и т. д.

При проведении горных выработок (особенно подземных) наиболее распространен способ разрушения пород с применением ВВ.

Взрывная отбойка определяет технологию и организацию проходческих работ.

Использование энергии взрыва в процессе разведки месторождений практикуется не только при проведении горных выработок, но и для других целей, в том числе и при подземной прокладке магистральных трубопроводов.

В настоящее время актуальна народнохозяйственная задача сокращения сроков и стоимости освоения месторождений твёрдых полезных ископаемых, разведка которых требует больших объёмов подземных горных выработок.

Задача эта успешно решается в части месторождений, подлежащих первоочередному освоению, путем совмещения детальной разведки с промышленным освоением, т. е. сооружения и использования для детальной разведки горно-капитальных и горно-подготовительных выработок (выработок разведочно-эксплуатационного назначения).

Содержание учебника соответствует одобренной Министерством образования и науки РФ примерной программе дисциплины «Взрывные работы» направления подготовки специалистов «Технология геологической разведки».

Учебник состоит из четырех разделов. Первый раздел посвящен рассмотрению процессов бурения шпуров и скважин, вопросам применения различных буровых машин. Значительное внимание уделено улучшению условий труда и организации работ.

Второй раздел охватывает широкий круг вопросов, посвященных теории взрыва, взрывчатым веществам, способам и средствам инициирования зарядов и правилам безопасного ведения взрывных работ. Детально рассмотрены физические основы действия взрыва. Многие материалы, приведенные во втором разделе, можно с успехом применять при выполнении лабораторных работ. Раздел содержит также параграфы, касающиеся организации и механизации взрывных работ.

В третьем разделе изложены взрывные работы в геологоразведке и инженерной геологии, даны общие принципы расположения и расчета зарядов ВВ. Значительное место отведено специальным взрывным работам. Дан расчет зон уплотнения при взрыве заряда.

В четвертом разделе широко представлены прострелочные и взрывные работы в скважинах, применяемых при отборе образцов пород, проб жидкости и газа, при вскрытии пластов, повышении отдачи пластов, разделительном тампонаже скважин, ликвидации осложнений в глубоких скважинах. Описаны устройство, снаряжение, технические характеристики прострелочных аппаратов, организация прострелочных работ. В разделе также рассмотрено применение ядерных взрывов в промышленности, показано отрицательное действие взрывов на окружающую среду и изложены мероприятия по снижению негативных экологических последствий взрывных работ при геологоразведке.

В конце каждого раздела, в соответствии с требованиями Минобразования РФ к учебной литературе, содержится перечень контрольных вопросов.

Авторы благодарны заведующему кафедрой строительства подземных сооружений и шахт Кузбасского государственного технического университета доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.В. Першину, генеральному директору ОАО «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие», заслуженному геологу РФ, лауреату Государственной премии СССР, доктору технических наук, профессору В.И. Власюку, кандидату технических наук В.И. Луневу за сделанные ими замечания и предложения, которые учтены в процессе работы над учебником.

Авторы также считают своим долгом выразить глубокую благодарность за моральную и финансовую поддержку первому проректору Томского политехнического университета профессору, доктору геологоминералогических наук, академику РАЕН А.К. Мазурову и заместителю губернатора Томской области, доктору технических наук, профессору, академику РАЕН П.С. Чубику.

РАЗДЕЛ I. БУРОВЫЕ РАБОТЫ

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ ВЗРЫВНЫХ

Для обеспечения эффективности взрывной отбойки пород заряды ВВ необходимо размещать внутри массива горных пород в искусственно создаваемых полостях (зарядные камеры).

В качестве зарядных камер используют в основном скважины различных размеров. При диаметре скважин до 75 мм и глубине до 5 м их называют шпурами, при более значительных размерах – взрывными скважинами (относительно редко ВВ размещают непосредственно в специальных горных выработках, называемых минными).

Определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву, называют зарядом ВВ. В зависимости от типа взрывных камер различают методы отбойки пород зарядами, которые расположены в шпурах (шпуровые заряды), во взрывных скважинах (скважинные заряды) и в минных выработках (камерные заряды).

При проведении разведочных выработок почти во всех случаях порода отбивается шпуровыми зарядами. Область распространения отбойки скважинными зарядами при разведке месторождений ограничивается проведением в некоторых случаях открытых и иногда подземных горных выработок. Отбойку пород, выполняемую взрыванием камерных зарядов, используют только на горных предприятиях (при разведке месторождений она практически не применяется).

Таким образом, при горно-разведочных работах взрывной отбойке предшествует в основном бурение шпуров.

При бурении происходят последовательные разрушения поверхности забоя шпура или скважины и извлечение продуктов разрушения на поверхность. Рассматриваемый процесс состоит из следующих основных операций: подготовка и установка бурильной машины, бурение с очисткой скважины от продуктов разрушения, наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборки после окончания работ, смена изношенного бурового инструмента.

По характеру разрушающего воздействия способы бурения шпуров и скважин можно разделить на механические, немеханические (физико-химические) и комбинированные (рис. 1.1).

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 табл. 1.1 приведены области применения способов бурения в зависимости от крепости горных пород.

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.

Рис. 1.1. Классификация способов бурения шпуров и скважин Области применения различных способов бурения Способ бурения Вращательный Твёрдосплавные Свёрла, станку СБВ 40... Вращательно- Твёрдосплавные Бурильные установки БУ 42...52 8... поворотный коронки 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.

Производительность бурильной машины характеризуют числом метров скважин, пробуренных машиной за рабочую смену. Время (мин) на бурение 1 м скважины где Тп.з – продолжительность подготовительно-заключительных операций (прием и сдача смены, приведение забоя в безопасное состояние и др.), отнесенная к 1 м скважины (шпура), мин; Т0 – продолжительность основной операции – бурение 1 м скважины, мин; Тв.с – продолжительность вспомогательных операций, отнесенная к 1 м скважины (шпура), мин;

Тр.п – продолжительность регламентированных перерывов (отдых и др.), мин.

Сменная производительность (м/смену) бурильной машины по бурению где Tсм – продолжительность рабочей смены, ч.

Как видно из формул (1.1) и (1.2), производительность буровых машин повышается при уменьшении времени на подготовительнозаключительные и вспомогательные операции, которые в общем балансе времени составляют иногда значительную долю. Продолжительность подготовительно-заключительных операций можно уменьшить, например, вследствие сокращения времени на подготовку к бурению путём автоматизации управления буровыми машинами и установки их на самоходные платформы. Вспомогательное время в основном складывается из времени на наращивание става штанг, смену инструмента и спускоподъемные операции, вызываемые необходимостью смены инструмента.

Механическая скорость бурения мех (м/мин) выражается длиной скважины, пробуренной в единицу чистого времени бурения:

Механическая скорость бурения зависит от свойств горных пород, конструкции инструмента, некоторых энергетических и режимных параметров буровых машин.

Исходя из баланса энергии, подведенной к бурильной машине и израсходованной на разрушение, механическая скорость бурения Из формулы (1.4) следует, что для повышения механической скорости бурения нужно увеличивать мощность на единицу сечения скважины N (с учетом ограничений по прочности инструмента), повышать КПД буровой машины и снижать удельную энергоемкость разрушения породы Fуд, применяя рациональный способ бурения при оптимальном режиме.

С увеличением глубины бурения механическая скорость несколько снижается в связи с дополнительными затратами энергии на трение инструмента о стенки шпура (скважины), а также в связи с ухудшением условий очистки забоя от разрушенной породы при бурении горизонтальных и нисходящих шпуров и скважин. В первом приближении зависимость между механической скоростью и глубиной бурения можно принять линейной – с ростом глубины скорость снижается.

При рассмотрении процесса разрушения следует учитывать волновые явления при передаче энергии и разрушении породы.

В процессе разрушения время внедрения инструмента на глубину 3…5 мм составляет 200…400 мс. В течение этого времени начальный импульс распространится в породу на 80…160 см при средней скорости распространения волн в породе 4 км/с.

На рис. 1.2 приведён график изменений усилий в зоне разрушения.

При динамических воздействиях максимальная глубина внедрения инструмента значительно меньше глубины разрушения, поскольку в процессе разрушения между породой и инструментом образуется зона разрушенной породы, через которую передается энергия.

При малых скоростях внедрения инструмента картина несколько меняется, поскольку инструмент, внедряясь, разрушает отдельные выступы и кристаллы породы, дробит их на мелкие частицы и тем самым создает хороший контакт инструмента с породой. Постепенно происходит нагружение породы под всей рабочей поверхностью инструмента. При его дальнейшем внедрении нормальные напряжения в породе будут увеличиваться до тех пор, пока их критическое значение не распространится на слой толщиной, равной среднему размеру кристаллов, образующих породу.

Рис. 1.2. График изменения усилий Рис. 1.3. Схема разрушения породы с увеличением глубины внедрения ин- при вращательном бурении:

струмента в породу при малых (1) и больших (2) скоростях Процесс разрушения породы на забое вращающимся резцом включает два повторяющихся цикла: вдавливание режущих лезвий под действием осевого усилия Рос с образованием перед ними определённого объма тонкоизмельченной породы и скола породы под действием крутящего момента Мкр в виде стружки перед режущим лезвием (рис. 1.3, а).

В процессе разрушения породы перед передней гранью резца сопротивление продвижению лезвия и потребляемая мощность двигателя сверла N увеличиваются до максимума, а после скола породы – снижаются до минимума. Цикличность этого процесса во времени и показана на рис. 1.3, б. Таким образом, происходит объёмное разрушение слоя породы. Следующий слой разрушается при новом нагружении породы до предельного состояния.

Если скорости внедрения инструмента большие, то частицы очередного разрушенного слоя породы не успевают существенно переместиться в стороны из-под лезвия инструмента вследствие больших сил трения, возникающих между отдельными частицами. Поэтому сила сопротивления, обусловленная деформированием горной породы, практически не изменится после объемного разрушения её очередного слоя, что подтверждается плавным характером графика.

В процессе динамического внедрения инструмента в породу (рис. 1.4) вначале происходит её разрушение на мелкие частицы, затем при дальнейшем продвижении инструмента вглубь пласта появляются трещины. При дальнейшем внедрении инструмента послойно образуется зона объёмного разрушения. На контакте инструмента с породой возникают трещины, которые распространяются по пласту, вследствие чего по краям зоны разрушения происходит откол породы (рис. 1.4).

В зависимости от способа бурения и породоразрушающего инструмента существуют различные схемы взаимодействия инструмента с породой. На рис. 1.5 приведена схема процесса разрушения породы при ударном бурении. Профессор А.Ф. Суханов рассматривал систему сил сопротивления породы внедрению в неё инструмента клиновидной формы при ударном бурении без учёта механизма разрушения породы. При внедрении в породу поршня под лезвием инструмента с определенной поверхностью притупления формируется зона тонкоизмельченной породы. После завершения разрушения лезвие следует повернуть на такой угол, чтобы при следующем внедрении произошел скол секторов породы между смежными ударами (см. рис. 1.6).

В процессе нескольких ударов разрушается большой объём породы.

При вращательном бурении разрушение горных пород производит резец, который под действием осевого усилия внедряется в породу, перемещается поступательно и, вращаясь, разрушает ее по площади забоя шпура. Резец, пройдя определённый путь до соприкосновения с ненарушенным массивом породы, наносит по породе удар. Сопротивление движению резца резко возрастает, перед режущей гранью образуется разгруженный слой, и цикл разрушения повторяется вновь.

Распределение усилий, действующих на резец, показано на рис 1.7.

Резец под действием осевого усилия вдавливается в породу на глубину h, преодолевая сопротивление породы вдавливанию. При недостаточном давлении на резец разрушение породы будет иметь характер поверхностного абразивного износа. Скорость бурения в области разрушения где h – глубина внедрения резца, м; п – частота вращения, мин -1;

т – число лезвий на резце. Глубину внедрения определяют по следующей зависимости:

где Рос – осевое усилие, Н; в – предел прочности породы на вдавливание, Па; l – длина лезвий резца, м; – угол заточки инструмента, градус; – угол трения, градус (tg – коэффициент трения инструмента о породу). С помощью формул 1.5 и 1.6 можно установить влияние режимных факторов на скорость бурения.

Оптимальные режимы бурения для конкретных условий работы устанавливают в основном экспериментально.

При использовании шарошечного долота происходит поступательное движение его зубка с переменной скоростью (от максимального значения до нуля), а также вращательное движение зубка в процессе внедрения в породу и скольжение его по забою, т. е.

движение шарошки подобно движению по плоской поверхности катка с острыми зубьями.

При скольжении по забою, вследствие того, что глубина разрушения породы всегда больше глубины внедрения зубка, последний не производит дополнительного разрушения, а только способствует очистке забоя от продуктов разрушения.

При разработке месторождений полезных ископаемых основными и наиболее распространенными способами бурения взрывных скважин (шпуров) являются ударный, вращательный и ударно-вращательный.

При бурении крепких и весьма крепких пород, имеющих коэффициент крепости по шкале профессора М.М. Протодьяконова от 10 до (VIII–XII категории буримости по шкале ЕНВ), преимущественное применение имеют буровые машины ударного действия. Вращательные буровые машины в зависимости от рабочих качеств породоразрушающих инструментов применяются для бурения горных пород самых различных физико-механических свойств, от самых мягких до самых твёрдых.

Буровые машины ударно-вращательного действия применяются при бурении горных пород с коэффициентом крепости f = 6…16.

Буровые машины, используемые при проведении буровзрывных работ, нашли применение на геолого-разведочных работах, при эксплуатационной разведке. Применение высокопроизводительных горнобуровых машин для проходки разведочных скважин взамен проведения горноразведочных выработок ускорило темпы геолого-разведочных работ при снижении их стоимости.

Большие возможности для ускорения разведочных работ даёт метод бескернового бурения с применением каротажа скважин.

На Криворожском бассейне для разведочного бурения используются пневматические колонковые перфораторы, буровые агрегаты и станки шарошечного бурения. Применение более производительного бурового оборудования обусловило значительное повышение технико-экономических показателей, при этом объём работ по проходке горно-разведочных выработок в бассейне уменьшен почти в три раза. В Донбассе для эксплуатационной разведки успешно применяют реконструированные колонковые электросверла. Положительная практика внедрения горнобурового оборудования при выполнении разведочных работ отмечается и на других месторождениях 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.

При проникновении лезвия инструмента в породу последняя, разрушаясь, скользит по его щекам, вызывая их износ. Износ тем больше, чем больше трение между щеками лезвия и породой, а также чем абразивнее порода. В момент ударного нагружения буровой инструмент чаще неподвижен, поворот бура производится после удара, обычно при усилии прижатия почти равном нулю, поэтому затупление лезвия при ударном способе бурения протекает менее интенсивно, чем при других способах бурения.

В отдельных случаях наблюдалось самозаострение лезвия.

Сопротивление горных пород разрушению при ударном бурении характеризуется динамической твердостью, которая значительно меньше статической. В равных условиях при динамическом характере действующих сил разрушается значительно больший объём породы, чем при статическом характере разрушающих сил.

Главным мероприятием, ведущим к росту скорости ударного бурения, является увеличение мощности буровой машины.

Мощность любой ударной буровой машины прямо пропорциональна произведению величины кинетической энергии Ао, развиваемой ударным механизмом, на частоту ударов в одну секунду us, т. е.

Буровыми машинами ударного действия являются пневматические, гидравлические и электрические перфораторы (бурильные молотки), станки ударно-канатного бурения.

На горных работах из ударных буровых машин наибольшее значение имеют пневматические перфораторы. Станки ударно-канатного и ударноштангового бурения находят применение на открытых разработках, постепенно уступая место более производительным станкам термического и шарошечного бурения. Ударно-канатные станки еще применяют при разведке россыпей благородных и редких металлов, а также при бурении на воду.

1.1.1. Ударно-перфораторное бурение Пневматические перфораторы по сравнению с другими буровыми машинами обладают наиболее высокими эксплуатационными качествами.

Они имеют наименьшую относительную массу на единицу развиваемой мощности и небольшую общую массу, невелики по габаритам, легко и просто обслуживаются и работают на безопасной энергии – энергии сжатого воздуха. Пневматические перфораторы успешно бурят породы любой крепости и применяются при подземной разработке месторождений, а также на буровзрывных работах в любых горно-геологических условиях.

Пневматические перфораторы в зависимости от техникоэксплуатационных данных делят на четыре класса – ручные, телескопные, колонковые и погружные. 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.

1.1.2. 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. 1.8): 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 е 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). 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.

Рис. 1.8. Общий вид пневматического перфоратора Характеристика работы пневматического перфоратора Основными показателями, характеризующими технико-эксплуатационные качества пневматических перфораторов являются:

величина максимального крутящего момента, Н·м Мкр отдача перфоратора и соответствующее ей усилие подачи, кН С Мощность, развиваемую пневматическим перфоратором при работе, как любой машины ударного действия, можно определить по формуле Кинетическая энергия поршня Масса поршня т1 равна массе поршня Gs, делённой на ускорение g = 9,81 м/с2, т. е.

Скорость поршня перед ударом по буру можно рассчитать по формуле где s –длина хода поршня, м; Р1 – сила, движущая поршень при ходе вперед, Н. Р1 = F1 Р', где F1 – рабочая площадь поршня, см2; Р'– среднее рабочее давление воздуха в цилиндре, Па·105.

Как показали исследования, длина хода поршня перфоратора является величиной, изменяющейся в зависимости от величины давления сжатого воздуха, от качества и массы бура, а также от физикомеханических свойств буримых пород и условий бурения.

Наибольшей скорости поршень достигает перед нанесением удара по буру. Время хода поршня вперед t1 и назад t2 не одинаковы и зависят от давления сжатого воздуха, соответственно изменяется и длина хода поршня. Особенно резко изменяется длина хода поршня при изменении давления от 0,1 до 0,6 МПа.

Если принять наибольшую возможную (конструктивную) длину хода поршня за smax, то рабочая длина хода поршня s при давлениях 0,4…0,6 МПа равна (0,7…0,8) smax.

Рабочее давление воздуха в цилиндре перфоратора P является величиной непостоянной, зависящей от величины давления сжатого воздуха, поступающего в перфоратор из трубопровода и замеряемого обычно манометром, и от потерь давления при прохождении сжатого воздуха из магистрали в цилиндр перфоратора. Особенно значительны потери при недостаточных сечениях каналов в шланге, штуцере, присоединяющем шланг к перфоратору, в воздуховпускном кране и особенно в воздухораспределительном устройстве. Отмечаются потери давления воздуха также в каналах корпуса цилиндра, подводящих воздух в рабочие полости цилиндра перфоратора, и при неправильном и уменьшенном сечении выхлопных окон.

При давлении сжатого воздуха 0,5…0,8 МПа рекомендуются следующие соотношения между рабочей площадью поршня и сечением:

Если обозначить манометрическое давление сжатого воздуха в трубопроводе возле перфоратора через Р, а коэффициент потери давления воздуха через п, то среднее индикаторное (рабочее) давление в цилиндре перфоратора будет равно:

Экспериментальным путём установлено, что величина коэффициента потерь давления воздуха п весьма значительна. При давлении сжатого воздуха от 0,4 до 0,7 МПа значение п у современных перфораторов находится в пределах 0,4…0,5 в задней полости цилиндра и 0,5…0,6 в передней полости цилиндра. При расчётах с точностью, достаточной для практики, значение п можно принимать равным 0,5.

На основании приведенных материалов можно рассчитать величину энергии, развиваемой поршнем пневматического перфоратора.

При ударе поршня по буру фактическая энергия, передаваемая на лезвие бурового инструмента где y – коэффициент, учитывающий потери энергии удара при передаче её на лезвие бурового инструмента, где 1 – КПД удара и рассчитывается по следующей формуле:

где т1 – масса поршня, кг; m2 – масса бура, кг; – коэффициент восстановления соударяющихся тел, при перфораторном бурении = 0,90…0,95;

2 – коэффициент, учитывающий потери энергии в соединениях (замках) бура. Непосредственными замерами установлено, что одно резьбовое соединение имеет 2 = 0,75...0,85, а конусное 2 = 0,6…0,75.

На основании исследований установлены минимальные значения величины энергии, передаваемой на лезвие бурового инструмента в зависимости от крепости горных пород. При меньших значениях скорость бурения значительно снижается.

• Коэффициент крепости пород • Величина удельной энергии на лезвие инструмента Ак, Дж/мм 0,06 0,10 0,16 0, У современных пневматических перфораторов величиной, лимитирующей увеличение кинетической энергии, развиваемой поршнем и передаваемой буру, является запас прочности деталей машины и прочность бурового инструмента. Наиболее слабым звеном в настоящее время является лезвие буровой коронки, армированной твердым сплавом ВК-15 и допускающей нагрузку (работу) при бурении, не превышающую 0,3 МПа сечения пластинки твёрдого сплава. При больших нагрузках пластинки выходят из строя, раскалываясь и не выдерживая нормального количества заточек.

Увеличение мощности, а следовательно, и производительности пневматических перфораторов возможно за счёт увеличения частоты ударов. Если рабочую площадь поршня увеличить, а длину хода поршня уменьшить во столько же раз, то частота ударов увеличится в это же число раз при сохранении величины силы удара.

Первые пневматические перфораторы с увеличенной частотой ударов (высокочастотные) были созданы в СССР в 1939 г. В зарубежной практике такие перфораторы появились в 1952 г.

У обычных перфораторов отношение величин диаметра и длины хода поршня находится в пределах 1…1,25, у высокочастотных (быстроударных) это отношение равно 2 и больше.

В настоящее время созданы конструкции пневматических перфораторов, имеющих частоту ударов до 5 000–6 000 в 1 мин, увеличивших скорость бурения в 3–5 раз. Практическое применение высокопроизводительных машин тормозится из-за отсутствия мероприятий, снижающих шум, создаваемый ими при работе, который по уровню превышает допускаемые санитарные нормы. Применение высокочастотных перфораторов возможно при дистанционном управлении или автоматизации бурения.

Если в формулу подставить полученные значения энергии поршня А0 и частоты ударов и и произвести преобразования, то получим формулу, показывающую зависимость мощности перфоратора от его внутренних параметров, Мощность перфоратора наиболее выгодно увеличивать за счёт увеличения рабочей площади F и давления воздуха Р.

Величина крутящего момента, развиваемого поворотным механизмом перфоратора, может быть определена по формуле где r с – средний радиус поворотного винта, см; о – угол подъёма резьбы поворотного винта, градус; – коэффициент трения в винтовой паре;

i – КПД механизма, равный 0,25.

Поворот бура осуществляется при ходе поршня назад. Поступательное движение поршня с помощью поворотного винта и гайки преобразуется во вращательное движение поршня и поворотной буксы.

Если угол наклона винтовой нарезки на поворотном винте равен, то длина дуги окружности, на которую повернётся поршень, считая по среднему диаметру резьбы dс, за один ход будет s·tg. При числе ходов поршня в 1 мин и число оборотов бура Угол поворота бура за один ход поршня где c – коэффициент, учитывающий наличие люфта в винтовой паре (для новых перфораторов он равен 0,7, а для изношенных – 0,5).

В зависимости от крепости пород, в которых производится бурение, рекомендуются следующие значения углов поворота бура 0: при бурении пород крепостью f < 10 0 = 18…36°; при бурении пород крепостью f = 10…16 0 = 9…18°, а при бурении пород с f > 16 0 < 9°.

Расход сжатого воздуха пневматическим перфоратором при работе определяется из расчёта:

где F1 и F2 – величины рабочих площадей поршня, в см2; s – длина хода поршня, см; Р – давление воздуха, поступающего в перфоратор, в МПа; k – коэффициент, учитывающий потери давления воздуха и неполноту заполнения цилиндра; для новых перфораторов k = 0,8, для изношенных k = 1.

Показателем качества пневматического перфоратора можно рекомендовать удельный расход сжатого воздуха на единицу объёма выбуренного шпура.

Уровень шума работающего пневматического перфоратора расчётным путём может быть приближенно определен по формуле НИГРИ:

где R – уровень шума в децибелах при давлении воздуха 0,5…0,55 МПа;

D и s – диаметр и длина хода поршня перфоратора, м; k – постоянная величина. На расстоянии 0,7 м от перфоратора для открытого пространства k = 97,8, в шахтных условиях k = 99,8.

Более точно уровень шума замеряется шумомерами.

1.1.3. Типы пневматических перфораторов Для выполнения буровых работ при проходке горных выработок, нарезке и выемке полезного ископаемого в различных горногеологических условиях разработаны различные типы бурильных машин, область их применения приведена в табл. 1. Переносные перфораторы имеют наибольшее распространение и применяются на горных, геологоразведочных, строительных, дорожных и других работах. Выпускаемые серийно перфораторы ПП-36, ПП-50, ПП-54, ПП-63 и другие имеют технические характеристики (табл. 1.3), близкие к указанным в ГОСТ Р 51681–2000. Для облегчения труда при бурении шпуров ручными перфораторами средней и тяжелой массы рекомендуется применение поддерживающих колонок (рис. 1.9).

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.

Рис. 1.9. Бурение шпура ручным перфоратором с помощью пневмоподдержки: 1 – коронка; 2 – бур; 3 – перфоратор;

Ударный