Бурение

1. Бурение скважин — процесс искусственного образования в горной породе или в полезном ископаемом выработки небольшого круглого сечения (скважины). Процесс бурения заключается в последовательном разрушении поверхности забоя и извлечении продуктов разрушения на поверхность и производится буровыми станками. При бурении скважин различают механические и немеханические способы. По характеру приложения разрушающей нагрузки на забой механические способы бурения скважин разделяются на ударный, вращательный, ударно-вращательный, вращательно-ударный.

2. Бурение шпуров — процесс получения цилиндрического или слабоконического углубления в массиве полезного ископаемого или породы, осуществляемый с помощью бурильных машин. По характеру приложения разрушающей нагрузки бурение шпуров подразделяется на ударно-поворотное, осуществляемое машинами (перфораторами) ударного действия, и вращательное, осуществляемое электрическими или пневматическими сверлами.

3. Бурение шахтных стволов — механизированный процесс сооружения (проходка и крепление) вертикальной или наклонной горной выработки круглого сечения с помощью мощных буровых установок, исключающих необходимость работы в подземных условиях, кроме разделки сопряжений ствола с околоствольными дворами.

Из немеханических способов бурения. известны: термическое, взрывное, электроимпульсное, ультразвуковое, электрогидравлическое, электромагнитное и т. д. Все эти способы, кроме термического, находятся в стадии изучения.

I. При ударном (ударно-поворотном, ударно-канатном) бурении разрушение происходит в результате последовательных ударов по забою скважины инструмента (штанги буровой коронки), совершающего возвратно-поступательное движение. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая тем самым разрушение породы по всей площади забоя. Ударно-поворотное бурение скважин, осуществляемое бурильными машинами (перфораторами) колонкового или телескопного типа с использованием свинчивающихся или цельных гибких штанг, называется штанговым бурением; его достоинство — высокая скорость и возможность проходки -скважин малого диаметра, недостаток — резкое снижение скорости бурения при глубине скважины более 12 м (в породах средней крепости) и более 8 м (в крепких породах). Бурильные машины с независимым вращением коронки и выносными ударными механизмами позволяют значительно увеличить глубину штангового. При ударно-канатном бурении подвешенный на канате буровой снаряд весом до 2500 кг, состоящий из долота, штанги и канатного замка и поднимаемый с помощью ударного механизма на высоту 0,8—1,0 м, падает, наносит удары по забою скважины и разрушает лезвием долота породу. Поворотом бурового снаряда при подъеме на некоторый угол (15—60°) обеспечивается разрушение породы по всей площади забоя. В процессе бурения в скважину подливают воду, разрушенная порода переходит во взвешенное состояние — шлам, который периодически удаляется из скважины

 II. При вращательном бурении разрушение забоя скважины (шпура) производится путем смятия, раздавливания, скалывания и в меньшей степени истирания вращающимся буровым инструментом (коронками, долотом, дробью). По виду разрушающего материала и конструкции коронки вращательное бурение подразделяется на бурение коронками, армированными резцами из твердого сплава, металлической дробью (дробовое), шарошечными долотами, армированными зубками из твердого сплава (шарошечное), коронками, армированными алмазами (алмазное бурение).

При бурении коронками, армированными резцами из твердого сплава, разрушение породы происходит за счет осевого усилия, приложенного к коронке, и усилия резания (вращающая сила). Величина этих усилий зависит от размеров и геометрической формы резцов коронки, глубины внедрения их в породу, физико-механических свойств горной породы и др. Под действием осевого усилия инструмент внедряется на некоторую глубину, производит смятие, раздавливание и скол некоторого объема породы сначала передней, а затем и задней гранью резца. Бурение твердосплавными коронками наиболее эффективно в породах средней крепости. Количество резцов в коронке зависит от ее диаметра и крепости буримых пород. Удаление продуктов бурения из скважины производится водой.

При дробовом бурении, осуществляемом чугунной, стальной дробью или стальными шариками, разрушение забоя скважины происходит за счет деформаций смятия и раздавливания, которые образуются при вдавливании дробинок в породу под действием осевого усилия. При небольшой величине этого усилия на поверхности породы появятся трещины, идущие вглубь (деформация смятия); при этом формируется главный объем давления. При увеличении осевого усилия (до определенного предела) крайние трещинки пересекутся и произойдет отделение большого объема скалывания (деформация раздавливания). В дальнейшем процесс повторяется. При бурении в крепких породах лучшие результаты получены при применении стальной дроби. В настоящее время не применяется.

Бурение коронками. может осуществляться кольцевым (керновое) и сплошным (бескерновое) забоем. При кольцевом забое в скважине остается неразрушенной порода в ее центральной части — керн, который входит в металлическую трубу - штангу и периодически извлекается из нее. При бескерновом бурении забой разрушается полностью, в этом случае резцы коронки перемещаются по забою под действием составляющей окружного усилия, центробежной силы, статической и динамической нагрузок и разрушают породу по спиральной линии. Бескерновое бурение эффективнее бурения кольцевым забоем. Удаление разрушенной породы производится водой.

При шарошечном бурении разрушение забоя скважины производится стальными или твердосплавными зубками шарошечных долот. Под действием осевого усилия зубки внедряются в породу на глубину, зависящую от их формы, величины осевого усилия и физико-механических свойств породы. При вращении нагруженные шарошки перекатываются по забою скважины, а зубки ударяют по породе. Величина работы, совершаемой зубками при ударе, определяется высотой его падения и осевым усилием; максимальная нагрузка на забой передается через контактную поверхность зубка с породой, когда вся шарошка опирается на один зубок, расположенный перпендикулярно плоскости забоя. Этот зубок передает на забой не только осевое усилие, приходящееся на него, но и энергию удара, полученную им при падении с определенной высоты. Под действием указанных нагрузок на контакте зубка с породой образуются высокие напряжения; зубок, переходя из вертикального положения в наклонное, скалывает частицы породы, движущиеся с достаточно большой скоростью. Если к шарошечному долоту приложить ударные нагрузки с помощью механизмов, то эффективность бурения возрастет. Разрушенная порода из скважины выносится водой или сжатым воздухом.

Алмазное бурение, характеризующееся высокой производительностью, широко применяется при разработке крепких и весьма крепких руд. Особенностью этого способа является возможность бурить скважины малого диаметра любого направления с небольшими искривлениями и потерями диаметра скважин, что позволяет строго выдержать их расчетные направления, более равномерно распределить ВВ в массиве и получать хорошее дробление. Разрушение забоя скважины происходит в основном в результате деформаций раздавливания, в меньшей степени в результате истирания породы. Для образования деформаций раздавливания необходимо создать в местах соприкосновения алмазных зерен с породой такое давление, которое вызвало бы в ней образование напряжений, превышающих по своей величине предел прочности породы на раздавливание. При недостаточном давлении создадутся лишь деформации смятия и разрушение породы будет происходить в результате истирания с невысокой эффективностью. Динамические нагрузки, неизбежно возникающие при бурении из-за неровности поверхности забоя, при соблюдении оптимальных режимов не вызовут опасного разрушения алмазов, но в тоже время они способствуют более интенсивному образованию напряжений в породе и разрушению ее. Алмазному бурению присущи высокие числа оборотов инструмента, предельные значения которых определяются свойствами пород, качеством алмазов, конструкцией коронки, размером и числом промывочных канавок и др. Ориентированная в направлении вектора твердости вставка округленных алмазов в коронке интенсифицирует процесс разрушения.

Алмазное бурение можно производить кольцевым и сплошным забоями. Удаление разрушенной породы производится водой (редко сжатым воздухом), подаваемой через сальник и штанги на забой, попутно вода охлаждает коронку. При роторном бурении момент вращения передается на буровой инструмент от привода через ротор рабочую штангу и буровую колонну. Роторное бурение применяется при бурении скважин и шахтных стволов. При турбинном бурении момент вращения передается на буровой инструмент от гидравлической турбины, расположенной непосредственно в забое над буровым инструментом. Турбина приводится во вращение промывочной жидкостью, подаваемой под давлением.

При шнековом бурении рабочим инструментом является бур, представляющий собой трубу, на конец которой надевается буровая коронка, армированная твердым сплавом, а вдоль нее приваривается по винтовой линии полосовое железо, предназначенное для непрерывной выдачи из скважины разрушенной породы, Шнековое бурение эффективно лишь в мягких горных городах. Широкое распространение шнековое бурение получило на угольных карьерах.

III. Ударно-вращательное бурение осуществляется буровыми станками с погружным пневматическим молотком (пневмоударникоя), находящимся непосредственно на забое скважины и наносящим удары по буровой коронке. Работа пневмоударника не зависит от вращающего механизма, находящегося вне скважины, на станке. Скважины диаметром 100 - 155 мм и глубиной до 50 м могут буриться под любым углом к горизонту. Разрушение забоя при ударно-вращательном бурении происходит как за счет удара (динамическая нагрузка), так и за счет осевого и окружного усилий. Осевая нагрузка не только разрушает забой скважины, но и создает в породе напряженное состояние, что способствует более эффективному использованию энергии удара. При малой величине осевой нагрузки внедрение коронки в породу будет происходить в основном под действием удара и режим разрушения породы приблизится к ударному (ударно-поворотному), а при большой — эффективность разрушения породы снизится за счет увеличения сил трения в шпоночном соединении долота и пневмоударника, роста объемной работы разрушения и сильного износа коронки.

Оптимальные значения осевой нагрузки определяются физико-механическими свойствами пород, формой и размером коронки, типом пневмоударника и т. д., но обычно они составляют 250—350 кгс (диаметр скважины 100 мм). При бурении малоабразивных пород средней и выше средней крепости и замене шпоночного крепления долота шестигранным или шлицевым соединением осевое давление может быть значительно увеличено (до 700 кгс на 1 см диаметра скважины). При достаточной мощности вращателя в этом случае будет реализовано вращательно-ударное бурение с резким увеличением скорости. ИГД им. А. А. Скочинского и ВНИИБТ выдвинуто предложение об объединения в одном буровом снаряде двух способов бурения шарошечного и ударного. Разработан комбинированный буровой инструмент, представляющий собой погружной пневмоударник, оборудованный двухшарошечным и однолезвийным ударным долотами.

Вращательное движение инструменту передается от бурового станка, а удар осуществляется пневмоударником, работающим на сжатом воздухе (возможно также на воздушно-водяной смеси). Сжатым воздухом охлаждаются шарошки и выносятся продукты бурения. Шарошки, перекатываясь по забою под высоким осевым давлением, создают напряженное состояние в породе, что способствует повышению эффективности работы ударного долота. В свою очередь лезвие долота пневмоударника создает при ударах определенную зону ослабленной породы на забое, тем самым, повышая эффективность разрушения породы шарошками. Скорость бурения комбинированным снарядом в 1,5—2 раза выше скорости шарошечного, в 3 раза — пневмоударного и в 7—8 раз — ударно-канатного бурения.

К вибрационно-вращательному бурению относится способ разрушения породы, основанный на принципе высокочастотных ударных воздействий, создаваемых механическими эксцентриковыми вибраторами или вибромолотами. Исполнительный орган (долото и коронка), представляющий общий механизм с вибратором, одновременно выполняет два вида движения: возвратно-поступательное — под действием возмущающих импульсов вибратора и вращательное — от привода станка. В результате такого комбинированного воздействия происходит разрушение породы. Продукты разрушения удаляются из скважины водой или сжатым воздухом.

IV. Вращательно-ударное бурение. осуществляется машинами, в которых сочетаются вращательный и ударный способы. Коронке (резцу), находящейся под давлением 300— 500 кгс на 1 см диаметра, придается независимое вращение со скоростью 100 — 350 об/мин. Разрушение породы при этом способе происходит в момент нанесения удара по коронке и в интервалах между ударами за счет скалывания породы, ослабленной ударным воздействием лезвий коронки, находящейся под большим осевым давлением. При этом достигается значительно большая эффективность разрушения породы, чем при простом сложении ударного и вращательного бурении.

При термическом бурении (прожигание скважин) используется высокая температура газов, вытекающих отдельными струями со сверхзвуковой скоростью из специальной горелки ракетного типа. Термическое бурение – способ бурения с использованием в качестве бурового инструмента термобура или плазмобура (плазменное бурение). Разработан в конце 40-х гг. 20 в. в США, с середины 50-х гг. применяется в СССР. Большой вклад в изучение физических основ и разработку технических средств термическое бурение внесли советские учёные А. В. Бричкин, Р. П. Каплунов, И. П. Голдаев, А. П. Дмитриев, А. В. Ягупов.

Твёрдая среда (горная порода, бетон, лёд) при термическое бурение разрушается в режимах хрупкого шелушения и плавления; при хрупком шелушении от нагреваемой до температуры 300—600 °С поверхности забоя отделяются небольшие твёрдые частицы (1—20 мм). Причина разрушения — термические напряжения, вызванные неравномерным прогревом поверхностного слоя среды; режим шелушения характерен для гранитов, песчаников, безрудных и железистых кварцитов.

Высокая температура создается при сгорании в струе кислорода или сжатого воздуха керосина, бензина — для горелок ракетного типа и при прогревании продуваемого через газовый разряд воздуха и подаче его на забой по соплам — для горелок плазменного типа. При расходе кислорода 280 м3/ч и керосина 150 л/ч в камере сжигания развивается давление до 40 кгс/см², температура достигает 2300 °С, а скорость истечения газов — 1800 м/сек. При воздействии тепловых потоков на горную породу наиболее нагретыми оказываются участки в непосредственной близости от поверхности и сама поверхность нагрева. Свободному расширению нагретых участков породы препятствует противодействие ненагретых ее участков, поэтому в породе возникают термические напряжения, вызывающие отслаивание от массива чешуек породы, которые выносятся отработанными газами из зоны действия горелки вверх на струю воды, вытекающую из трубы, расположенной выше горелки. Величина термических напряжений определяется температурным градиентом (разностью температур двух смежных слоев породы), отдачи от газа к породе;

При режиме плавления разрушаемая среда, нагреваясь, переходит из твёрдого состояния в жидкое (расплав). Продукты разрушения выносятся из скважины газовым потоком; в режиме плавления разрушаются бетон, лёд и некоторые горные породы (сланцы, базальты, габбро). Применение термического бурения целесообразно только в породах, склонных к хрупкому термическому шелушению. Это определяется комплексом их физических свойств (тепловые, упругие, прочностные), получивших название критерия термобуримости. Скважина бурится обычно с максимальной линейной скоростью при минимально допустимом её диаметре, который определяется диаметром термоинструмента. Чистая скорость термического бурения в породах, склонных к хрупкому шелушению 4—25 м/ч. Достоинство термического бурения — возможность расширения в любой части скважины до 300—500 мм, для этого термоинструмент протягивается на заданном участке предварительно пробуренной скважины со скоростью 10—20 м/ч. обычно по схеме «снизу—вверх». термическое бурение применяется только на открытых горных работах из-за наличия в газовых струях высокотоксичных и ядовитых газов (CO, окислы азота и т. д.). При разработке промышленных плазмобуров с использованием в качестве плазмообразующего газа водяного пара (что обеспечивает их работу без выхода вредных газов) не исключена возможность применения термическое бурение и в подземных условиях.

Совершенствование термическое бурение может быть достигнуто благодаря использованию комбинаций различных видов физических воздействий (механическое, ультразвуковое и т. д.) с тепловым, что позволяет увеличить термодинамические параметры газовых струй и уменьшить температуру хрупкого шелушения.

При ультразвуковом бурении разрушение породы происходит в основном за счет внедрения зерен абразива (карбид бора, окись алюминия, карбид кремния) под действием ультразвуковых колебаний, сообщаемых им рабочим инструментом (металлической трубкой). Колебательные движения инструмента с ультразвуковой частотой 20 000 гц при незначительной их амплитуде осуществляются-с помощью магнитострикционных или электрострикционных материалов и специальных концентраторов конической формы. В зону контакта инструмента с породой подается водная суспензия абразивов. Достигнутая скорость ультразвукового бурения на данном этапе его развития составляет 2— 4 мм/мин. Наиболее эффективно оно будет в сочетании с другими способами.

Электрогидравлическое бурение осуществляется электрическими разрядами, создаваемыми в воде между двумя электродами, расположенными на определенном расстоянии друг от друга. При подаче на электроды достаточно высокого напряжения (30—80 кв) происходит пробой межэлектродного промежутка с образованием газового канала в месте пробоя. Избыточное давление при этом достигает 6000 — 15 000 кгс/см². Разрушение породы происходит в основном первичной ударной волной.

Электрогидравлический бур выполнен в виде центрального и трубчатого электродов. На торце последнего имеются выступы, последовательно выполняющие роль контактов искрового промежутка. Расстояние между выступами должно обеспечить полное разрушение породы между двумя последовательными разрядами.

Электроимпульсное бурение, основано на разрушении горной породы мощным электрическим разрядом (пробоем) высокого напряжения (до 200 кв), происходящим в приповерхностной зоне забоя скважины, заполненной жидким диэлектриком (масло, дизельное топливо). Разработан в конце 60-х гг. 20 в. в СССР (А. А. Воробьев и др.). Бур выполнен в виде кольцевого зубчатого и центрального электродов. При бурении электроды прижимаются к забою, а центральный электрод вращается, обеспечивая создание последовательных электрических импульсов-пробоев с определенной частотой по всей площади скважины. Горная порода разрушается за счёт напряжений, возникающих в ней при электрическом пробое. Удаление продуктов разрушения производится циркуляцией жидкого диэлектрика. Эффективность бурения не зависит от крепости пород и глубины скважины и определяется параметрами электрического пробоя и условиями удаления продуктов разрушения. Скорость бурения до 6-10 м/ч. Область применения - нисходящие скважины в плотных горных породах, обладающих высоким электрическим сопротивлением и не поглощающих циркулирующий в скважине жидкий диэлектрик.

Гидромеханический способ разрушения угля и горных пород основан на совместном использовании в исполнительных органах горных машин непрерывных струй воды и механического инструмента режущего или скалывающего действия.

Сущность способа заключается в том, что струя воды, ориентированная тем или иным путем относительно механического инструмента, обеспечивает главным образом снижение его нагруженности при взаимодействии с массивом.

Таким образом, отметим здесь только некоторые из основных преимуществ гидромеханического способа разрушения угля и слабых горных пород:

– повышение энерговооруженности выемочных машин без увеличения габаритов и массы, увеличение скорости их подачи более чем в 2 раза за счет уменьшения усилий резания на резцах в 1,5-1,8 раза (в отдельных случаях в 2-2,5 раза) и усилий перекатывания на дисковых шарошках в 1,5-2 раза; – снижение запыленности атмосферы забоя до уровней, не превышающих предельно допустимых концентраций; – o улучшение сортности добываемого угля.

Примером использования струй воды низкого давления в конструкциях проходческих комбайнов являются гидромеханические исполнительные органы, разработанные в Великобритании. Работа таких органов основана на разрушении породного массива резцами совместно со струями воды давлением около 4 МПа, направленными непосредственно в зону резания. Однако опыт применения проходческих комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами первой группы показал, что их работа характеризуется только небольшим снижением пылеобразования и более длительным сроком службы резцов.

И струи воды при среднем давлении можно отметить, что применение гидромеханических исполнительных органов со струями воды низкого и среднего давления хотя и уменьшает пылеобразование, но не обеспечивает повышение производительности по разрушению пород. С точки зрения эффективности разрушения горных пород наибольший интерес представляют рабочие органы проходческих комбайнов, в которых используют струи воды высокого давления в сочетании с механическим инструментом.

Так, например, фирмой "Вирт" (ФРГ) были проведены испытания тоннелепроходческого комбайна бурового действия TBI-260 с диаметром исполнительного органа 2,6 м, оснащенного дисковыми шарошками и струями воды высокого давления, при проведении выработки в песчаниках.

Струеформирующие насадки, расположенные как в линиях резания, так и между ними, создавали в массиве опережающие щели, нарушая сплошность и снижая его прочность. В качестве источника воды высокого давления использовали четыре гидромультипликатора, разработанные фирмой "Флоу Индастриз" (США) с давлением 300-400 МПа, расходом воды 120 л/мин и установочной мощностью 250 кВт. Результаты испытаний показали, что за счет использования струй воды высокого давления усилия резания и подачи снижаются по сравнению с разрушением механическим способом более чем на 50%, а темпы проведения выработки увеличиваются в 2 раза. При этом было пройдено 84,5 м и отмечено практически полное отсутствие пыли в забойном пространстве, улучшение эксплуатационных характеристик проходческого оборудования, уменьшение степени измельчения горной массы и устранение опасности искрообразования при трении шарошек о породу. Применение такого рабочего органа позволило снизить стоимость проходки на 30-50%. Фирмами "Роббинс" и "Флоу Рисерч" (США) создан и испытан проходческий комбайн с гидромеханическим исполнительным органом роторного типа. На вращающейся планшайбе диаметром 2 м располагали шарошки и 35 насадок из сапфира диаметром 0,25 мм.

Для создания высокоскоростных струй давлением 420 МПа использовали две параллельно работающие насосные установки мощностью по 360 кВт с повысителями давления. При испытаниях, проведенных на гранитах с пределом прочности на одноосное сжатие 235 МПа, скорость проходки увеличилась в 1,5-2 раза по сравнению с разрушением механическим способом.

В Японии разработан и испытан на породах с 100 МПа комбайн роторного типа с раздавливающими роликами и струями воды высокого давления. Достигнута скорость проведения тоннеля 60 м/сут по сравнению с 6 м/сут при буровзрывном способе, а производительность проходки увеличилась в 3-5 раз по сравнению с комбайновой проходкой без применения высоконапорных струй. Наряду с этим отмечали, что для комбайнов роторного типа сохраняются присущие им недостатки: чрезмерно большая масса, малая маневренность, необходимость создания большого напорного усилия, ограниченная область эффективного применения. В настоящее время наибольшее распространение получили проходческие комбайны избирательного действия, в конструкциях исполнительных органов которых используют струи воды высокого давления в сочетании с режущим инструментом. Эти машины имеют ряд преимуществ по сравнению с буровыми комбайнами, главными из которых являются их компактность, меньшая масса и маневренность.

Следует отметить, что, например, в Англии ежегодно проводят свыше 600 км подземных подготовительных выработок в основном с помощью комбайнов стреловидного типа, так как это наиболее выгодный способ проходки. В немалой степени использованию гидромеханического способа разрушения при конструировании исполнительных органов проходческих комбайнов способствует такая особенность струй воды высокого давления, как отсутствие реактивных сил на корпусе машины. Это позволяет сделать вывод о том, что для комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами можно использовать схему компоновки машины, оснащенной механическим инструментом.

На одной из шахт в США проведены испытания проходческого комбайна, гидромеханический исполнительный орган которого имел аксиальную резцовую коронку. Воду подавали перед коническими резцами "Кеннаметал"-У43НК с помощью насоса мощностью 112 кВт, обеспечивающего расход воды до 80 л/мин при давлении воды до 70 МПа. В процессе исследований было установлено, что применение струй воды высокого давления способствует повышению производительности комбайна при разрушении породы в 2 раза и снижению пылеобразования на 70%. В США и Великобритании были проведены стендовые и шахтные испытания опытных образцов проходческих стреловидных комбайнов типа Мк2А (фирма "Доско", Великобритания) и RH 22 (фирма "Андерсон Стратклайд", Великобритания). Исполнительные органы комбайнов были снабжены насадками для формирования струй воды высокого давления. Число насадок изменялось от 15 до 24, а подача воды составляла 0,7-1,25 м:!/мин. В качестве источника воды высокого давления (до 69 МПа) использовали мультипликатор, установленный на стреле, и многоступенчатый плунжерный насос, размещенный на раме комбайна. Испытания показали, что при разрушении пород с стсж = 165,5 МПа применение струй воды высокого давления способствует снижению расхода режущего инструмента в 3 раза, пылеобразования на 70%, удельного расхода энергии на 30% и увеличению скорости проходки на 50%. Успешные испытания позволили начать серийный выпуск проходческих комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами, стоимость которых за счет применения гидросистемы высокого давления (до 70 МПа) увеличивается всего на 15-25%. В настоящее время для ряда серийно выпускаемых проходческих машин фирмы "Доско" разрабатывают высоконапорные системы гидромеханического разрушения с давлением воды более 70 МПа. В 1988 г. были проведены стендовые испытания исполнительного органа комбайна Мк2А, оснащенного системой подачи воды давлением до 140 МПа к насадкам диаметром 0,6-1,5 мм от насоса мощностью 150 кВт. Разрушению подвергали блоки песчаника с апк = 58,9-113,2 МПа шириной 3 м и высотой 2 м. В результате исследований установлено, что применение струй воды увеличивает срок службы резцов, снижает пылеобразование и вибрацию исполнительного органа. В Японии в 1985-1986 гг. на шахте при проведении штрека площадью поперечного сечения 20 м² в сланцах с асж = 50-90 МПа фирма "Тайсей" (Япония) проводила испытания комбайна, исполнительный орган которого был оснащен 27 резцами и 24 насадками [173, 179]. Устройство для подачи воды обеспечивало расход 72 л/мин при давлении 70 МПа. Общая мощность комбайна составляла 336 кВт, мощность рабочего органа - 112 кВт. Результаты испытаний показали, что скорость проходки возрастает на 60%, а расход резцов снижается почти в 2 раза. Для проведения выработок по породам с осж до 70 МПа разработан комбайн RH-25 с гидромеханическим исполнительным органом. Дальнейшие разработки по совершенствованию комбайна привели к созданию моделей RH-90 и RH25L. Подобные работы осуществляют и в нашей стране.

Для повышения эффективности разрушения крепких горных пород в ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Скочинского разработали экспериментальный образец гидромеханического исполнительного органа для комбайна ПК.-ЗМ [69, 104]. Исполнительный орган представляет собой коронку с внутренними каналами для подвода воды высокого давления к струеформирующим устройствам с элементами синхронизации, которые позволяют регулировать подачу воды в зависимости от усилий, действующих на резцы. Дальнейшие работы в этом направлении привели к созданию экспериментального образца исполнительного органа проходческого комбайна К.П-25, разработанного совместно со специалистами ЦНИИПодземмаша, конструкция которого предусматривает подвод высоконапорной воды к струеформирующим насадкам. Испытания, проведенные на полноразмерном комбайновом стенде Скуратовского экспериментального завода, позволили установить, что использование струй воды в проходческих комбайнах технически осуществимо и экономически целесообразно. В целом проведенные в России и за рубежом испытания гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов и опыт их эксплуатации позволили установить эффективность и перспективность гидромеханического способа разрушения и выделить следующие его основные преимущества: – расширение области применения проходческих комбайнов на более прочные породы (стсж до 160-235 МПа);– снижение усилий резания и подачи на 40-60% и на 60- 70% соответственно– уменьшение крутящего момента и потребляемой мощности на рабочем органе в 1,3-2,2 раза;– повышение скорости проходки в 1,5-5 раза без увеличения установленной мощности двигателя исполнительного органа;– уменьшение расхода механического инструмента в 2-6 раз;– увеличение производительности комбайна при работе по прочным породам в 1,7-2,2 раза при сохранении массы и габаритов машины;– уменьшение пылеобразования на 70-85% и искрообразова-ния на 90-100%;– снижение вибрации;– уменьшение расходов на проходку на 30-50%.

Однако на пути широкого практического применения гидромеханического способа разрушения горных пород стоят серьезные технические проблемы.

1. Для эффективного ослабления забоя необходимо использовать струи воды с начальным давлением не ниже 80-100 МПа (необходимое значение начального давления имеет тенденцию к увеличению, ряд авторов называют "цифру" 200-400 МПа как минимальную) и расходом 3-6 л/мин на один резец. Следовательно, проходческий комбайн избирательного действия должен быть оснащен источником воды высокого давления (насосом) с рабочим давлением не ниже 100 МПа и расходом 5-10 м³/ч. Мощность такого насоса равна мощности привода исполнительного органа, а зачастую и превышает ее.

2. Высокая скорость воды на выходе из струе формирующего устройства обусловливает его значительный абразивный износ, причем стойкость насадки быстро уменьшается с увеличением начального давления. При давлении в 70-80 МПа твердосплавная насадка служит примерно 200 ч [64], а при давлении в 350 МПа - всего 3-4 ч. Стойкость сапфировых и алмазных насадок в 4-5 раз выше, но в связи с высокой сложностью обработки сапфировых и алмазных заготовок приходится применять не лучшую форму насадки.

3. Наличие в воде абразивных частиц резко ухудшает стойкость насадки, поэтому предъявляют строгие требования к системе очистки воды. Тонкость фильтрации должна составлять не более 0,5 мкм, что связано с использованием громоздкого оборудования, размеры которого значительно превышают размеры насосного агрегата.

4. Большую трудность представляет канализация воды по проходческому комбайну и подвод ее к рабочему органу и резцам. По экономическим соображениям потери давления не должны превышать 10-15%, что приводит к большим условным проходам трубопроводов (в том числе гибких рукавов) и различной арматуры.

В настоящее время не существует серийно выпускаемых рукавов и арматуры на рабочее давление более 200 МПа. В России подобное оборудование выпускают только на давление 80-100 МПа. Подвод воды к рабочему органу осуществляют с помощью вращающихся уплотнений (гидросъемников), стойкость которых в большой степени зависит от давления воды. Так, например, при давлении 70 МПа достигнута стойкость 400 ч, а при давлении 350 МПа - только 2 ч.

Все это осложняет широкое распространение гидромеханического способа разрушения и заставляет не только преодолевать возникающие технические трудности, но и совершенствовать его.