Колонковый перфоратор (стр. 3 из 4)
При проходке тоннелей, при высоте выработки больше 3 м широко использовались многоярусные помосты, рамные каретки на рельсовом ходу, подаваемые к забою с уже установленными и закрепленными на них перфораторами. На каретке все бурильные машины крепились с расчетом бурения серии горизонтальных параллельных друг другу шпуров.
В тоннельной практике начала первой половины ХХ века фирмы не специализировались на серийном изготовлении кареток. Они изготавливались по индивидуальным заказам (проектам) специально для проходки данного тоннеля, а часто делались в рудничных мастерских и, в общем, применялись редко.
Каретку, применявшуюся в выработке сечением 12 м2 в тридцатых годах ХХ века, более сложную по конструкции, чем первые тележки. Каретка перемещалась у забоя выработки по специальным путям с шириной колеи 3,34 м. Каркас каретки сварен из толстостенных труб диаметром 50 мм и укреплен на фермах фигурными цапфами так, что мог поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 900, освобождая основной рельсовый путь для прохода к забою погрузочной машины. На каретке в разных местах на семи горизонтальных поперечных балках расположены 36 тарельчатых захватов для крепления перфораторов в 16 местах их возможного положения, обеспечивая бурение различных комплектов шпуров. На каретке обычно устанавливали от 8 до 14 - 16 бурильных машин на автоподатчиках вибрационного типа, обслуживаемых 4 - 8 бурильщиками. На каретке монтировались коллекторы для труб сжатого воздуха. Для закрепления её в забое, кроме крепления за рельсы, применялись пневматические распорные колонки. На доставку каретки в забой тратилось 2 - 4 мин. При бурении с такой каретки в песчаниках чистая скорость составляла 23 см/мин (13,8 м/ч), а при бурении ручными перфораторами она была в пределах 8 - 12 см/мин (4,8 - 7,2 м/ч). Производительность бурения забоя в сланцах достигала 46,16 м/ч, а бурильщика - 11,5 м/ч.
В конце тридцатых и сороковых годах каретки стали конструировать и выпускать сериями различные фирмы.
Американская каретка Смелтон и Рифайн имела рельсовый ход и снабжена выдвижной консольной балкой, на конце которой монтировались колонки с держателями для перфораторов. Балка выдвигалась на 1,4 м. Каретка такой конструкции могла применяться в выработках сравнительно небольшого сечения (8 - 12 м2).
4. Буры и головки буров
Буры из углеродистой стали. Проблема совершенствования инструмента для бурения шпуров существовала всегда и особенно обострилась с увеличением мощности машин, силы удара на бур.
При применении буров из углеродистой стали для бурения шпуров в крепких породах расходовалось огромное количество буров.
При проведении выработок по крепким песчаникам в начале ХХ века на метр шпура расходовали от 11 до 23 буров, а на один шпур глубиной 0,4 м от 5 до 9 буров. При двухсменной работе забой такой выработки продвигали за месяц на 4 - 5 м из расчета в среднем 46 смен и до 92 выходов рабочих.
Чтобы уменьшить массу буров, регулярно доставляемых в забой и из забоя, увеличить стойкость буров и скорость бурения при традиционном использовании в горной промышленности США и Канады колонковых машин, там еще в двадцатых годах перешли на бурение съемными коронками из легированной стали. Уже было освоено производство твердого сплава "стеллит", изобретенного в 1907 г американцем Хайнес. В состав сплава входили кобальт, хром, вольфрам, кремний и др. Стеллит наплавлялся на рабочую поверхность резца.
Углеродистая сталь стала поступать на горные предприятия с содержанием углерода в пределах 0,7 - 0,95%, содержание марганца допускалось в ней в пределах 0,2 - 0,35%, для увеличения упругости буров в сталь добавлялся кремний в количестве 0,1 - 0,2% и не допускалось содержание фосфора и серы более 0,5%. Улучшилась, как он отмечает, обработка центрального канала бура, он стал более гладким. В американской практике диаметр центрального отверстия был принят 6,3 мм и 7,9 мм. Длина прутков стали для буров принята 6 - 8 м.
Большое внимание в этот период уделялось технологии заправки буров на специальных станках горячей ковки с последующими процессами закалки и отпуска металла головки и хвостовика буров, выбору рациональных параметров головки бура. Так, утверждается , что качественная закалка и заправка уменьшает затупляемость бура в 5 раз, а производительность бурения увеличивается почти в два раза .
С внедрением бурозаправочных станков (Рис. 5) была снижена острота проблемы заправки буров. При ручной заправке буров кузнец с подручным, имея в своем распоряжении горн, наковальню и ванну для закалки буров, заправляли за смену 60 - 100 буров. На бурозаправочном станке типа Лейнера фирмы Ингерсоль-Ранд в смену заправляли 250 - 350 буров.
Рис. 5.
Стандартной головкой считалась крестовая форма головки с углом приострения лезвий от 90 до 1050 в зависимости от крепости породы. Толщина пера лезвия рекомендовалась не менее 13 мм при диаметре штанги бура 22 - 25 мм и 16 мм при диаметре буровой стали 32 мм.
Съемные коронки в этот период применялись как крестовые, так и трехперые, долотчатые и даже шестиперые, а буровая сталь в сечении: круглая, гексагональная, ортогональная, крестообразная, от ⅞ до 1¼ in (от 22,2 до 31,75 мм) в диаметре.
Следующим крупным шагом решения проблемы совершенствования конструкции буров было применение карбидо-вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов.
Сплав Видиа наиболее успешно применялся при вращательном бурении. Отмечается, что в 1932 г. одной коронкой диаметром 200 - 300 мм, армированной таким сплавом, пробурили скважину по углю длиной 95 м.
3. Давление сжатого воздуха, подаваемого в перфоратор
Характеристика энергии сжатого воздуха, подаваемой для бурения шпуров в забой, в значительной степени влияют на производительность процесса бурения. От давления сжатого воздуха, подаваемого в забой, в прямой зависимости растет чистая скорость бурения перфоратором.
Первые конструкции перфораторов, получивших применение во второй половине Х1Х века, работали в основном на давлении сжатого воздуха до 5 атм. Упоминавшаяся нами выше одна из первых конструкций перфораторов Шумана работала на сжатом воздухе с рабочим давлением всего в 2 атм., что считалось одним из её преимуществ при эксплуатации.
Тем не менее, к концу Х1Х века уже ставился вопрос о бурении перфораторами с повышенным давлением сжатого воздуха, как одного из факторов увеличения чистой скорости бурения , но в то же время отмечалось, что подавать в забой сжатый воздух с повышенным давлением экономически не целесообразно.
В ХХ веке перфораторы изготавливались с расчетом подачи в них при бурении сжатого воздуха с давлением 5 атм.
Степень увеличения чистой скорости бурения ручным перфоратором коронкой диаметром 53 мм характеризуется следующими коэффициентами :
Давление сжатого воздуха у забоя, Н/м2*105 567891011
Относительный коэффициент скорости бурения 1,01,271,461,59 1,641,671,7
Скорость бурения колонковыми перфораторами также увеличивается в среднем в 1,5 раза с повышением давления сжатого воздуха у забоя с 5*105 до 7*105 Н/м2 (с 5 до 7 атм.).
Кроме увеличения чистой скорости бурения, при повышении давления сжатого воздуха снижается его расход на 1 м3 отбитой горной массы и удельный расход буровой стали, работа перфоратора характеризуется устойчивостью режима, резкими ритмичными ударами поршня, равномерным вращением бура.
Однако при имеющемся в тот период техническом оснащении с повышением давления сжатого воздуха у забоя выше 8 атм. наблюдались отрицательные стороны: перфораторы, шланги, буры при таком давлении не выдерживали длительной работы, машины быстро перегревались, буры ломались, шланги лопались. Увеличивался шум в забое и вибрации, отрицательно влияющие на организм человека.
Очевидно для перехода на бурение с давлением сжатого воздуха выше 8 атм. необходимо коренное переоборудование пневматического хозяйства, переход на более экономичные при высоком давлении компрессоры, высокопрочные трубопроводы и шланги, перфораторы, буры и коронки, рассчитанные на работу с высоким давлением сжатого воздуха. По существу для перехода на бурение с высокими параметрами сжатого воздуха необходимо создание новой технологии и производства оборудования. Поэтому, как считается в конце ХХ века, экономически оправданным повышение давления сжатого воздуха у забоя до 7 - 8 атм.
Технический прогресс в технологии проведения тоннелей и других горных выработок буровзрывным способом в крепких породах в Х1Х и ХХ столетиях практически целиком зависел от совершенствования бурения шпуров (скважин).
В результате совершенствования технических средств за все периоды развития технологии производитеьность бурильщика (оператора) возросла в сотни и тысячи раз.
Характерной особенностью в истории развития технологии является скачкообразное изменение отдельных параметров процесса бурения и, соответственно, его производительности.
Первый существенный скачок производительности бурения произошел в Х1Х века после изобретения и внедрения в практику поршневых перфораторов. В двадцатых годах ХХ века значительный скачкообразный рост параметров процесса бурения произошел за счет применения колонковых Лейнеровского типа перфораторов, съемных коронок бура и твердых сплавов, рамных и стреловидных кареток, а в конце 40-х годов - гидравлических кареток. В начале шестидесятых годов революционное изменение параметров процесса бурения произошло при внедрении в практику гидравлических перфораторов. Скачек чистой скорости бурения гранита характеризуется, в частности, увеличенм этого параметра с 0,6-0,8 до 1-1,2 м/мин, а вдальнейшем до 3-3,5 м/мин.