Общие сведения
Экономичность бурения в горном деле и строительстве подземных сооружений зависит в первую очередь от стойкости лезвия бура, которое при длительной эксплуатации подвергается высоким изнашивающим нагрузкам. В связи с этим вскоре после внедрения твердых сплавов в технологию резания были сделаны попытки их применения и в горном деле для бурения соли, угля, минералов и различных горных пород. Сначала результаты были не совсем удовлетворительными из-за хрупкости применявшихся в то время твердых сплавов, в особенности литых. Лишь с появлением вязких твердых сплавов типа WC— —Со, содержащих 6—15% Со, открылись большие возможности их применения в горном деле [142, 143, 152—169].
Необходимые в горном деле и при строительстве подземных сооружений буровые скважины могут быть выполнены вращательным или ударным бурением. Каменноугольные же пласты в ряде случаев разрабатывают врубами.
При вращательном бурении и врубовых работах резцы должны иметь высокую износостойкость, а вязкость, достаточную лишь для того, чтобы не ломаться при возникающих нагрузках. При ударном бурении наряду с хорошей износостойкостью требуется очень высокая вязкость, так как в этом случае режущие кромки работают при значительной ударной нагрузке и под сильным давлением. Вначале при вращательном бурении работали с твердыми сплавами, содержащими 5—6% Со, а при ударном бурении использовали сплавы с 8—15% Со (предпочтительно 9—11% Со).
В результате разработки оптимальных конструкций твердосплавных буров и врубовых зубков очень быстро удалось добиться при вращательном бурении и врубовых работах значительно большей производительности, чем при применении стальных инструментов. В ударном бурении развитие проходило медленнее. Лишь в последние годы ясно выявилось, что применение новых, особо вязких твердых сплавов и усовершенствованных методов напайки делает твердосплавные буры более экономичными, чем стальные.
Используемые в горном деле и строительстве подземных сооружений твердосплавные инструменты можно разделить по методам их изготовления на две группы:
1. Инструменты с напаянными твердосплавными пластинками или фасонными деталями, например буровые коронки для угля и калийных солей, врубовые зубки, врубовые коронки, ударные буры и полые буровые коронки.
2. Инструменты с наваренными с помощью легкоплавких сплавов пластинками правильной или неправильной формы из металлокерамического твердого сплава или литого карбида вольфрама, например, крупногабаритные буры для глубокого бурения — долота типа «рыбий хвост», коронки для вращательного бурения типа «рота – ри», кольцевые буровые коронки и т. д.
Далее в тексте описание отдельных разновидностей бурового инструмента будет производиться не по методам изготовления, а по областям применения: инструменты для вращательного бурения и инструменты для ударного бурения.
Инструменты для вращательного бурения и врубовых машин
Инструменты для бурения калийных солей и угля
Головки вращательных буров, армированные твердыми сплавами, нашли широкое применение для бурения шпуров в породах, содержащих соли различного состава, минералах и угле [142, 143, 154, 156, 157, 160, 163, 164, 166, 170—174]. Решающее значение для повышения производительности при вращательном бурении минералов и угля при прочих равных условиях имеет форма лезвия.. Так, Винтер[22] исследовал 24 различных твердосплавных лезвия при бурении кизеритовых и лонгбайнитовых пород. При бурении кизеритовой породы (450 об/мин, подача 1,34 мIмин) число пройденных метров между двумя заточками колебалось в зависимости от формы лезвия в. пределах 142—170, а лонгбайнитовой соли — в пределах 41 —142. Наиболее высокопроизводительный бур имел однопластинчатое лезвие с двумя режущими кромками, одной по окружности и другой на небольшом расстоянии от сердцевины. В связи с этим обе передние грани бура имели неодинаковую длину. Точно так же буры с цельными и разъемными резцами имели в среднем достаточную производительность. Буры с двумя пластинками, дающие хорошие результаты при бурении угля, в этом случае себя не оправдали. Это объясняется, по-видимому, тем, что в средней части шпура образовывался большой керн, который не разрушался. Поэтому внутренние стороны твердосплавных пластинок оказывались сильно истертыми и быстро выходили из строя.
По данным работы [175], производительность твердосплавных буров при бурении солей разной твердости превышает в 10—50 раз производительность буров из быстрорежущей стали.
При вращательном бурении угля соотношение по производительности то же, что и при бурении солей. Здесь также решающую роль играет конструкция лезвия [176, 177]. Согласно работе [178], наиболее оптимальным является двухперое сверло. При этом обе твердосплавные пластинки запаивают в соответствующий паз державки. Иногда для бурения очень твердых углей применяют также трехперые сверла; среднее перо при этом располагают выше остальных или же эксцентрично. Инструмент при этом скорее является дробящим, чем режущим, что при бурении угля, несомненно, лучше.
Согласно Беккеру [143], как при разработке калийных солей, так и при бурении угля необходима тщательная заточка инструмента, соблюдение правильных углов при переточке. Размеры углов, разумеется, не бывают одинаковыми и изменяются в зависимости от формы лезвия. Задний угол может составлять от 5 до 32°, передний угол до 130°, угол заострения 45—80°. У стальных лезвий соответствующие углы несколько острее. Дать какие-либо точные общие указания относительно размеров углов трудно, так как они сильно колеблются в зависимости от формы лезвия.
Заточка буровых коронок с твердосплавными пластинками должна производиться более тщательно, чем заточка лезвий из быстрорежущей стали. Как и при заточке специальных инструментов, нужно правильно выбирать шлифовальные круги и скорость их вращения. Проверять размер угла резания лучше всего с помощью шаблона. Стоимость заточки твердосплавного горного инструмента обычно в 2—3 раза больше стоимости заточки бура из быстрорежущей стали. Это компенсируется, однако, значительно большим числом пробуренных метров между двумя переточками.
Наименьший естественный износ имеет инструмент со сплошным лезвием, так как при этом работает вся режущая поверхность. У буровых коронок с отдельными лезвиями, напротив, работают только части лезвий; таким образом, общее усилие бурения оказывается сосредоточенным на значительно меньшей поверхности. В результате получается больший износ. Как правило, при бурении коронками с твердосплавными лезвиями износ невелик, но в то же время много материала теряется при заточке. Соотношение между потерями обоих видов, разумеется, зависит от формы лезвия. В среднем потери материала при заточке примерно в десять раз выше потерь, полученных в результате нормального износа при бурении. При работе с лезвиями из быстрорежущей стали соотношение обратное.
В каждом конкретном случае при вращательном бурении следует применять соответствующую форму лезвия. Так, при разработке калийных солей предпочтительными являются, по-видимому, однопластинчатые лезвия, а при бурении по углю и по породам — двухпластинча – тые и много пластинчатые [154, 157, 160, 163, 166, 170, 171, 176,177,179—181]. На рис. 41 показаны наиболее употребительные формы буров для разработки калийных солей и угольных пластов. В обоих случаях эксцентрично расположенные лезвия обеспечивают, по-видимому, наилучшие результаты, так как между ними распределяется усилие бурения и работа происходит частично режущим и частично дробящим образом. Подобные резцы двустороннего действия можно нагружать особенно сильно, в то время как лезвия режущего действия пригодны только при относительно малой подаче. При выборе скорости проходки с помощью приведенных ниже данных необходимо также принимать во внимание мощность бурового.
Рис. 41. Буровые коронки, оснащенные твердыми сплавами
Стана, твердость породы, глубину проходки и подачу, а также экономическую сторону [182]. Для вращательного бурения пород действуют те же закономерности, что и для резания металлических материалов [172—174, 183,
Таким образом, армированные твердым сплавом буры имеют следующие преимущества при бурении калийных солей и угля:
Порода
Каменный уголь мягкий чистый. .
Каменный уголь твердый с примесями………….
Ш л
Твердые соли
Осадочные породы средней твердости
Осадочные породы большой твердости
Осадочные породы очень высокой твердости….
1 П
Вулканические породы основного характера…..
Jj ал Ii-Jj а…………………………………………..
Скорость проходки, м/ман
150—300
100—150 50—100 50—100 25—50
5—25
5—20
Вулканические породы кислотного характера….
1. Производительность твердосплавных буров (выраженная в пробуренных метрах) в 10 раз выше производительности буров из быстрорежущей стали при бурении угля и примерно в 5 раз больше при бурении твердых каменных солей, богатых кизеритом. Особенно велико различие в производительности при бурении лонгбайнито – вых твердых каменных солей. При этом буры из быстрорежущей стали сохраняют острую кромку только на протяжении первых нескольких сантиметров: твердосплавные же буры пробуривают без переточки 50 м, а в благоприятных случаях 142 м.
2. В то время как при бурении быстрорежущей сталью приходится довольствоваться подачами 400— 800 мм/мин, при использовании твердосплавных лезвий подачу MOiKHO беспрепятственно увеличивать до 1400 мм /мин и более.
3. Твердосплавные лезвия вследствие их большей стойкости не требуют таких частых переточек, как лезвия из быстрорежущей стали.
4. Благодаря более высокой стойкости твердосплавных лезвий усилие бурения остается равномерным и низким, что дает значительную экономию электроэнергии.
5. В результате лучшего режущего действия буровая мелочь получается более крупнозернистой и, следовательно, образуется меньше угольной и минеральной пыли.
Кольцевые буровые коронки
Для бурения скважин крупного диаметра в угле или горных породах, а также для разведочного и глубокого бурения ранее применяли алмазные коронки. Сравнительно большое количество требующихся алмазов являлось причиной высокой себестоимости изготовления коронок. Кроме того, при бурении в трещиноватой породе алмазы могут выкрашиваться и даже теряться. В связи с этим начали заменять алмазы во вставках и зубьях кольцевых буровых кооонок твердыми сплавами [160, 166, 179, 185, 186].
Твердые сплавы, хотя и не вытеснили полностью алмазы и алмазнометаллические сплавы при «глубоком бурении», но во многих случаях заменяют их.
В коронки наружным диаметром от 40 до 230 мм и больше впаивают круглые, шестигранные или восьмигранные буровые вставки или особой формы зубья.
Буровые вставки, величина которых соответствует диаметру коронки, попеременно вставляют по внутреннему
Рис. 42. Твердосплавные пластинки для оснащения буров
Рис. 43. Кольцевые коронки, армированные твердосплавными пластинками
И наружному диаметру так, что они «взаимно пересекаются». Для бурения особо изнашивающих пород буровую коронку армируют еще и боковыми вставками для сохранения калибра. Интересно отметить, что твердосплавными буровыми коронками удается без труда сверлить даже железобетон. Число буровых вставок зависит от диаметра буровой коронки, а также от характера торной породы. На рис. 42 показаны различные твердосплавные буровые вставки и зубья, а на рис. 43 — армированные кольцевые буровые коронки.
Кроме напайки вставок и зубьев, кольцевые буровые коронки можно армировать путем наварки пластинок из металлокерамического или литого твердого сплава, как и при армировании крупногабаритных инструментов для глубокого бурения (долота типа «рыбий хвост» и др.).
Буры для бурения крупных скважин
Для бурения крупных и глубоких скважин от 80 до 400 мм в угле, руде и породах всех видов, вентиляционных, дегазационных и дренажных (отводящих воду) отверстий и, наконец, для бурения врубовых скважин при проходке штрека в последнее время применяют способ безкернового пробуривания [157, 160, 163, 166, 187—194]. Для безкернового пробуривания применяют буровые станы мощностью от 9 до 30 л. с. с крупными, армированными твердыми сплавами, коронками вращательного бурения, ступенчатыми бурами и ступенчато-спиральными буровыми коронками. Последние сконструированы таким образом, что лезвия для переточки можно вынимать из головки по одному. Экономичность пробуривания крупных скважин по сравнению с проходкой указанных выемок старым способом бурения и взрывами очевидна.
Буры для ударно-поворотного бурения
Перфораторы, называемые также вибробурами или бурами ударно-поворотного бурения, представляют собою сочетание вращательных и ударных буров. В последние годы их с успехом применяют для пробуривания сравнительно глубоких и большого диаметра взрывных скважин в породах всех видов [157, 160, 163, 164, 195— 199].
Для ударно-поворотного бурения требуются буровые каретки и соответствующие станки. Армированная твердым сплавом буровая коронка подходит по своей форме для комбинированного вращательного и ударного действия (рис. 44). Успешное применение перфораторов в настоящее время является многообещающим в технологическом отношении.
Рис. 44. Бур ударно-поворотного бурения
Инструменты для врубовых машин
При разработке врубовыми машинами углей значительной твердости, например углей с включением железного или серного колчедана, к инструменту предъявляют наиболее высокие требования. Ранее в качестве материала для инструмента использовали улучшенные хромо – вольфрамовые стали. Затупившиеся лезвия приходилось наваривать, повторно затачивать и вновь подвергать термической обработке. Сталь со временем охрупчивалась и становилась чувствительной к ударам.
Рис. 45. Твердосплавные врубовые зубки
У армированного твердым сплавом инструмента для врубовых машин самой различной формы (резцы, скребковые ножи и т. д.) этих недостатков нет. Затупившиеся резцы требуют только переточки, после чего инструмент вновь пригоден для работы [154, 160, 166].
Твердосплавный зубок обычного типа для врубовой машины состоит из державки, изготовленной из вязкой и высоко! точной хромоникелевольфрамовой стали с пределом прочности при растяжении около 150 кГ/мм2, и твердосплавных вставок лучше всего в виде простых штифтов цилиндрической формы. Для припаивания используют бронзовые, латунные или серебряные припои с точкой плавления ниже 850° С с тем, чтобы температура нагрева штанги под закалку и, температура пайки соответствовали друг другу. Твердосплавные вставки обычно диаметром 10 мм впаивают в углубление державки, используя высокочастотный индукционный нагрев. Таким путем достигается тугая посадка вставки, что устраняет возможность выдавливания вставки вследствие действия бокового напряжения при эксплуатации инструмента. Головки зубков иногда слегка согнуты. На рис. 45 показаны зубки, армированные твердым сплавом.
На производительность врубовых инструментов, разумеется, сильно влияет форма лезвия.
Меике [200] исследовал многочисленные формы лезвий и сопоставил производительность твердосплавных зубков с производительностью обычных стальных зубков и стеллитовых инструментов. Стальной зубок притупился после 22,3 м, стеллитовый — после 68 м и твердосплавный — только после 270 м врубовой проходки. Суммарная производительность твердосплавного зубка составила в среднем 6000 врубометров. До полного износа комплекта из 24 штук со стальными долотами удалось подрубить только 756 ж2, со стеллитовыми 1423 м2 и с твердосплавными 7916 м2. Размеры зерен врубовой мелочи не различались.
Благодаря применению больших подач твердосплавные зубки позволяют достичь более высоких скоростей проходки, в особенности при использовании современных врубовых машин.
Таким образом, применение твердосплавных врубовых зубков имеет по сравнению со стальными зубками следующие преимущества:
1. Высокая суммарная производительность.
2. Высокая стойкость и, следовательно, менее частая переточка зубков.
3. Минимальный износ. Зубки можно перетачивать до 20 раз, что уменьшает их износ на 1 т подрубленного угля.
4. Меньшая продолжительность зарубки вследствие большей скорости подачи даже при проходке наиболее твердого угля.
5. Меньшие издержки производства вследствие экономии материала, сжатого воздуха и энергии, меньшая изнашиваемость врубовых машин в результате плавного и спокойного хода.
Инструменты для ударного бурения
Долота для ударного бурения с твердосплавными пластинками
В то время как уголь, соли и мягкие горные породы бурят вращательными бурами или кольцевыми буровыми коронками, бурение шпуров и всякого рода скважин в горных породах средней и высокой твердости производят ударным методом. Этот способ бурения применим также при всякого рода скальных работах, при проходке туннелей, разработке руд и других работах в области глубокого бурения [154, 156—161, 163, 164, 169, 198, 201—211].
При ударном бурении режущая кромка в результате каждого удара молотка уходит в зависимости от сопротивления породы более или менее глубоко в структуру горной породы, производя отчасти сминающее и отчасти скалывающее действие. При каждом следующем ударе лезвие вследствие перемещения бура уходит на доли миллиметра от места предыдущего удара. При этом отделяются находящиеся между двумя зарубками частицы породы. Кроме того, частично порода дробится из-за того, что ударная нагрузка превышает предел прочности породы [208, 212—216]. Отделившиеся частицы породы нужно как можно скорее удалить с лезвия во избежание его чрезмерного износа. Удаляют их обычно водой, которую подают через канавки, имеющиеся на окружности коронки. Это, разумеется, значительно уменьшает окружную поверхность, что сказывается на увеличении износа по диаметру. В настоящее время сконструированы головки буров без канавок на окружности с отводом бурового шлама через внутренние сливные каналы.
Скорость прохождения при ударном бурении зависит в первую очередь от твердости породы, ее предела прочности при сжатии или же от породообразования. Твердость горных пород чаще всего испытывают по Шору. Величины твердости колеблются в широких пределах. Ниже приведены литературные данные о твердости различных горных пород [203, 214, 215]:
Порода
Гипс……………………
Мергель. . . ¦ . Глинистый сланец Песчаный сланец. Песчаник. . . .
Твердость (по Шору)
18 22—28 До 35 » 70 70-90
Порода
Гранит…………………
Гнейс…………………..
Кварц…………………..
Конгломерат. . .
Твердость (по Шору)
70—90 80—100 90—100 80—100
На рис. 46 приведены данные висимости от твердости горных ет что твердосплавные лезвия значительно превосходят обычные стальные в особенности при бурении твердых горных пород и пород средней твердости [217]. При этом крестообразное твердосплавное лезвие обладает более высокой производительностью, чем од – нодолотчатое.
При бурении мягких пород твердосплавные долота не всегда экономичны, так как в этих случаях износ стального долота также невелик. Кроме того, угол резания у стального долота может быть меньше, чем у твердосплавного, что благоприятно влияет на скорость бурения. При ударном бурении мягких пород твердосплавными долотами буровая штанга часто ломается в результате усталости раньше, чем выходит из
О скорости бурения в за – пород. Из рис. 46 следу-
1 — сталь EB7. крестообразное лезвие, буровой молот AZ22;
2 — твердый сплав, простое лезвие, буровой молот АТ18;
Твердости пород по Шору
Рис. 46. Скорость ударного бурения пород различной твердости твердосплавными и стальными долотьями:
120 100 30 60 40 го
3 — твердый сплав, крестообразное лезвие, буровой молот ATfS
Строя твердосплавная пластина, износ которой в этом случае невелик. Зависимость производительности при
Бурении стальными и твердосплавными бурами от твердости породы приведена на рис. 47 [218].
При твердости горных пород ниже некоторой определенной величины, максимально допустимой для стальных инструментов, целесообразно пока еще и в настоящее время применять стальные буры.
ТВердость /юроды
Рис. 47. Зависимость скорости бурения от твердости породы (схема) :
I
! I
1 — стальной бур; 2 ~ твердосплавный бур
40 38 36 34 32 30 28 Диаметр иором/ш, лн
Рис. 48. Зависимость скорости ударного бурения твердосплавными бурами ог диаметра бура (буровой молоток АТ18, порода — песчаник):
1 — твердость по Шору 90—100; 2 — твердость по Шору 85—95
Как следует из рис. 48, скорость бурения зависит от диаметра бура. Поэтому нужно стремиться по возможности к меньшему конечному диаметру буровой скважины, который в свою очередь определяется размерами патрона взрывчатки [217]. При использовании стальных буров вследствие их высокого износа приходится начинать бурение буром значительно большего диаметра. Так, например, при бурении шпура глубиной 2,40 м и конечным диаметром около 30 мм нужно шесть стальных буров, диаметры которых уменьшаются ступенчато (от номера к номеру); при этом первый бур имеет головку диаметром 44 мм. В случае применения твердосплавных долот обходятся тремя бурами, а при наиболее благоприятных обстоятельствах — даже одним буром, исходный диаметр которого (32 мм) мало изменяется по мере проходки [219]. Таким образом, при бурении глубоких скважин в твердых горных породах твердосплавные долота имеют значительные преимущества. В этом случае не только выше производительность бурения, но и требуется гораздо меньше буровых штанг и буровых долот, в результате чего экономятся средства на транспортировку этих инструментов к рабочему месту.
Недостатком твердосплавных долот по сравнению со стальными является большая хрупкость лезвий и опасность их поломки при неудачном выборе марки твердого сплава, неправильной форме лезвия, применении слишком тяжелого бур ильного, молотка и т. п.
Длительные неудачи с твердосплавными долотами для ударного бурения в период до 1938 г. отчасти объясняются недостаточной ударной вязкостью применявшихся твердых сплавов и использованием бурильных молотков, не рассчитанных на твердые сплавы. Для ударных буров, армированных твердыми сплавами, необходимо применять более легкие бурильные молотки, чем для стальных буров. Для того чтобы добиться при этом той же производительности молотка (произведение силы удара на число ударов), необходимо увеличить число ударов и уменьшить их силу, т. е. применить молотки с коротким ходом и умеренной силой удара. Только взаимное согласование всех применяемых элементов перфоратора, состава твердого сплава и буровых штанг, а также тщательное изготовление и надлежащая напайка инструментов в особых случаях привели к успеху. В настоящее время твердосплавные ударные буры при бурении горных пород незаменимы [219—223].
145
В ходе развития ударного бурения твердыми сплавами испытывали самые различные формы головки бура — однодолотчатое, двухдолотчатое и крестовое лезвия, лезвия типа X, лезвия типа Y и различные другие формы [160, 202, 203, 223—229]. Применяя сложные формы лезвий, стремились получить высокую эффективность разрушения породы. Теоретически лучше всего должны работать те лезвия, которые наиболее равномерно обрабатывают забой буровой скважины. Практически при нерадиальном размещении лезвий получается равномерно однородный по крупности буровой шлам, что уменьшает расход энергии на бесполезную работу измельчения [201, 212, 213].
IO—699
Несмотря па многочисленные предложения по конструкции лезвий, практически можно использовать только лезвия простых форм (рис. 49), так как только такие лезвия могут быть без труда изготовлены даже в очень хорошо оборудованных цехах; кроме того, эти лезвия легко поддаются переточке [156—159, 161, 181, 219, 222, 230— 237].
Буровую коронку и штангу можно соединить двумя способами: либо применением съемной коронки, либо непосредственным впаиванием твердосплавных пластинок в соответственно оформленную головку буровой штанги. Съемную буровую головку соединяют со штангой бура посредством конуса с цилиндрической или специальной резьбой. Недостатком этого способа является то обстоятельство, что ударная работа молотка неполностью передается режущему лезвию. Проблему быстрого разъединения головки бура и штанги разрешили путем разработки практически удобных разъемных приспособлений. Однако применение съемных головок имеет неудобство: наименьший диаметр буровой скважины определяется резьбовым или конусным креплением с учетом уменьшения калибра головки при бурении вследствие износа. Поэтому при слишком малых диаметрах и съемной головке нельзя обеспечить безостановочного движения лезвия.
Рис. 49. Коронки с твердосплавными вставками для бурового инструмента
У буровых коронок с резьбовым креплением минимальный экономичный диаметр лезвия составляет примерно 38—40 мм, при конусном креплении он равен 36— 38 мм [219]. Лезвия малых диаметров можно экономично применять только в том случае, если они впаяны непосредственно в штангу бура. Подобная технология изготовления буров получила очень широкое распространение в Швеции [231, 232]. При применении 22-мм шестигранного бура можно уменьшить диаметр лезвия до 29 мм, учитывая его износ до конечного диаметра 26 мм. Так как скорость бурения обратно пропорциональна квадрату диаметра лезвия (рис. 50), можно значительно увеличить производительность. Изготовление таких буров требует большого опыта, в особенности по припаиванию лезвия к буровой штанге из легированной стали. Обращение же с ними очень простое. Здесь нет такого соединения (резьбы), которое могло бы быть причиной потери производительности и частых помех. Удачная форма коронки позволяет свободно поступать воде и беспрепятственно удаляться буровой мелочи. Облегчается также и извлечение бура. Однако в случае поломки буровой штанги весь бур выходит из строя. В то же время съемные буровые коронки часто сами выходят из строя при поломке резьбы. Другой недостаток жесткого соединения заключается в том, что с износом твердосплавной пластинки буровая штанга также становится непригодной для дальнейшего употребления вследствие усталости [181, 219, 238—242].
Вопрос о применении съемной коронки или цельного бура еще не вполне разрешен. В последнее время, однако, преобладает явная тенденция в пользу применения цельного бура [158].
Буровая мелочь при ударном бурении отводится чаще всего с помощью воды, которую подводят к месту бурения через отверстия и канавки в головке бура. Давление промывной воды оказывает при этом известное влияние на производительность бурения [243, 244]. Буровой шлам удаляют через сточные канавки. Если созданы условия предотвращения заболеванием силикозом, можно производить бурение и всухую, при этом буровой штанге, армированной твердосплавной пластинкой, придают спиральную форму [245].
10*
147
Решающим фактором повышения производительности при ударном бурении твердосплавным буром является качество твердого сплава. Пластинки нужно использовать до полного износа и не допускать преждевременного выхода их из строя из-за трещинообразования или выкрашивания. В соответствии с этим требуются пластичные и выдерживающие ударную нагрузку марки сплавов [48, 156, 159, 222, 246—248]. Для ударного бурения в настоящее время применяют в основном пластинки из твердых сплавов типа WC—Со с 6—15% Со. При этом более пластичные твердые сплавы, т. е. сплавы с повышенным содержанием кобальта, предназначены для особо тяжелых условий работы — бурения максимально твердых трещиноватых горных пород тяжелыми бурильными молотками (см. выше). Соответственным образом изменяя микроструктуру, можно придать требуемую износостойкость и этим сплавам. В настоящее время при ударном бурении используют [222] следующие четыре сплава типа WC—Со:
1. Сплавы, содержащие—6% Со. Эти сплавы применяют для легких молотков с работой удара, равной ~1,5 кГм.
2. Сплавы с 7,5—9% Со. Особенно распространены в Германии[23] и предназначены для применяющихся там обычно буровых молотков с работой удара 4 кГ • м. Эти сплавы, если учесть их большую производительность по сравнению с высококобальтовыми твердыми сплавами, особенно пригодны для бурения гомогенных горных пород при надлежащем надзоре за буровыми работами.
3. Сплавы с 11 —12% Со. Наиболее применимы и в настоящее время. Предназначены для бурения по твердым породам там, где возможности надзора ограничены, т. е. прежде всего на мелких рудниках.
4. Сплавы примерно с 15% Со. По последним данным, вопрос о применении этих сплавов может возникать при использовании тяжелых буровых молотков. Прежнюю точку зрения, что для твердосплавпых буров ударного бурения пригодны только легкие и быстроходные молотки, в настоящее время в связи с разработкой пластичных и устойчивых в отношении ударных нагрузок сплавов нельзя считать абсолютно правильной. При работе с молотками, например, массой 50 кг с указанными марками твердых сплавов можно обеспечить вдвое большую производительность, чем при применении обычных легких молотков массой около 18 кг. Применяя соответствующую технологию изготовления, этим сплавам можно придать такую высокую износостойкость, что их износ, в особенности по диаметру, в условиях эксплуатации оказывается совсем незначительным.
Кёльбль [167] рекомендует ограничить область применения твердых сплавов типа WC—Со в горном деле, учитывая ударное нагружение и в особенности значительное влияние размеров зерен WC на пластичность и износ буровых сплавов для ударного бурения с различным содержанием кобальта [169, 211, 248, 249]. Оптимальную производительность можно, во всяком случае, получить только при тщательно проведенной пайке.
Глубина буровой скважины при одинаковом затуплении лезвий заметно уменьшается с увеличением содержания кобальта в твердом сплаве следующим образом [222]:
Сплав
WC+7,5 «о Со………………………..
WC+11% Со (BKH) . . . . WC+15% Со (ВК15) . . . .
Сталь (сильное сплющивание) .
Толщина применяемых в настоящее время твердосплавных пластинок для оснащения буров ударного бурения составляет в большинстве случаев 8—9 мм, а их высота у радиуса 25 мм. От высоты пластинки зависит количество возможных переточек. При этом нужно принимать во внимание, что сталь для коронки или для буровой штанги имеет ограниченный срок службы вследствие явлений усталости. Таким образом, хотя большая высота пластинки и обеспечивает возможность более частых переточек, но это обстоятельство не может быть использовано из-за большого расхода стали.
В то время как у стальных лезвий угол резания составляет 75—100°, у твердосплавных лезвий этот угол в зависимости от пробуриваемой породы равен 95—110°. Некоторые изготовители рекомендуют даже 120°. Однако угол не должен быть слишком тупым, так как при этом может произойти перегрузка пластинки. Углы меньше 95° применять еще не рекомендуется, хотя это было бы желательно, так как производительность бурения при применении острых углов сильно возрастает (рис. 50), в особенности при бурении мягких пород [218, 219]. Здесь до сих пор еще стальные буры, допускающие малые углы резания, предпочтительнее твердосплавных.
Большое значение для производительности и срока службы твердосплавного ударного бура имеет радиус кривизны породоразрушающего лезвия. В настоящее время применяют радиус кривизны 55—120 мм. В тех случаях, когда имеется опасность поломки, радиус кривизны рекомендуется изменять в зависимости от диаметра бура. У меньших лезвий этот радиус должен быть соответственно меньше. Это особенно следует учитывать при переточке обработанных буров. Радиус кривизны
Должен быть примерно в два раза больше диаметра бура [222].
V.
ЪЗО Ч
I
А
1
1 I
1 — глинистый сланец; J?–мягкий гранит, песчаник средней твердости; 3 — твердый гранит; 4 — кварцит, пирит и другие породы высокой твердости
На рис. 51 показано, как влияют угол резания и радиус кривизны на физические процессы, происходящие при ударном бурении [208]. С увеличением твердости породы надрезно-скалывающий процесс все в большей мере приводит к разрушающему бурению. В связи с этим угол резания и радиус кривизны твердосплавного лезвия должны быть соответствующим образом подобраны.
75 90 105 120 135 Угол резон и я, гра а
Рис. 50. Зависимость скорости ударного бурения пород различной твердости от угла резания:
120° |
Г’OOnn |
XtX IW |
M Г’IOOnn |
ХЁХ 100° |
Ю Г–ISOtin |
/Ь, * 90° |
M Г-о» |
Рис. 51. Влнянпе формы лезвия твердосплавного бура на физические процессы при ударном бурении твердых и мягких пород
Само по себе лезвие никогда не должно быть остро заточено: нужно всегда предусматривать фаску 0,2— 0,5 мм, а в особо трудных случаях даже 1 мм. Целесообразно на периферии фаску делать меньше, чем в середине бура.
У
При изготовлении бура для ударного бурения твердосплавную пластинку впаивают в стальную державку с помощью медного или более легкоплавкого серебряного припоя [159, 241, 250]. Это требует известного навыка, так как напайка твердосплавных пластинок на высокопрочные легированные стали является сложной операцией. Стальное гнездо, паяльная фольга и твердосплавная пластинка должны быть тщательно смочены припоем. Наличие непропаянных мест неизбежно влечет за собой поломку даже наиболее вязких пластинок при ударном бурении.
При заточке твердосплавного бура необходимо соблюдать обычные меры предосторожности, хотя применяемые твердые сплавы не очень чувствительны к шлифованию. В большинстве случаев применяют заточные станки с соответствующими зажимными приспособлениями, особенно необходимыми для лезвий сложной конфигурации [156]. Не только при заточке новых, но и при переточке затупившихся долот нужно следить за тем, чтобы были выдержаны угол резания и радиус кривизны. При этом радиус кривизны должен быть несколько уменьшен соответственно износу по диаметру [251]. Угол резания проверяют угломером, а на лезвии до его посадки делают соответствующую фаску. Одподолотча – тая головка считается притуплённой в том случае, если образовавшееся на наружной режущей кромке затупление достигает ширины —4,5 мм. Степень притупления vb, т. е. ширина износа лезвия на расстоянии половины радиуса, не должна превышать 0,5—1 мм. Для измерения ширины износа разработаны простые приборы [252]. Поскольку твердосплавный бур можно применять только до тех пор, пока диаметр бурения еще достаточно велик, лезвие нужно стачивать преимущественно сверху и как можно меньше но окружности, не допуская исчезновения конуса, имеющегося на коронке. Если это произойдет, то инструмент заклинится. При этом в твердосплавной пластинке легко могут образоваться трещины.
Как уже упоминалось, вначале для ударного бурения твердыми сплавами требовались молотки несколько меньшей массы, чем при бурении стальными бурами [156, 158—160, 201, 208, 217, 219, 231, 232, 243, 244, 251—256]. Чтобы добиться соответствующей производительности, нужно было, несколько уменьшив силу удара, увеличить
Число ударов. Так, например, буровой молоток, применяющийся обычно для ударного бурения твердыми сплавами, должен обладать следующими расчетными данными:
TOC \o «1-3» \h \z Средняя масса молотка, кг.. . 18,5
Число ударов в миауту…. 1850
Число оборотов в минуту. . . 200
Сила удара, кГ • м………………………………………………… ~3,5
Давление сжатого воздуха, атм. ~4—5
Расход воздуха, м5/мин…. 1,7
Новые вязкие твердые сплавы позволяют применять при ударном бурении молотки значительно большей массы (28 кг и более), а также тяжелые ударные перфораторы. Поскольку твердосплавные лезвия способны выдерживать более высокую ударную нагрузку, эти перфораторы при большем числе ударов молотка и более высоком давлении сжатого воздуха обеспечивают большую производительность [222, 231, 232]. В будущем, вероятно, будут применять молотки массой 16—28 кГ [219].
О более высокой производительности твердосплавных ударных буров по сравнению со стальными сообщается во многих работах [201, 208, 217, 219, 222—224, 244, 245, 253, 254, 257—259]. Сопоставить данные этих работ между собой трудно, так как они сильно зависят в каждом отдельном случае от свойств пробуренных горных пород. Кроме того, с теоретической точки зрения еще не вполне ясна взаимосвязь различных факторов, влияющих на результаты ударного бурения.
В последнее время в результате многочисленных экспериментальных исследований оказалось возможным установить некоторые закономерности при ударном бурении [198, 209, 260]. Перенесение данных этих исследований в область практического применения при бурении сталкивается, как и прежде, с затруднениями.
По данным фирмы Демаг [261], одно твердосплавное лезвие может заменить при бурении очень твердой породы восемь, твердой породы 20, породы средней твердости 50 стальных лезвий.
Согласно Штейнеру [219], эти данные для современных марок сплавов занижены. По его данным, одно лезвие из твердых сплавов в состоянии заменить при бурении пород наивысшей твердости 15—20, твердых пород 20—50, пород средней твердости 50—150 и мягких пород свыше 150 стальных лезвий. Так, при опытном бурении гранита это соотношение составляло 1 :32, а для твердого доломита примерно 1 :200. При этом в данных условиях работы происходили усталостные поломки буровых штанг. Теоретически возможное соотношение здесь могло достигнуть даже 1 : 300—1 : 400 [219].
Итоговые данные, характеризующие зависимость между твердостью породы, износом по диаметру, производительностью бура и его сроком службы при ударном бурении твердосплавными бурами в сопоставлении со стальными, приведены в табл. 49 [223]. Новые данные, основанные на опытном бурении с использованием различных буровых молотков, приведены в работах [208 и 262].
Таблица 49
Износ по диаметру, стойкость и производительность стальных и твердосплавных ударных буров
Порода |
Износ (мм) на 1 м пробуренной скважины |
Производительность бурения до переточки, M |
Увеличение стойкости буров из |
||
Сталь |
Твердый сплав |
Сталь |
I твердый сплав |
Твердого сплава по сравнению со сталью |
|
Кварцевая руда …. |
7,0 |
0,07 |
0,09— 0,13 0,2— 0,25 0,6—0,9 |
3 |
В 23—33 раза |
Песчаник………………………….. Песчаный сланец. . . |
7,0 3,0 |
0,06 0,02 |
6—8 25 |
» 30—32 » » 28—40 раз |
|
Глинистым сланец. . |
1,8 |