Спосіб обертального буріння шпуру

Спосіб обертального буріння шпуру, що включає буріння шпуру шляхом обертання виконавчого органа і подачі його на вибій шпуру та продовження буріння шпуру більшим діаметром, який відрізняється тим, що розширення діаметра шпуру здійснюють шляхом зміщення центра мас вико 3 неї швидко затухає. Це відбувається ще й тому, що сила відхилення майже не залежить в даному випадку від швидкості обертання виконавчого органу. Так на відстані кілька діаметрів бурової штанги зусилля відхилення зменшується в 1,5-2 рази, що зменшує ефективність розширення шпуру і призводить до невизначеності діаметру розширеної дільниці. Суттєві ознаки найближчого аналогу, які співпадають з ознаками об'єкту, що заявляється: 1. буріння шпуру малого діаметра шляхом обертання виконавчого органу і подачі його на вибій шпуру 2. продовження буріння шпуру більшим діаметром. Відомий бурильний пристрій з застосуванням штабу для буріння шпурів під анкери згідно публікації про патент в Сполучених Штатах Америки №US2002/0104681 A1 від 8 серпня 2002 року МПК Е21В21/00. Пристрій має бурильну штангу з буровою головкою для обертального буріння зі зменшеним діаметром та повздовжнім отвором для всмоктування штибу, який з'єднаний з нерухомою головкою для відводу штибу, причому бурова головка має виступ для забезпечення можливості розширення шпуру. Недоліком пристрою є неможливість розширення шпуру тільки на його глибинній ділянці, тому, що для розширення глибинної ділянки бурова головка має пройти через весь шпур включно і його устя. Отже розширення відбувається тільки по всій довжині шпуру. Це не дає можливість закріплювати анкери в глибинній розширеній частині шпуру і таким чином унеможливлює підвищення несучої спроможності анкеру. Найбільш близьким аналогом пристрою, який може бути використаним для реалізації способу, що заявляється є пристрій для обертального буріння шпурів згідно патенту України №12374, МПК E21В 10/26, опублікований 15.02.2006 у бюл. №2. Цей пристрій містить приводний шпиндель, бурову штангу, бурову коронку, розширюючий елемент у вигляді зигзагоподібного перехідника, що встановлено між приводним шпинделем та буровою штангою. Під час обертання приводного шпинделя зигзагоподібний перехідник геометрично відхиляє бурову штангу та бурову коронку від осі обертання, в результаті чого розширюється шпур на глибинній його ділянці. В розширеній частині шпуру закріплюють анкер, що підвищує його несучу спроможність. Недоліком пристрою є низька ефективність розширення глибинної частини шпуру бо використовується геометричний принцип відхилення. При такому принципі необхідне відхилення бурової штанги відбувається тільки напроти перехідника. Зі збільшенням відстані від перехідника величина відхилення зменшується, що зменшує ефективність розширення шпуру в глибинній його частині. Чим глибше шпур, тим нижче ефективність розширення, бо максимум відхилення реалізується навколо зигзагоподібного перехідника, а не навколо бурової коронки. Суттєві ознаки найближчого аналогу, які співпадають з ознаками об'єкту, що заявляється 1) приводний шпиндель, 90121 4 2) бурова штанга, 3) бурова коронка, 4) розширюючий елемент В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу обертального буріння шпуру та пристрою для його реалізації у якому за рахунок нових технологічних операцій та конструктивних елементів і їх зв'язків забезпечується збудження та використання відцентрової сили для процесу розширення глибинної частини шпуру, що дозволяє підвищити ефективність і надійність збільшення діаметру глибинної частини шпуру. При цьому ділянка шпуру, яка примикає до його устя залишається меншого діаметру. Це дає змогу підвищувати ефективність закріплення анкеру в розширеній частині шпуру. Поставлену задачу можливо досягти тим, що в відомому способі обертального буріння шпуру який включає буріння шпуру шляхом обертання виконавчого органу і подачі його на вибій шпуру та продовження буріння шпуру більшим діаметром згідно винаходу розширення діаметру шпуру здійснюють шляхом зміщення центра мас виконавчого органу відносно його осі обертання на ексцентриситет, що визначається згідно залежності 3 EJ m 2l3 де - величина зміщення центра мас виконавчого органу, х - величина відхилення передового кінця виконавчого органу від осі обертання, що дорівнює х=(Dб-dм)/2, де та dм є більший та менший діаметри шпуру відповідно, E - модуль пружності металу, з якого виготовлена бурова штанга, J - момент інерції бурової штанги, m - маса розширюючого елементу, - кругова швидкість обертання виконавчого органу, l - відстань від місця закріплення бурової штанги до бурової коронки. Пристрій для обертального буріння шпурів для реалізації способу, що містить приводний шпиндель, бурову штангу, бурову коронку, розширюючий елемент, в якому згідно винаходу розширюючий елемент виконаний зі зміщенням центру мас відносно осі обертання. Доцільно але не обов'язково в якості розширюючого елементу використовувати багатопірйову бурову коронку; причому бурова коронка має вставку з металу, питома вага якого відрізняється від питомої ваги металу бурової коронки. зокрема вставка виконана з вольфрамокобальтового сплаву; або вставка виконана з титанового сплаву; або одне чи кілька пір'їв бурової коронки відсутні; або корпус бурової коронки має отвір який розташовано ексцентрично до осі обертання; або корпус бурової коронки має виїмку, яку розташовано ексцентрично до осі обертання; або в якості розширюючого елементу використовується кінець бурової штанги довжиною 1-15 її діаметрів. причому кінець бурової штанги має вставку з металу, питома вага якого відрізняється від питомої ваги металу бурової штанги. 5 зокрема вставка виконана з вольфрамокобальтового сплаву. або вставка виконана з титанового сплаву. або кінець бурової штанги має отвір, який розташовано ексцентрично до осі обертання; або кінець бурової штанги має виїмку, яку розташовано ексцентрично до осі обертання; також в якості розширюючого елементу використовується насадка, що одягнута на кінець бурової штанги; причому насадка має зміщений центр мас відносно осі обертання бурової штанги; також насадка виконана з можливістю обертання навколо кінця бурової штанги і має фіксатор; причому в якості фіксатора використовується контргайка, або в якості фіксатора використовується гвинт. Зміщення центра мас виконавчого органу призводить до виникнення відцентрової сили, яка відхиляє виконавчий орган. Висока ефективність відхилення виконавчого органу обумовлюється двома перевагами, обумовленими фізичною, а не геометричною природою відхилення виконавчого органу. По-перше сила відхилення максимальна в точці зміщення центра мас, а цю точку легко розмістити безпосередньо у вибої шпуру. По-друге сила відхилення пропорційна квадрату швидкості обертання, та статичному моменту відхилення, величина якого пропорційна до дебалансу центра мас. Приклад виконання способу, який реалізується за рахунок пристрою, що заявляється ілюструється малюнками, де на фіг. 1 показано буріння шпуру малого діаметру за допомогою збалансованого виконавчого органу, центр мас якого співпадає з віссю обертання, а на фіг. 2 показано, як глибинна ділянка шпуру розширюється шляхом заміни збалансованого виконавчого органу на такий, центр мас якого зміщений відносно осі обертання. Спосіб виконується таким чином. Спочатку шпур 1 бурять шляхом обертання виконавчого органу 2 і подачі його на вибій 3 (фіг.1). Виконавчий орган 2 має збалансований центр мас 4 (вказаний зірочкою), положення якого співпадає з віссю обертання 5 (фіг.1). Потім при необхідності розширення глибинної ділянки шпуру буріння зупиняють, а виконавчий орган 2 міняють на такий, центр мас 4 якого зміщений від осі обертання 5 на ексцентриситет (фіг.2), що визначається згідно залежності 3 EJ m 2l3 де - величина зміщення центра мас 4 виконавчого органу 2, х - величина відхилення передового кінця виконавчого органу 2 від осі обертання 5, що дорівнює x=(Dб-dм)/2, де Dб та dм є більший та менший діаметри шпуру 1 відповідно, E - модуль пружності металу, з якого виготовлена бурова штанга 6, J - момент інерції бурової штанги 6, m - маса розширюючого елементу 7, - кругова швидкість обертання виконавчого органу 2, l - відстань від місця 8 закріплення бурової штанги 6 до центра зміщення мас 4. Потім шпур 1 продовжують бурити більшим ді 90121 6 аметром Dб (фіг.2.). Збільшення діаметру шпуру 1 відбувається за рахунок відхилення виконавчого органу 2 під дією відцентрової сили, що виникає за рахунок зміщення центру мас 4 відносно осі обертання 5. Величина зміщення центра мас визначається статичним моментом, який дорівнює зміщенню центра мас на величину маси, яка приймає участь у формуванні відцентрової сили. Наприклад, коли зміщують центр мас бурової коронки, статичний момент підраховується як добуток маси бурової коронки на величину зміщення центра її мас. Так при масі коронки 0,2кг і зміщенні центра мас на 4мм величина ексцентриситету зміщення центра мас становить 0,0008кгм. Величина відхилення х розширюючого елементу 7 залежить від відцентрової сили,жорсткості бурової штанги 6 та відстані між точкою закріплення бурової штанги (тобто шпинделем 8) та центром зміщення мас 4. Приклад виконання пристрою та опис принципів його роботи ілюструється малюнками, де на фіг.1 показано пристрій для обертального буріння шпурів, в якому центр мас бурового виконавчого органу співпадає з віссю обертання виконавчого органу. Установка знаходиться в стадії буріння шпуру малого діаметру в покрівлю гірничої виробки. На фіг.2 показаний пристрій для обертального буріння шпурів в стані коли виконавчий орган зі збалансованим центром мас замінено на буровий став, центр мас якого зміщено відносно осі обертання. При обертанні такого виконавчого органу збуджується відцентрова сила, яка відхиляє розширюючий елемент 7 і бурову коронку на ексцентриситет, в результаті чого виконується розширення діаметру шпуру. На фіг.3 показано бурову коронку, центр мас якої відхилений відносно осі обертання виконавчого органу завдяки вставці, питома вага якої відрізняється від питомої ваги металу, з якої виготовлена коронка. На фіг.4 зображена бурова коронка, центр мас якої відхилений відносно осі обертання виконавчого органу завдяки отворам, або виїмкам, що виконані на корпусі коронки. На фіг. 5 показано бурову коронку, центр мас якої відхилений відносно осі обертання виконавчого органу завдяки відсутності одного пера (позиція 10, показана пунктиром). На фіг. 6 зображено кінець бурової штанги, центр мас якого зміщено відносно осі обертання за допомогою вставки, що має питому вагу, яка відрізняється від питомої ваги металу, з якого виготовлено бурову штангу. На фіг. 7 показано вид такої бурової штанги з кінця (з торця, в який вставляють бурову коронку (на малюнку не зображена). На фіг. 8 показаний кінець бурової штанги, центр мас якого зміщено відносно осі обертання за рахунок отворів, що виконані на кінці бурової штанги довжиною 1-15 її діаметрів . На фіг. 9 показано вид такої бурової штанги з кінця (з торця). На фіг. 10 показано кінець бурової штанги, центр мас якої зміщено відносно осі обертання за рахунок виїмок, що виконані на кінці бурової штанги довжиною 1-15 її діаметрів. На фіг. 11 показано вид цієї штанги з кінця (з торця). На фіг. 12 показаний вид кінця бурової штанги з ексцентричною насадкою, а на фіг. 13 вид цього кінця з торця. 7 Пристрій для обертального буріння шпуру складається з приводного шпинделя 8 (фіг. 2), бурової штанги 6, бурової коронки 9 і розширюючого елементу 7, центр мас 4 якого зміщено відносно осі обертання 5. Як варіант в якості розширюючого елементу 7 використовують багатопірйову бурову коронку 9 (фіг.3), яка має два або більше пера 10 та 11, причому бурова коронка 9 має вставку 12 з металу, питома вага якого відрізняється від питомої ваги металу бурової коронки 9. Бурова коронка може мати вставку, що виконана з вольфрамокобальтового, або з титанового сплаву. Якщо вставка виконана з вольфрамо-кобальтового сплаву а бурова коронка зі сталі, центр мас зміщено в бік вставки. Навпаки, коли вставка виконана з титану, центр мас бурової коронки зміщується у протилежний бік від вставки. Одне ріжуче перо 10 (зображено пунктиром) бурової коронки 9 може бути відсутнє (фіг.5). Якщо бурова коронка має три пера, відсутні можуть бути два або одне перо. Корпус 13 бурової коронки 9 має отвір 14 який розташовано ексцентрично до осі обертання 5 (фіг. 4), або корпус 13 бурової коронки має виїмку 15, яку розташовано ексцентрично до осі обертання; В якості розширюючого елементу 7 використовується кінець 16 бурової штанги 6 довжиною 1-15 її діаметрів, як показано на фіг. 6, 8, 10. На торці кінця 16 бурової штанги виконано отвір 20 для закріплення бурової коронки 9. Кінець 16 бурової штанги 6 може мати вставку 17 з металу, питома вага якого відрізняється від питомої ваги металу бурової штанги 6 (фіг.6). Кінець 16 бурової штанги 6 має отвір 18, який розташовано ексцентрично до осі обертання 5 (фіг. 8). Кінець 16 бурової штанги 6 має виїмку 19, яку розташовано ексцентрично до осі обертання 5 (фіг. 10). На кінці бурової штанги 16 виконано шийку 21 меншого діаметру, в якій встановлено насадку 22 зі зміщеним центром мас 4 відносно осі обертання 5 бурової штанги 6 (фіг. 12, 13); Насадка 22 виконана з можливістю обертання навколо кінця 16 бурової штанги 6 і має фіксатор 23 або 24 (фіг. 12, 13); В якості фіксатора використовується контргайка 23 (фіг. 12, 13); В якості фіксатора використовується гвинт 24 (фіг. 12, 13). Пристрій працює наступним чином: спочатку в привідний шпиндель 8 вставляють бурову штангу 6 з буровою коронкою 9, які в сукупності створюють виконавчий орган 2. На початковій стадії буріння шпуру виконавчий орган 2 збалансований, тому, що його центр мас 4 співпадає з віссю обертання 5 бурової штанги 6 (фіг.1). Після буріння шпуру 1 на глибину наприклад 2м процес буріння зупиняють і виконавчий орган 2 міняють на такий, центр мас 4 якого зміщено відносно осі 5 обертання (фіг.2). Коли починається обертання виконавчого органу 2, зміщений центр мас 4 збуджує відцентрову силу, яка відхиляє кінець виконавчого органу 90121 8 і зокрема бурову коронку 9 від осі обертання, за рахунок чого розширюється діаметр шпуру. Ділянку розширеного діаметру створюють довжиною наприклад 0,5м. Анкер (на фіг. не показаний) закріплюють в розширеній частині шпуру 1. За рахунок цього несуча спроможність анкера збільшується в 1,5 рази і може бути легко доведена до межі, що визначається міцністю стрижня анкера при мінімальних затратах закріпляючої смоли. Це має велике значення при кріпленні покрівлі в нестійких породах. В таблиці наведено результати розрахунків залежності відхилення кінця бурової штанги і бурової коронки від величини зміщення центру мас виконавчого органу. Взяті типові маси бурової коронки та кінця бурового ставу, а також швидкості обертання виконавчого органу, та властивості металу, з якого виконуються бурові штанги, бурові коронки, та вставки. Жорсткість бурової штанги змінюється в діапазоні 200-2000Нм2. В залежності від сполучення вказаних параметрів відцентрова сила відхилення коливається від 0,01 до 0,47Н, а результуюче відхилення бурової коронки від 0,001 до 8мм. При цьому величина зміщення центру мас не дорівнює величині відхилення бурової коронки, бо вони знаходяться в нелінійній залежності. В залежності від сполучення параметрів відношення зміщення центру мас до відхилення коронки змінюється від 100 до 0,5. В підсумку це дає змогу за допомогою конструктивних параметрів підібрати таке зміщення центру мас відносно осі обертання, при якому досягається необхідна велична відхилення бурової коронки, а отже величина розширення діаметру шпуру. Доведено, що оптимальна величина розширення радіусу шпуру знаходиться в діапазоні 1-5мм. При такій величині розширення створюються належні умови для закріплення сталеполімерних анкерів, які сьогодні є найбільш ефективними для кріплення гірських виробок. Отже необхідний діапазон відхилення надійно перекривається можливостями способу та пристрою (0,001-8мм), що заявляються. Такий діапазон забезпечується завдяки підбору величини відхилення центру мас бурової коронки, або кінця бурового ставу, або одночасно бурової коронки і кінця бурового ставу. Для забезпечення надійного перекриття діапазону необхідного відхилення виконавчого бурового органу додатково використовується насадка 22 зі зміщеним центром мас відносно осі обертання бурової штанги. Така насадка може використовуватися в комплексі з буровою коронкою, або кінцем бурової штанги, центри мас яких також зміщені відносно осі обертання бурової штанги. Для узгодження напрямку відхилення центру мас бурової коронки і насадки насадка виконана з можливістю обертання відносно бурової штанги, що дає змогу повернути її в той бік, в який зміщено центр мас бурової коронки або кінця бурової штанги. Після розвороту насадки в необхідному напрямку насадку фіксують контргайкою 23, або гвинтами 24. Для цього фіксуючу контргайку загвинчують так, щоб вона щільно притискалась до насадки 22. Фіксуючі гвинти загвинчують так, щоб вони притискались до кінця бурової штати. Для надійності фік 9 90121 сації насадки 22 гвинтами 24 на шийці 21 кінця бурової штанги 16 виконані заглиблення 25. Гвинти загвинчують у найближче заглиблення 25, місцеположення якого співпадає з напрямком зміщення центру мас кінця виконавчого органу. Використання запропонованого способу та пристрою для його реалізації забезпечує збудження та використання відцентрової сили для процесу розширення глибинної частини шпуру, що дозвомаса коронки, або кінця бурової штанги, кг 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 1 Радіус бурової штанги, м Момент інерції штанги, м4 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008 0,008 3,217Е-09 3,217Е-09 3,217Е-09 3,217Е-09 3,217Е-09 3,217Е-09 10 ляє підвищити ефективність і надійність збільшення діаметру глибинної частини шпуру. При цьому ділянка шпуру, яка примикає до його устя залишається меншого діаметру. Завдяки цьому досягається можливість надійного закріплення сталеполімерного анкеру в масиві гірських порід при мінімальних витратах закріпляючої смоли. Це сприяє підвищенню стійкості гірничих виробок і забезпеченню безпеки робіт гірників. число обертів/хв число обертів за сек радіус зміщення центру мас коронки, м відцентрова сила, кгс 300 300 700 300 700 700 5,0 5,0 11,7 5,0 11,7 11,7 0,004 0,002 0,002 0,004 0,004 0,004 0,002 0,001 0,002 0,004 0,009 0,047 Довжина буМодуль пружвідцентрова рової штанги, 2 ності, кг/м сила, кгс м 1,75Е+10 1,75Е+10 1,75 E+10 1,75E+10 1/75Е+10 1,75Е+10 2 1,5 1 2 2 3 0,002 0,001 0,002 0,004 0,009 0,047 Відхилення, м 0,00009 0,00002 0,00001 0,00019 0,00044 0,00746 Відношення зміщення центру мас до відхилення коронки 42,22 100,08 144,76 21,11 9,05 0,54 11 90121 12 13 90121 14 15 90121 16 17 90121 18 19 90121 20 21 90121 22 23 90121 24 25 90121 26 27 90121 28 29 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 90121 Підписне 30 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601