Буровые машины и инструменты

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
В. Д. Буткин, И. И. Демченко 
 
 
БУРОВЫЕ МАШИНЫ  
И ИНСТРУМЕНТЫ 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для 
студентов вузов, обучающихся по специальности 
«Горные машины и оборудование» направления 
подготовки «Технологические машины и оборудование», 26.10.2011 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

Введение 

2 

УДК 622.242(07) 
ББК 33.13я73 
        Б932 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Б. А. Катанов, д-р техн. наук, проф. Кузбасского государственного 
технического университета; 
Ю. А. Афанасьев, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник зав. отделом 
«Диагностика» «СУЭК – Красноярск» 
 
 
 
 
 
Буткин, В. Д. 
Б932       Буровые машины и инструменты : учеб. пособие / В. Д. Буткин, И. И. Демченко. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 
120 с. 
ISBN 978-5-7638-2514-5 
 
В учебном пособии рассмотрены характеристики и технологии бурения 
взрывных скважин, предназначенных для подготовки горных пород к выемке, 
рациональные конструкции бурового инструмента, факторы и критерии оценки 
работоспособности и эффективности бурового инструмента. Приведены параметры режимов бурения шарошечными долотами. Представлены методики проверочных расчетов энергосиловых параметров и расчета эксплуатационных показателей буровых станков. Разработана программа «Информационная система 
расчета параметров бурового оборудования», позволяющая автоматизировать 
расчеты по выбору бурового оборудования. 
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 
«Горные машины и оборудование» направления подготовки «Технологические 
машины и оборудование». 
 
УДК 622.242(07) 
ББК 33.13я73 
 
ISBN 978-5-7638-2514-5 
 
 
 
                © Сибирский федеральный  
                                                                                                       университет, 2012 

Введение 
 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
При проектировании и эксплуатации буровой техники на 
карьерах выделяются две основные инженерные задачи: 1) выбор 
способа бурения и типоразмера бурового станка; 2) определение рациональных параметров и эксплуатационных характеристик процесса 
бурения. 
Выбор способа бурения (шарошечного, ударно-вращательного  и др.) и типоразмера бурового станка, характеризуемого прежде 
всего диаметром скважин и требуемой сменной производительностью, осуществляется инженерами-технологами и инженерами-механиками на основе изучения известных геологических и горно-технологических особенностей месторождения и заданных экономических требований, которые определяют конструкцию карьера и параметры системы разработки (высоту уступов, ширину рабочих 
площадок и др.). 
К главным факторам, учитываемым при выборе способа бурения и технологических параметров буровых машин, относятся физико-механические свойства буримых пород: крепость, абразивность, 
трещиноватость, влажность и т. д. 
В данной работе способ бурения, крепость горных пород и типоразмер бурового станка считаются известными. Студенту предлагается самостоятельно решать вопросы оптимизации процессов бурения. Для этого необходимо: 
1) выбрать рациональные конструкции бурового инструмента; 
2) определить рациональные параметры режима бурения; 
3) выполнить проверочные расчеты энергосиловых параметров 
буровой машины (мощность механизмов, крутящие моменты и др.). 
Расчет эксплуатационных показателей работы буровых машин 
(производительность, себестоимость проходки скважин) позволяет 
определить потребность в средствах бурения и необходимые расходы. 
Учебное пособие может быть использовано при выполнении 
практических занятий, курсового проектирования, самостоятельной 
подготовки студентами, изучающими курс «Механическое оборудование карьеров», и написании соответствующего раздела при дипломном проектировании, а также может быть полезно инженерам 
горного производства, осуществляющим проектирование применения 

Введение 

4 

буровых машин на карьерах. Для этого приводится достаточный 
справочный материал (см. прил. 1) и методики выполнения расчетов. 
В разработке программы «Информационная система расчета параметров бурового оборудования» (см. прил. 2) и примера расчета по 
обоснованию и выбору конструкции бурового долота и определения 
рационального режима бурения, энергосиловых параметров и эксплуатационных показателей (см. п. 3.4) принимал участие Д. С. Догадин.

1. Характеристики техники и технологии бурения взрывных скважин. Вопросы теории режимов бурения 
 

5 

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНИКИ  
И ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ  
ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН. ВОПРОСЫ  
ТЕОРИИ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ 
 
 
Выбираемые конструкции и энергосиловые параметры 
буровых машин должны удовлетворять технологическим требованиям. Во-первых, буровая машина должна соответствовать производительности экскаватора. В идеале двухсменная работа бурового станка 
должна обеспечивать трехсменную работу экскаватора. Это достигается главным образом подбором скорости бурения и диаметра скважины, обеспечивающих нужный выход взорванной горной массы с 
1 м скважины, который приближенно пропорционален квадрату диаметра скважины. В то же время главным фактором выбора диаметра 
бурения является требуемая степень дробления горной массы, зависящая от трещиноватости и крепости пород взрываемого блока. Вовторых, типы буровых машин и инструментов должны соответствовать крепости горных пород. 
В настоящее время на карьерах преобладают станки шарошечного бурения (СБШ), которые правильнее называть станками вращательного действия, так как на них применяют как шарошечные, так и 
долота режущего типа и комбинированные (режуще-шарошечные, 
шарошечно-ударные и др.) буровые инструменты. На специализированных станках вращательного бурения резанием (СБР) используют 
только режущие долота (РД) и кроме шнековой очистки применяют 
также шнекопневматическую очистку скважин. От станков СБШ и 
СБР существенно отличаются станки ударно-вращательного бурения 
(СБУ), которые содержат погружные пневмоударники, соединенные с 
коронками. При этом порода разрушается в основном ударными нагрузками, так как крутящие моменты и осевые нагрузки незначительны. 
Станки ударно-вращательного бурения с выносным гидравлическим или пневматическим ударно-вращательным механизмом (как 
правило, зарубежного производства) в небольшом количестве используются на отечественных глубоких карьерах для бурения скважин 
диаметром преимущественно 100–160 мм в породах средней крепости 
и крепких. Редко и только в термобуримых крепких породах (кварцитах, гранитах) используют комбинированные станки – шарошечные с 

1. Характеристики техники и технологии бурения врывных скважин. Вопросы теории режимов бурения 

6 

термическим расширителем. Нижнюю часть скважины, пройденную 
шарошечным долотом, расширяют от 250–270 до 400–600 мм с помощью термической горелки. Огнеструйные буровые станки могут 
применяться в комплексе со станками ударно-вращательного бурения. 
Эффективность процесса работы буровых машин в сильной степени зависит от режимов бурения, которые характеризуются силой и 
скоростью воздействия бурового инструмента на забой скважины, а 
также степенью очистки скважины от разрушенной породы. 
К режимным параметрам вращательного бурения относят осевую 
нагрузку на долото ос
P
, скорость вращения долота  и расход сжатого 
воздуха Q , подаваемого в скважину. От величины и соотношения режимных параметров существенно зависят такие основные показатели 
проходки скважин, как скорость бурения б
V  и стойкость долота дl , определяющие конечные результаты (сменную производительность станка 

с
П , себестоимость бурения S , удельную энергоемкость бурения E ). 
К параметрам ударно-вращательного и вращательно-ударного 
бурения дополнительно относятся энергия и частота ударов по долоту. 
У применяемых станков типа СБУ ударная мощность пневмоударника и частота ударов являются нерегулируемыми параметрами, 
хотя разработаны конструкции, позволяющие изменять в процессе 
бурения энергию удара, частоту ударов, расход и давление сжатого 
воздуха в зависимости от прочности буримых пород. 
Рациональным режимом бурения является такое сочетание режимных параметров, при котором достигается заданный или высокий 
и экономически выгодный (по фактору износостойкости долота) уровень скорости бурения. Оптимальные режимы бурения могут соответствовать экстремальным значениям стоимости проходки скважины, удельной энергоемкости процесса бурения, технической производительности станка и другим критериям. 
Методика расчета (расчетные формулы) режимов бурения зависит от способа бурения и конструкции применяемого долота, при выборе которых помимо технологических требований (производительность экскаватора, диаметр скважин и др.) главным фактором являются физико-механические свойства горных пород. Последние применительно к бурению оцениваются контактной прочностью пород к
P , прочностью породы при бурении б
  или коэффициентом 
крепости горных пород f  по шкале профессора М. М. Протодьяконова. 

1. Характеристики техники и технологии бурения взрывных скважин. Вопросы теории режимов бурения 
 

7 

Возможный уровень режимных параметров зависит от прочности породоразрушающих элементов долот и от мощности вращательно-подающих и ударных механизмов, что влияет на величину вдавливающих и тангенциальных усилий при вращении инструмента, на 
крутящий момент на долоте, амплитуду силовых импульсов, удельные контактные нагрузки и контактные напряжения в процессе внедрения инструмента в породу. Поэтому необходимо рассчитать мощность на оптимальных режимах бурения и сравнить ее с паспортной. 
Теория расчета режимов бурения опирается на общие закономерности механического разрушения горных пород. 

 
Рис. 1. Влияние осевой нагрузки на параметры бурового 
процесса: 1 – скорость бурения б
V ; 2 – силовой градиент скорости бурения vI ;  3  –  стойкость долота дl ;  4 – 
ос
б dP
dV
;  

5 – удельная энергоемкость E 

Основное влияние на процесс разрушения горных пород оказывают величина осевой нагрузки долота ос
P
, состоящей из статической ст
P  
и динамической 
дин
P
 составляющих нагрузки: 
дин
ст
ос
P
P
P


. При 
этом центральное значение имеет зависимость скорости разрушения 
горной породы (оцениваемая скоростью бурения 
б
V  или глубиной 
разрушения породы за один оборот долота h) от осевой нагрузки на 
долото ос
P
 (рис. 1). 

1. Характеристики техники и технологии бурения врывных скважин. Вопросы теории режимов бурения 

8 

В зависимости от соотношения между удельным контактным 
давлением долота уд
P
 и контактной (агрегатной) прочностью породы 

к
P  различают три вида механического разрушения породы: поверхностное (зона I), усталостное (зона II) и объемное (зона III), при котором на контакте бурового инструмента с породой возникает критическое напряжение, значительно превосходящее контактную прочность 
породы. В зоне III зубья или лезвия могут активно проникать в породу и отделять от массива отдельные куски, поэтому достигаются наименьшие значения энергоемкости разрушения горной породы E  и себестоимости бурения S . В зоне IV происходит также объемное разрушение породы, но рост глубины внедрения инструмента и скорости 
бурения замедляется из-за увеличения поверхности контакта бурового инструмента с породой. В пределе величины h и б
V  ограничиваются геометрическими размерами зубьев или лезвий (посадка на задние грани резцов и рассечку) и ухудшением условий эвакуации разрушенной породы из забоя скважины. 
На масштаб различных видов разрушения породы влияют в основном контактная прочность породы, прочность бурового инструмента и время контакта кt  породоразрушающей части долота с забоем, определяемая угловой скоростью долота. В зависимости от сочетания этих факторов в наблюдаемой области бурения отдельные зоны 
(I, II, III, IV) могут вырождаться или, наоборот, преобладать. На рис. 2 
показаны участки кривых 


ос
б P
V
, встречающиеся в промышленном 
бурении в рамках технических возможностей буровых станков и инструментов. В слабых породах (f < 1–2) при остром буровом инструменте зоны I и II пренебрежимо малы (кривая 1), преобладает объемное разрушение, и в зоне наблюдений процесс описывается прямой 
линией. В очень крепких породах (f = 16–20) функция 


ос
б P
V
 в зоне 
наблюдений также линейна, но процесс разрушения имеет поверхностный характер (кривая 4), так как прочность инструмента не позволяет создать критические напряжения в породе. В крепких породах        
(f = 10–12) может происходить в основном усталостное разрушение 
(кривая 3). В породах средней крепости (f = 5–8) наблюдаются все виды разрушения породы (кривая 2). 
При прочих равных условиях на эффективность процесса разрушения породы существенное влияние оказывает скорость приложения нагрузки, зависящая от числа оборотов долота и времени контак

1. Характеристики техники и технологии бурения взрывных скважин. Вопросы теории режимов бурения 
 

9 

та кt  зубьев и резцов в месте приложения нагрузки. Влиянием фактора кt  объясняется снижение темпа роста скорости бурения с увеличением частоты вращения долота (рис. 3). 
 

 
Рис. 2. Вид функции 


ос
б P
V
 в зависимости от коэффициента крепости породы и технических возможностей буровых станков и инструментов: 1 – слабые горные породы (f < 1–2); 2 – породы средней крепости          
(f  = 6–8); 3 – крепкие горные породы (f  = 10–12); 4 – 
очень крепкие породы (f  = 16–20); Рп, Vп – соответственно, предельные осевые нагрузки и скорости подачи 
буровых станков; A – условные начальные границы  
объемного разрушения породы 
 
В обобщенном виде условия рациональных силовых режимов 
механического бурения можно выразить формулой 

к
дин
ос
FP
P
P


 при кt
 ≈ 7–15 мс,                        (1) 

где F  – площадь контакта долота с породой в горизонтальной проекции; 
к
P  – контактная прочность породы; 
 F
P
P
дин
ос 
– удельное 
контактное давление на забой. 
В работе [2] предложен метод количественной оценки границ 
различных видов разрушения горных пород при бурении на основе 
анализа силовой функции 


ос
р
h
P
 и силового градиента, выражаемого соотношением 

1. Характеристики техники и технологии бурения врывных скважин. Вопросы теории режимов бурения 

10 





ос

б

ос
P
V
P
h
Iv
,   
 
 
 
(2) 

где h – глубина разрушения породы за один оборот долота. 
 

 
 

Параметр 
vI  является важной 
информативной характеристикой процесса бурения, определяющей эффективность приложения нагрузки на долото, и имеет энергетический смысл, 
так как произведение 


ос
P
 пропорционально энергии, передава-емой долотом на забой скважины в единицу 
времени. Установлено, что координаты 
границ усталостного и объемного видов разрушения породы (см. рис. 1, 
точки А и Б) определяются условиями 
максимума 
производных 
силовой 

функции (dh/dPoc) и силового градиента (
ос
dP
dIv
) глубины разрушения 
породы.  
Найденные закономерности позволяют найти выражение функции 



ос
д P
l
,  которая   носит  сложный   ха- 

Рис. 3. Общий вид зависимости скорости бурения б
V  от частоты вращения 
долота ω в крепких породах: 1 – бурение с осевой нагрузкой, недостаточной для объемного разрушения; 2 – 
бурение с высокой осевой нагрузкой 

рактер. В условиях поверхностного и усталостного видов разрушения 
породы величина дl  с ростом ос
P
 может уменьшаться, слабо возрастать или не изменяться. При объемном характере разрушения 
величина дl  с ростом 
ос
P
 интенсивно увеличивается, так как путь 
трения резца при большой стружке уменьшается. Однако и в этом 
случае существует критическая нагрузка, при превышении которой дl  
начинает уменьшаться (см. рис. 1, зона IV), так как вследствие 
отмеченных ранее ограничений удельная энергоемкость процесса 
бурения интенсивно возрастает и значительная часть энергии 
тратится на износ долота. Таким образом, зависимость 


ос
д P
l
 имеет 
максимум, который соответствует максимуму кривизны функции 


ос
б P
V
  и не зависит от конструкции долота, а определяется его 
типом.