Расширитель для бурения шахтных стволов и скважин

,Докуки ,П,Громы ми, жес метраль вы полн поверхн верхнос ходится тко закреплены но противополнными с внеш остью, причем ти каждого опв пределах ми на корпусе диаожно шарашками и ней цилиндрической радиус внешней поорного элемента наГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРсГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(1) Всесоюзный научно-исследовательскийинститут организации и механизации шахтного строительства(56) Патент ФРГ В 12240,кл, Е 21 В 9/24, 1966,Трескен К. Уровень развития в областибурения скважин большого диаметра. Глюкауф, М 3,190,(54) РАСШИРИТЕЛЬ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ И СКВАЖИН(5) Использование: в горном деле и строительстве при сооружении стволов и скважин, Сущность изобретения: расширитель,включа 1 ощий корпус с ярусообразно закрепленными на постоянно увеличивающемсярасстоянии от продольной оси расширителяшарашками, снабжен опорными элементами, жестко закрепленными на корпусе диаметрально противоположно шарашками ивыполненными с внешней цилиндрическойповерхностью. Радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится вПРЕДЕЛаХ: гсш.п. - (д 1 -д 2)гсо.п.йш.п. -Изобретение относится к технике бурения шахтных стволов и скважин большого диаметра, а конкретно к устройству породоразрушающих органов.Цель изобретения заключается в повышении эффективности работы расширителя в разнопрочных породах наклонного напластования,Постоянная цель достигается тем, что расширитель снабжен опорными элемента 2- (д +д 2+дз), а шарашки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяЕт СООТНОШЕНИЮ: Сш.п. Йш(п)д 1+дг д 1 пр, где: Яш.п. - проектный радиус действия шарашки до ее износа; Йш(п) - пРОектный РаДиУС ДействиЯ шаРошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе; Во,п, - радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа; д - предельное перемеще. ние рабочей поверхности шарашки относи. тельно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя; с)2 - предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси; дз - величина предельно допустимого радиального износа шарашки; д 1 пр - наибольшее перемещение рабочей поверхности шарашки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела прочности в наиболее нагруженном элементе конструкции шарашки, 3 ил,и -(д 1+д 2)Йоп Вшр -(д 1+ д 2+ дз),(1)шарашки закреплены на корпусе посредвом упругих в направлении к продольнойоси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношениюВшп Вш(п.1)д 1+ д 2д 1 пр, . (2)где Вшп - проектный радиус действия шарошки до ее износа;Вщ(п)- проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленной на ближайшем нижележащем ярусе;Воп - радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа;д 1 - предельное упругое перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя,д 2- предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси;д - величина предельно допустимого износа шарошки в направлении к продольной оси расширителя;д 1 пр - наибольшее перемещение рабочей поверхНости шарошки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела прочности в наиболее нагруженном элементе конструкции шарошки.Предлагаемый расширитель может быть использован как в составе бура с забурником для бурения выработки полной площадью, так и для расширения ранее пробуренной передовой скважины.На. фиг.1 - расширитель в продольном сечении буримой выработки. на фиг,2 - поперечный разрез расширителя по А-А в его свободном состоянии(вне забоя); на фиг.З- поперечный разрез расширителя по А - А в напряженном состоянии (в забое буримой выработки).На фиг.2 и 3 расширитель изображен с шарошками, еще не претерпевшими износа.Расширитель состоит из корпуса 1, ярусообразно расположенных на нем шарошек 2 (в частности 2 а, 2 Ь), связанных с корпусом посредством стержней 3; и опорных элементов 4 (4 а, 4 Ь), расположенных оппозитно относительно шарошек на отдельных ярусах расширения, соответственно, шарошка 2 а и опорный элемент 4 а, шарошка 2 Ь и опорный элемент 4 Ь.Рабочая поверхность данного опорного элемента (например, поверхность 5 Ь опорного элемента 4 Ь) состоит от продольной оси расширителя на расстоянии Воп (см.фиг.2), причем через Воп обозначено начальное расстояние, то есть до износа поверхности 5 Ь вследствие трения о породные стенки буримой выработки. В свободном состоянии, т,е, когда конструктивные элементы расширителя не испытывают внешних 5 усилий (см.фиг.2), Воп меньше радиуса Вщпустановки оппозитной шарошки 2 Ь на некотором и-м ярусе. В напряженном состоянии расширителя, то есть в забое (см,фиг.З), где на шарошку 2 Ь и другие действуют боковые "0 силы Рд, фактический радиус действия шарошки уменьшается за счет упругого перемещения рабочей поверхности самой шарошки вследствие напряжений, возникающих внутри, ее конструкции (перемещения 15 д 1) и за счет упругого перемещения стержня(д 2). На фиг,З изображен частный случай, когда зазор между поверхностью 5 Ь опорного элемента 4 Ь и породной стенкой 6 достигает нуля, то есть когда Воп = Вщп(д 1+ д 2).В общем случае ВопВшп - (д 1+ д 2),Расширитель функционирует следующим образом,При вращении расширителя и сообщении ему осевой подачи шарошки 2,перека тываясь по уступам ступенчатой выработкив породном массиве (см.контур выработки 6 на фиг.1 и 2), разрушают породу испытывая при этом усилия реакции со стороны породного массива. При пересечении наклонных пластов пород различной прочности, как показано на фиг.1, где расширитель изображен в момент перехода из мягкой породы М в твердую Т, на расширителе возникает асимметрия нагрузок. Так, на ширину 2 а со стороны твердой породы Т действует боковая реакция Рбл. превосходящая величину аналогичных реакций Рб. со стороны мягкой породы, Складываются условия локального отклонения расширителя в сторону 40 мягкой породы М. Однако, в предлагаемойконструкции такому отклонению противостоит оппозитный опорный элемент 4 а, который своей гладкой поверхностью 5 а опирается о промежуточную стенку 6 выработки. Аналогичным образом будет действовать опорный элемент 4 Ь, оппозитный шарашке 2 Ь, когда последняя окажется на переходе из мягкой породы в твердую. Таким путем устраняются поперечнь 1 е колеба ния корпуса 1 расширителя, которыепередаются колонне бурильных труб и ограничивают повышение частоты вращения и усилия подачи, что, в конечном счете, ограничивает эффективность бурения расширителями известных конструкций, Вместе с тем, при наличии в конструкции расширителя опорных элементов 4 шарсш ки 2 лишают.ся возможности "отступить" от трудно преодолимого участка породы (например,при касании шарошкой 2 а твердой породы Т, как показано на фиг.1), вследствие шарашка воспринимает повышенные усилия (в сравнении с условиями работы в расширителях известных конструкций). Поэтому необходимым условием реализации предлагаемого технического решения является введение в конструкцию расширителя упругоподатливых стержней 3, преимущественно параллельных продольной оси расширителя, которые, отгибаясь в экстремальных условиях, предохраняют щарошки 2 от разрушающих усилий.Радиус действия опорного элемента 4 Ь (точнее, его рабочей поверхности 5 Ь)Воп определен соотношение (1) из условия обеспечения минимального зазора между поверхностью 5 Ь опорного элемента 4 Ь и боковой стенкой горной выработки б с учетом постепенного износа шарашечного инструмента, а также с учетом упругости конструктивных элементов шарашки и ее соединения с корпусом расширителя. Очевидно, что в идеале зазор между поверхностью 5 Ь опорного элемента 4 Ь и стенкой выработки б был бы равен нулю при нулевом "натяге" в сопряжении поверхности 5 Ь со стенкой 6: зазора нет - поперечных колебаний расширителя нет, "натяга" в сопряжении нет - трения опорного элемента о стенку нет. Однако этот идеал вследствие износа шарошечного инструмента достижим лишь в определенный момент отработки инструмента. Максимальное значение Воп = Вшп(д 1+ А) - "левый" предел соотношения (1) - означает равенство нулю зазора и натяга между опорным элементом и стенкой в начальный момент работы, когда износ шарошки 2 Ь еще отсутствует, и она смещена в направлении к продольной оси корпуса 1 под действием рабочей боковой нагрузки в меру собственной упругости (перемещение д 1) и упругости стержня 3 (перемещение д 2), Минимальное значение Воп = = Вшл - (д 1+ д 2+ дз) - правый предел соотношения (1) - означает равенство зазора и натяга нулю при достижении предельного износа шарошки (перемещение дз, не показанное на фиг.3). Значения Воп между определенными таким образом максимумом и минимумом дают некоторый зазор между опорным элементом и стенкой выработки в начальный момент работы шарошки и некоторый натяг в цепочке стенка выработки - опорный элемент - корпус-стержень-шарощка-стенка к концу отработки шарошки, Вне определенных соотношением (1) пределов для Воп будет либо постоянный натяг и, следовательно, повышенные износ щаро,шечного инструмента, трений опорного элемента, сопротивление вращения расширителя и расход электроэнергий, либопостоянный зазор и, следовательно, по 5 вышенные поперечные колебания расширителя. Износ опорного элементасоотношением (1) не учитывается, как малаявеличина в сравнении с износом шарашки(дз)10 Гибкость стержня 3 определена соотношением (2) из условий обеспечения сохранения работоспособности (прочности)шарошечного инструмента, когдаой встречается с непреодолимым за одинпроход15 препятствием (например, местным включением горной породы повышейной про)ности) и, с другой стороны, сохранейияуступной схемы поражения забоя. Последнее условие обеспечивается левой частью20 неравенства из соотношения (2), так как разность Вшп - Вш(п) равняется ширин 6 проектного уступа разрушения Нуст., и кольскоро сумма максимальных упругих перемещений шарошки (д 1) и стержня(д 2) не достиг-25 нет разности Вша - Вш(-1), то шарошкагарантированно остается в пределах уступаразрушения, Сохранение же работосйособности (прочности) шарощки в те моменты,когда боковое усилие со,стороны породного30 массива превышает допустимую для собственно шарошки величину, обеспечиваетсягибкостью стержня 3, предельное упругоеперемещение которого (д 2) в сумме с предельным упругим перемещением рабочей35 поверхности шарошки(д).превышаеттакоеперемещение д 1 пр рабочей поверхности щарошки, соединенной с корпусом 1 непос,г редственно, то есть без посредства стержня3, при котором наступает разрушение ша 40 рошки в ее наименее прочном звене (например, в осевой опоре качения). Этот пределупругости (гибкости) стержня 3 отраженправым неравенством соотношения (2).Гибкость стержня,. выходя щая за и редел ы45 соотношения (2), будет означать либо нарушение схемы поражения забоя и снижениеэффективности бурения, либо возможностьполомки шарошек, их потери на забое иснижение надежности работы расширите 50 ля,Если, например, опорный элемент в некоторой конкретной консточкции расширителя должен быть установлен на ярусе срадиусом Вшп =1000 мм при ширине уступаВшп Вш(п) = 40 мм, проектной рабочейнагрузке Рд = 50 кН и йринятый к использованию шарашечный инструмент имеет дз =йшп-Вш(п)-д 1 Ж д 1 пр -41: 40 - 5 д 210 - 5;35 А 5.Соответственно найденным пределом и. принятому значению и заданному значению 5 Рд по общеизвестным формулам рассчитывается жесткость стержня С, и в конечном счете его поперечные размеры (в частном случэедиаметр б) и длина. Из(1) определим пределы Юля Воп, 101000-5-15 В Воп 11000-.5-15-10..98 Омм ййоп:970 мм,то есть Воп -970-980 мм. формула изобретенияРасширитель для бурения шахтных стволов и скважин; включающий корпус с ярусообразно закрепленными на постепен-. но увеличивающимся расстоянии от продольной оси расширителя шарошками, о т - 20 л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности работй расширйтеля в рээнопрочных породах наклонного нэплэстовани, он снабжен опорными элементами, жестко зэкрепленнйми на 25 кор пуседиаметрально противоположно шарошкэмивыполненными 1 с внешней цилиндрической поверхностью, причем радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах-(д 1 +Ж+дз),а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношениюВш.п Вш.(п)д 1 +д 2д 1 пр где Вш.п - проектный радиус действия шарошки до ее износа;Вш(п) - проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе;Во,п - радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа;д 1 - предельное перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента внаправлении к продольной оси расширителя;д 2- предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольнойоси;.дз - величина предельно допустимого радиального износа шарошки;д 1 пр - наибольшее перемещение рабочей йоверхности шарошки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела прочности в наиболее нагруженном элементе конструкции шарошки.,Пекарь К Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5 ри Гасу иэнодственно-издательский ко на, 10 Заказ 126 ВНИИ