Расширитель для бурения шахтных стволов и скважин
Использование: в горном деле и строительстве при сооружении стволов и скважин . Сущность изобретения: расширитель, включающий корпусе ярусообразнозакрепленными на постоянно увеличивающемся расстоянии от продольной оси расширителя шарошками, снабжен опорными элементами/жестко закрепленными на корпусе диаметрально противоположно шарошками и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью. Радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах: Рш.п. -(5i - 62) S R0.n. S Нш.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 элемента4 2 - (5i +62 ), а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношению: Рш.п. - Riu(n-i) 6} +62 д чпр, где: РШ.П. - проектный радиус действия шарошки до ее износа; Ruj(rH)- проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе; Ro.n. - радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа; (5г - предельное перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя; дг - предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси; 5з - величина предельно допустимого радиального износа шарошки; 5inp - 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. 3 ил. ел е 00 00 о ми, жестко закреплеными на корпусе диаметрально противоположно шарошками и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью, причем радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах Rum (5l + 62} Ron Riup - (5i + 62 + 63), (1) а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной о -ч 1
союз соВ тских
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (ss)s Е 21 О 1/06
ГОСУДАРСТВЕННОЕ llATEHTHOE
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
2 (21) 4885331/03 (22) 12.09.90 (46) 15.04.93. Бюл. М 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт организации и механизации шахтного строительства (72) И.А.Купчинский, О.С,Докукин, Е.С.Олейников, А.С.Гильман и В,П.Громыко (56) Патент ФРГ М 1227407, кл. Е 21 В 9/24, 1966.
Трескен К. Уровень развития в области бурения скважин большого диаметра. Глюкауф, N. 3, 1970. (54) РАСШИРИТЕЛЬ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШАХТHblX СТВОЛОВ И СКВАЖИН (57) Использование: в горном деле и строи тельстве при сооружении стволов и скважин, Сущность изобретения: расширитель, включающий корпус с ярусообразно закрепленными на постоянно увеличивающемся расстоянии от продольной оси расширителя шарошками, снабжен опорными элементами, жестко закрепленными на корпусе диаметрально противоположно шарошками и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью. Радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится s
ПРЕДЕЛаХ: йш.п. (д1 Й) Ro.ï. Вш.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„„. Ж„„1809077 А1 — (ä1+д2+дз), а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяЕт СООТНОШЕНИЮ: у1ш.п. ) ш(п-1)
> ä1 + д2 > д 1пр, ГдЕ: Яш.n. — ПрОЕКтНЫй радиус действия шарашки до ее износа;
Яш(п-1) — пРОектный РаДиУС ДействиЯ шаРошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе; Ro.п. — радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа; д1 — предельное перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя; О2 — предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси; дз — величина предельно допустимого радиального износа шарошки; д1пР— наибольшее перемещение рабочей поверхности шарошки относительно точки ее неподвижного закрепления в направлении к продольной оси расширителя, соответствующее достижению предела прочности в наиболее нагру- ф) женном элементе конструкции шарашки.
3 ил. О ми, жестко зекреолеиыми ие корлусе лиеметрально противоположно шарошками и выполненными с внешней цилиндрической поверхностью, причем радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах
Run — (д1 + ä2) Ron Rap — (д1 + А + дЗ), (1) а шарашки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной
1809077 оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношению
Вшп — Rm(n-1) > д1+ д2 > д1пр, (2) где Вп п — проектный радиус действия шарошки до ее износа;
R (n-1) — проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленной на ближайшем нижележащем ярусе;
Роп — радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа;
- д1 — предельное упругое перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя. д — предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси; д1 — величина предельно допустимого износа шарошки s направлении к продольной оси расширителя; д1пр — 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.3поперечный 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 2а, 2Ь), связанных с корпусом посредством стержней 3; и опорных элементов 4 (4а, 4Ь), расположенных оппозитно относительно шарошек на отдельных ярусах расширения, соответственно, шарошка
2а и опорный элемент 4а, шарошка 2Ь и опорный элемент 4b.
Рабочая поверхность данного опорного элемента (например, поверхность 5Ь опорного элемента 4b) состоит от продольной оси расширителя на расстоянии Впп (см.фиг.2), причем через 4п обозначено начальное расстояние, то есть до износа поверхности 5Ь вследствие трения о породные стенки буримой выработки. В свободном состоянии, т.е, когда конструктивные элементы расширителя не испытывают внешних усилий (см.фиг.2), Ron меньше радиуса Ящп установки оппозитной шарошки 2Ь на некотором и-м ярусе. В напряженном состоянии расширителя, то есть в забое (см,фиг.3), где на шарошку 2b 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
"5 д1) и за счет упругого перемещения стержня (дг). На фиг.3 изображен частный случай, когда зазор между поверхностью 5Ь опорного элемента 4Ь и породной стенкой 6 достигает нуля, то есть когда Ron = Run(A+ Й).
В общем случае Ron Вшп — (ä1+ дг).
Расширитель функционирует следующим образом, При вращении расширителя и сообщении ему осевой подачи шарошки 2, перека25 тываясь по уступам ступенчатой выработки в 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 2а со стороны твердой породы Т действует боковая реакция Рв.т. превосходящая величину аналогичных реакций Po.> со стороны мягкой породы. Складываются условия локального отклонения расширителя в сторону
40 мягкой породы M. Однако, в предлагаемой конструкции такому отклонению противостоит оппозитный опорный элемент 4а, который своей гладкой поверхностью 5а опирается о промежуточную стенку 6 выработки. Аналогичным образом будет действовать опорный элемент 4Ь, оппозитный шарашке 2b, когда последняя окажется на переходе из мягкой породы в твердую. Таким путем устраняются поперечные колеба50 ния корпуса 1 расширителя, которые передаются 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, 1809077 при касании шарошкой 2а 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 шарошки
2 от разрушающих усилий.
Радиус действия опорного элемента 4Ь (точнее, его рабочей поверхности 5b)Ron определен соотношение (1) из условия обеспечения минимального зазора между поверхностью 5b опорного элемента 4b и боковой стенкой горной выработки 6 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 5Ь опорного элемента 4Ь и стенкой выработки 6 был бы равен нулю при нулевом "натяге" в сопряжении поверхности 5b 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 s определенный момент отработки инструмента. Максимальное значение
Ron = Вшп(д1+ А) — "левый" предел соотношения (1) — означает равенство нулю зазора и натяга между опорным элементом и стенкой в начальный момент работы, когда износ шарошки 2Ь еще отсутствует, и она смещена в направлении к продольной оси корпуса 1 под действием рабочей боковой нагрузки в меру собственной упругости (перемещение д1) и упругости стержня 3 (перемещение д2), Минимальное значение Rpn =
= Røn — (д1+ д2+ дз) — правый предел соотношения (1) — означает равенство зазора и натяга нулю при достижении предельного износа шарошки (перемещение дз, не показанное на фиг.3). Значения Ron 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-шарошка-стенка к концу отработки шарошки.
Вне определенных соотношением (1) пределов для R 15 препятствием (например, местным включе- нием горной породы повышейной про((ности) и, с другой стороны, сохранения уступной схемы поражения забоя. Последнее условие обеспечивается лерой частью 20 неравенства из соотношения (2), так как разность RUjn — RUj(n->) равняется ширине проектного уступа разрушения Ну,т., и коль скоро сумма максимальных упругих перемещений шарошки (д1) и стержня (д2) не достиг- 25 нет разности R n — R (n-,)), To шарошка гарантированно остается в пределах уступа разрушения, Сохранение же работоспособности (прочности) шарошки в те моменты,когда боковое усилие со,стороны породного 30 массива превышает допустимую для собственно шарошки величину, обеспечивается гибкостью стержня 3, предельное упругое перемещение которого (д2) в сумме с предельным упругим перемещением рабочей 35 поверхности шарошки (д ).превышает такое перемещение д1пр рабочей поверхности шарошки, соединенной с корпусом 1 непос,i редственно, то есть без посредства стержня 3, при котором наступает разрушение ша40 рошки в ее наименее прочном звене (например, в осевой опоре качения). Этот предел упругости (гибкости) стержня 3 отражен правым неравенством соотношения (2). Гибкость стержня,. выходящая за пределы 45 соотношения (2), будет означать либо нарушение схемы поражения забоя и снижение эффективности бурения, либо возможность поломки шарошек, их потери на забое и снижение надежности работы расширите50 ля, Если, например, опорный элемент в некоторой конкретной констрчкиии расширителя должен быть установлен на ярусе с радиусом Run =1000 мм при ширине уступа 55 Run — R (n-1) = 40 мм, проектной рабочей нагрузке Рд = 50 кН и йринятый к использованию шарашечный инструмент имеет дз = = 15 мм, Bl = 5 мм и д1пр = IQ мм, то из (2) определим предел для д2. 1809077 RI-Re(n 1)-д1 >Ж >дыр -41: 40- 5 > д2 > 10 — 5; 35>dz >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 случаедиаметр d) и длина I. Из(1) определим пределы для йоо; 10 1000-5-15 @Re 11000-.5-15-10. . 980 мм h Воп 2 970 мм. та есть Ron 970-980 мм. Формула изобретения Расширитель 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 шийся тем, что, с целью повышения эффективности работй расширйтеля в рээнопрочных породах наклонного нэплэстовани», он снабжен опорными элементами, жестко зэкрепленнйми на 25 кор пусвдиаметрально противоположно шарошкэмивыполненными1 с внешней цилиндрической поверхностью, причем радиус внешней поверхности каждого опорного элемента находится в пределах . йш.о-(д1+Й) Во,n Re.n— — (д1 + д2 + дз), а шарошки закреплены на корпусе посредством упругих в направлении к продольной оси расширителя элементов, гибкость которых удовлетворяет соотношению Rm.n Re.(n-1) > д1 +д2 > д1пр где R>.о — проектный радиус действия шарошки до ее износа; R (n-1) — проектный радиус действия шарошки до ее износа, установленный на ближайшем нижележащем ярусе; Ro.n — радиус внешней поверхности опорного элемента до его износа; д1 — предельное перемещение рабочей поверхности шарошки относительно упругого элемента в направлении к продольной оси расширителя; д2 — предельное перемещение упругого элемента относительно корпуса расширителя в направлении к его продольной оси;. дз — величина предельно допустимого радиального износа шарошки; д1ор — 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. 1809077 5b о ф Составитель И,Купчинский Техред М.Моргентал Корректор С,Пекарь Редактор Заказ 1268 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 +Ъ QUIP А-А (бне ьаЪоя) Ю ыа.2 А-А (3 ьаБое) 
