Эффективность буровой машины при работе с горной породой напрямую определяется типом используемого инструмента. Для каждого класса пород существует свой оптимальный метод разрушения: режущий инструмент применяется для слабых пород, шарошечный или комбинированный — для крепких скальных и полускальных массивов, а для наиболее прочных пород необходим инструмент ударного бурения. Любой комплект бурового оснащения включает в себя два ключевых элемента: непосредственно рабочий инструмент и соединительную штангу.
Требования к современному буровому инструменту
С развитием технологий и ростом мощности буровых установок значительно повышаются требования к прочности, износостойкости и долговечности инструмента. Для достижения необходимых характеристик инженеры идут по нескольким путям: увеличивают сечения деталей, упрощают их геометрические формы, применяют высокопрочные легированные стали (например, марки 35ХГСА). Существенный прирост стойкости к абразивному износу даёт армирование рабочих частей инструмента твёрдыми сплавами, среди которых наибольшее распространение получили металлокерамические сплавы типа ВК (вольфрамокобальтовые). Особое внимание уделяется термостойкости инструмента для бурения в крепких породах, так как это критически важно для поддержания высокой производительности машины в сложных условиях.
Режущий инструмент: принципы и классификация
Конструкция режущей коронки определяется выбранной схемой разрушения породного забоя. Основными схемами являются: разрушение сплошным забоем (линейная и ступенчатая) и щелевая схема с последующим скалыванием оставшихся между щелями целиков породы.
Ступенчатая форма забоя повышает эффективность работы, поскольку прочность породы по краям ступеней снижается, облегчая её разрушение.
Щелевая схема, в свою очередь, позволяет снизить общую энергоёмкость процесса бурения за счёт того, что для скалывания породы требуются меньшие разрушающие напряжения.
Режущий инструмент классифицируют по нескольким ключевым признакам:
— По назначению: для слабых или для крепких пород.
— По форме режущей кромки: сплошная или ступенчатая.
— По характеру контакта с забоем: постоянный или непостоянный.
Бурение в слабых породах (с коэффициентом крепости менее 4) характеризуется высокими скоростями подачи, что вызывает интенсивный износ инструмента. Поэтому такие коронки часто имеют защиту корпуса на значительной высоте. Наибольшую популярность здесь завоевали простые по конструкции коронки со сплошной режущей кромкой.
Для работы с крепкими породами применяются коронки со ступенчатой режущей кромкой. Такая конструкция нарушает сплошность забоя и повышает устойчивость инструмента к высоким рабочим нагрузкам.
Наиболее эффективной для крепких пород считается щелевая схема разрушения. Она реализуется, например, за счёт несимметричной установки резцов на коронке, что позволяет создавать высокое давление на забой при уменьшенной площади контакта, одновременно снижая разрушающие напряжения в режиме режуще-скалывающего воздействия.
Ещё одним способом повышения стойкости инструмента является использование коронок с вращающимися резцами. Их преимущество заключается в непостоянном контакте режущих элементов с породой, что приводит к более равномерному износу.
Особый интерес представляет коронка, разработанная в КузГТУ (ранее КузПИ), для бурения в неоднородных породах. Её конструктивная особенность — система саморегулирующихся резцов. Коронка состоит из двух лопастей с тремя резцами на каждой и хвостовика. Резцы имеют фасонные хвостовики, которые помещаются в пазы лопастей. Внутри лопасти находится эластичная ёмкость, заполненная жидкостью, которая связывает все резцы в единую гидравлическую систему.
Принцип работы этой инновационной коронки основан на перераспределении усилий. Когда один из резцов встречает на своём пути твёрдое включение, сопротивление породы на нём резко возрастает, и резец «отстаёт». При этом через систему гидравлических поршней давление жидкости возрастает и передаётся на соседние резцы, заставляя их двигаться вперёд активнее и разрушать более мягкую породу вокруг включения. Это способствует его обнажению и последующему вырыву из массива.
Таким образом, данная конструкция позволяет коронке динамически адаптироваться к постоянно меняющимся свойствам неоднородной породы, смягчая ударные нагрузки и снижая общую энергоёмкость процесса бурения.