2. Физические способы бурения

К основным физическим способам бурения относятся

термический и гидравлический. В стадии разработки и производственной апробации находятся электрогидравлический, плазменный, ультразвуковой и некоторые другие.

При термическом способе бурения горные породы разрушаются высокотемпературными источниками тепла — открытым пламенем. Рабочим органом станка термического бурения является термобур с огнеструйной горелкой, из которой со сверхзвуковой скоростью на забой скважины направляется газовая струя с высокой температурой. В камеру сгорания через форсунку подают смесь тонкораспыленного керосина с газообразным кислородом. Образующиеся внутри камеры газообразные продукты горения с температурой до 2000 °С под действием давления внутри камеры вылетают со скоростью около 2000 м/с через отверстия в днище горелки и воздействуют на забой скважины. Горелку охлаждают водой и удаляют из скважины разрушенную породу.

Передвижные станки термического бурения на гусеничном и автомобильном ходу и ручные термобуры имеют в принципе аналогичное устройство. Ручной термобур представляет собой металлическую штангу-кожух диаметром 30 мм, в котором имеется горелка с системой охлаждения. Керосин и газообразный кислород поступают в горелку под давлением 0,7 МПа, а вода для охлаждения — под давлением 1 ... 1,3МПа.

Передвижными станками термического бурения можно бурить шпуры и скважины диаметром до 130 мм и глубиной до 8 м, а ручными термобурами — шпуры диаметром 60 мм и глубиной 1,5...2 м

Термический способ бурения шпуров по сравнению с механическим более эффективен и превышает его по производительности в 10... 12 раз при бурении пород кристаллической структуры.

Г идравлический способ бурения используют для разработки скважины в легких суглинках и плывунах. При этом способе воду нагнетают в забой Скважины через колонну труб и специальную струйную насадку, прикрепленную к нижней части колонны. Вода размывает забой, и трубы погружаются в грунт. Гидромасса, образованная размывом грунта, под давлением воды выжимается вдоль наружных стенок обсадной трубы, извлекаемой из грунта лебедкой. Гидравлическим бурением можно проходить скважины глубиной до 8 м со скоростью до 1 м/мин.

РАЗРАБОТКА ГРУНТА ВЗРЫВОМ

Взрыв — это почти мгновенное превращение в газ (сгорание) взрывчатого вещества с выделением большого количества тепловой и механической энергии (давления). Взрывы применяют для рыхления скальных пород с последующей их разработкой землеройными и скалоуборочными механизмами. С помощью взрывов возводят земляные насыпи и перемычки, устраивают (на выброс) выемки для котлованов, дорог и т. п. Взрывным спосо­бом дробят мерзлые грунты, валуны, валят деревья, корчуют пни, уплотняют грунты и т. д.

Для производства взрывов используют взрывчатые материалы, к которым относятся взрывчатые вещества (ВЗ) и средства взрывания (СВ).

Взрывчатые вещества — это химические соединения или механические смеси, способные с помощью средств взрывания изменять свое состояние с последующим образованием сильно сжатых газообразных продуктов и выделением энергии. По -характеру воздействия на среду ВВ бывают метательные, бризантные и промежуточные. Метательные ВВ характеризуются незначительной скоростью взрывчатого разложения (400... 2000 м/с) и дают при взрыве медленное образование газов с постепенным нарастанием давления, которое раскалывает окружающую породу на куски и отбрасывает их. В строительстве в качестве метательных ВВ применяют дымный и бездымный порох. Бризантные ВВ (динамит, тол, мелинит) характеризуются высокой скоростью взрывчатого разложения (2000 ... 8500 м/с) и вследствие этого способностью дробить породу без ее разброса. К промежуточным (амонит, динамит, оксиликвит) относят ВВ, обладающие как свойствами метательных, так и бризантных ВВ.

В зависимости от средств, применяемых для начального разложения ВВ (пламени, искры, удара), различиют три основных способа взрывания; огневой, электрический и при помощи детонирующего шнура. Пламя, искра или удар передаются ВВ через средства взрывания, к которым относятся капсюль-детонатор, электродетонатор, огнепроводный и детонирующий шнуры, средства зажигания, а также источники и проводники электрического тока.

При огневом способе в качестве средств взрывания применяют капсюль-детонатор и огнепроводный шнур. Капсюль-детонатор представляет собой открытую с одного конца гильзу, в которую запрессованы первичные (в чашечку) и вторичные (в капсюль) инициирующие ВВ. В свободную часть гильзы помещают конец огнепроводного шнура, вызывающего взрыв первичного инициирующего ВВ через отверстие в чашечке. Этот взрыв передается вторичному инициирующему веществу и от него основному заряду ВВ,

Огнепроводный шнур состоит из заключенной в изоляцию мастики, слабо спрессованной сердцевины, выполненной из зерен дымного пороха. Средствами для зажигания огнепроводного шнура могут служить: фитиль, зажигательная свеча или зажигательный патрончик. Из капсюля-детонатора и огнепроводного шнура изготовляют зажигательную трубку, которая в соединении с патроном ВВ образует патрон-боевик. Последний вводится в заряд ВВ и взрывает его при воспламенении зажигательной трубки. Огневой способ применяется для взрывания одиночных зарядов или разновременного взрывания группы зарядов.

При электрическом способе в качестве средств взрывания используют электродетонаторы, электропроводные шнуры и источники тока, Электродетонатор состоит из смонтированных в одной гильзе капсюль-детонатора и электровоспламенителя. Электровоспламенитель состоит из мостика накаливания и капли воспламеняющегося состава. При прохождении электрического тока мостик накаливается и воспламеняет капельную головку, что вызывает взрыв первичного инициатора, от него — взрыв вторичного инициатора, а затем взрыв основного заряда ВВ. Промышленность выпускает электродетонаторы мгновенного н замедленного действия.

Источник тока (электрическая сеть или взрывные машинки, аккумуляторы, гальванические элементы и др.) соединяется с электродетонаторами последовательным, параллельным, пучковым или параллельно-последовательным способами. Наиболее экономично по расходу проводов последовательное соединение, но оно наименее надежно, так как при неисправности мостика накаливания одного электродетонатора сеть разрывается. Параллельное соединение применяется при сильных источниках тока. Параллельно-последовательное соединение целесообразно использовать в тех случаях, когда число и сопротивление собираемых в группы электродетонаторов одинаковы.

Электрический способ взрывания применяют при необходимости взорвать большую серию зарядов на значительном расстоянии одновременно или с необходимым замедлением.

Взрывание с помощью детонирующего шнура производят без введения капсюль-детонатора в заряд ВВ. Взрыв заряда вызывают детонирующим шнуром, состоящим из сердцевины, выполненной из высокобрезантного ВВ, и проходящих по ее оси направляющих нитей. Изоляция детонирующего шнура позволяет применять его для взрыва в обводненных условиях. Детонирующий шнур передает детонацию со скоростью 6500 м/с, т. е. практически мгновенно.

Взрывание при помощи детонирующего шнура применяют для одновременного взрыва серии зарядов, соединенных в общую сеть, а также для обеспечения полноты взрыва удлиненных зарядов, для чего шнур пропускают через весь заряд.

При взрыве на выброс в грунте образуется конусообразное углубление — воронка. Грунт, выброшенный взрывом, под действием силы тяжести падает частично в воронку и частично вокруг нее.

Метод шпуровых зарядов состоит в том, что в породе выбирают шпуры, в которые помещают заряды ВВ. По глубине шпуров различают мелкошпуровой метод и метод глубоких шпуров. Мелкошпуровое взрывание используют при вторичном взрывании больших камней, корчевке пней, рыхлении смерзшегося грунта и др. Глубина шпура при этом не превышает 2м. Метод глубоких шпуров применяют при взрывных работах с высотой уступа до 10м для сброса и обрушения грунта, а также на открытых работах при небольшой мощности пластов или при послойной разработке грунтов.

При разработке уступа воронки выброса будут направлены к груди забоя, а основание призмы составит равнобедренный треугольник с высотой и и длиной ос­нования 2h. Расстояние первого ряда шпуров h. от груди забоя принимается равным 2/3 глубины шпура при высоте забоя до 3 м, а при большей высоте уступа это расстояние назначают 1/2 глубины шпура. При групповом расположении расстояние а между шпурами определяется из условия правильного размещения зарядов n принимается 0,5...0,75 глубины шпура. Расстояние между рядами шпуров h₁ назначается 0,6...0,9 глубины шпура. Размещаемый в шпуре заряд ВВ не должен занимать более 2/3 его длины. Верхнюю часть шпура заполняют забивкой. Взрывают каждый ряд шпуров одновременно, сначала — ближайший к груди забоя ряд, затем последующие.

Расстояния между рядами шпуров и шпурами в рядах проверяют опытными взрывами. Расстояние от центра заряда до поверхности грунта принимают равным примерно 0,8 глубины шпура.

Метод скважинных зарядов отличается от шпурового только тем, что заряды размещаются в скважинах диаметром до 300 мм и глубиной до 30 м. Скважины бурят ниже подошвы забоя (перебур) на глубину 1..2 м, что повышает эффект действия взрыва. Заряды обычно применяют удлиненные—сплошные или прерывистые. Расстояние скважины от забоя и, т. е. л. н. с. зависит от высоты забоя H и составляет в пределах от 0,5H при H=10 м до 0,25H при H=25 м. Расстояние между скважинами в ряду принимается 0,7...0,9h, а между рядами (при двух и более рядах скважин) — 0,7...0,8h. Скважинные заряды взрывают электрическим способом; сеть обязательно дублируют. При применении метода скважинных зарядов благодаря большому объему взрываемой породы, приходящемуся на 1м скважины, значительно снижаются расходы на бурение.

Метод котловых зарядов заключается во взрывании сосредоточенных зарядов, размещаемых в котлах, образованных простреливанием шпуров или скважин. Применение этого метода резко увеличивает объем породы, разрушаемой взрывом заряда, и снижает расход буровых работ по сравнению с методом шпуровых и скважинных зарядов.

При методе камерных зарядов рыхление породы производится взрывом сосредоточенных зарядов большой массы, помещаемых в специальные горные выработки — камеры. Для размещения камерных зарядов во взрываемом массиве проходят вертикальные шурфы или горизонтальные штольни. Метод применяют для обрушения значительных массивов породы и образования котлованов, траншей или устройства насыпей, дамб, выемок и других инженерных сооружений подрыванием грунтов (пород) на выброс.

Для массового обрушения породы при высоте уступа до 8 м применяют шурфы, а выше 8м — штольни. Метод используют с двух- или трехрядным расположением ка­мер. Расстояние между камерами и рядами камер принимают 0,8...1,4W, что зависит от крепости породы и от потребной степени ее дробления. Линию наименьшего сопротивления W принимают равной 0,7...0,8 от высоты забоя.

Метод щелевых зарядов применяют для рыхления мерзлых грунтов при устройстве нешироких траншей. При этом методе при помощи баровой машины с двух сторон будущей траншеи в мерзлом грунте прорезают щели — рабочая и компенсационная. Первая щель предназначена для закладки по высоте двух или трех удлиненных зарядов ВВ. Нижний заряд укладывают по всей длине щели, а верхние — с промежутками. При взрыве нижний заряд как бы подрезает основание призмы грунта, а верхние дробят его. Грунт энергией взрыва смещается в сторону компенсирующей щели. Разрыхленный мерзлый грунт затем выбирается. Щелевые заряды ВВ могут применяться при рыхлении грунтов и на больших площадях. В этом случае всю площадь прорезают параллельными щелями и производят рыхление последовательным взрывом зарядов ВВ, расположенных в смежных щелях.

При щелевом методе рыхления мерзлых грунтов по сравнению со шпуровым производительность труда возрастает в 4...5раз.

П ри разработке котлованов, траншей, выемок и др. рыхлением породы с одновременным выбросом в зависимости от их поперечного профиля и ширины избирают одно-, двух- или трехрядное расположение зарядов. Если нужно получить поперечный профиль треугольного сечения, прибегают к однорядному взрыванию сближенных зарядов. Для получения трапециевидного сечения заряды располагают в два или три ряда. Располагать заряды больше, чем в три ряда, не рекомендуется, так как в противном случае значительное количество грунта падает обратно в выемку. При трехрядном взрывании заряды среднего ряда располагают в шахматном порядке и вес ВВ увеличивают на 25...50 % по сравнению с весом зарядов крайних рядов. Взрыв зарядов среднего ряда осуществляют с замедлением в 2...4 с после взрыва крайних рядов.

Для достижения направленного выброса в одну сторону необходимо, как минимум, двухрядное расположение зарядов. Взрыв начинается с зарядов со стороны направленного выброса, а через 2...4 с выполняется взрыв зарядов другого ряда. При этом грунт, поднятый при взрыве первого ряда, перемещается в сторону выброса энергией взрыва второго ряда.

Производство взрывных работ связано с определенной опасностью, требует правильных расчетов зарядов; специально обученный персонал должен иметь право на руководство взрывными работами (инженерно-технические работники) и их выполнение (рабочие). Поэтому в строительстве взрывными работами занимаются только специализированные организации.

РАЗРАБОТКА ГРУНТА В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ

1. Общие положения Значительная часть территории Советского Союза расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем примерно 20 % общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом грунте.

При замерзании грунта его механическая прочность значительно возрастает и затраты машинного времени на его разработку увеличиваются в несколько раз, что приводит к удорожанию работ. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов; даже при наличии водонасыщенных слабых грунтов нет необходимости в шпунтовых ограждениях и водоотливе. Таким образом, общее удорожание земляных работ, выполняемых в мерзлых грунтах, может быть не таким уж значительным.

При каком состоянии грунта — талом или мерзлом — следует разрабатывать данную выемку, решается в каждом отдельном случае с учетом всех конкретных местных условии: климатических, мерзлотно-грунтовых и гидрогеологических, вида земляных работ, увязки по срокам с другими строительными работами и др. Разрабатываемый мерзлый грунт состоит из отдельных комьев, образует много

пустот и плохо поддается уплотнению. Поэтому применять его для устройства насыпей, как правило, не рекомендуется. Иногда грунт укладывают во временные отвалы, расположенные вблизи проектируемой насыпи. В этих отвалах грунт оттаивает, после чего его укладывают в насыпь, что также повышает трудоемкость и стоимость работы по возведению этого сооружения,

В северо-восточной части нашей страны, где расположена зона вечномерэлых грунтов, находящихся в талом на поверхности состоянии лишь меньшую часть года, необходимо разрабатывать грунты в мерзлом состоянии.

Земляные работы в зимнее время осуществляют следующими тремя основными методами. При первом методе проводят предварительную подготовку грунтов с по­следующей их разработкой обычными методами; при втором — мерзлые грунты нарезают предварительно на блоки; при третьем — мерзлые грунты разрабатывают без их предварительной подготовки.

Эффективность каждого метода определяется объемом работ, метеорологическими, гидрогеологическими условиями, наличием необходимых машин и механизмов, энергоресурсов. Окончательно тот или иной способ разработки грунта в конкретных условиях может быть выбран только путем сравнения различных вариантов их разработки.