Тема 3.5. Классификация машин и методов бурения скважин,

ВОПРОСЫ:

УСТАНОВКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

При вращательном бурении рабочему инструменту — режущей го­ловке сообщается два вида непрерывного движения: вращательное (вокруг ее вертикальной оси) и поступательное (вдоль оси). Совершая эти движения, инструмент разрушает грунт в забое скважины и под­нимает его от забоя вверх по спиральной поверхности шнека, рас­положенного непосредственно за режущей головкой. Режущая головка и шнек вместе образуют рабочий орган установок враща­тельного бурения, часто называемых поэтому установками шнеко- вого бурения. После заполнения витков шнека разрушенным грунтом бурение приостанавливают, рабочий орган извлекают из сква­жины и сообщают ему ускоренное вращение, что приводит к его бы­строй разгрузке от грунта под действием центробежных сил. Затем рабочий орган снова опускают в скважину и продолжают проходку до следующего заполнения витков шнека. Таким образом, процесс проходки скважины протекает не непрерывно, а циклически.

Установки вращательного бурения, предназначенные для раз­работки скваяшн под свайные опоры, выполняются в основном само­ходными на базе автомобилей и тракторов.

Поскольку эти машины, как правило, кроме бурового оборудо­вания снабжаются крановым для подтаскивания и установки в про­ б у ронные скважины свай, они называются еще бурильно-кра- новыми машинами

Рис. 112. Принципиальная схема установки ударно-канатного бурения и типы рабо­чего инструмента а - схема станка; б — буровой инструмент; I — инструмент в сборе; II, III, IV — типы долота; У — желонка.

Рис. 114. Кинематическая схема машины МБМ:

I — двигатель; 2 — насос гидропривода; 3 — электрогенератор для освещения и обогрева! I — реверс; 5 — лебедка крана К53; 6 — редуктор поворота; 7 — поворотная платформа; к — грузовой полиспаст; 9 — полиспаст подъема буровой штанги; 10 — механизм зажима и подачи штанги; 11 — вращатель; 12 — буровая головка; 13 — редуктор отбора мощности;

14 — поворотный редуктор; 15 — коробка перемены передач.

УСТАНОВКИ ВИБРОУДАРНОГО БУРЕНИЯ

Принцип действия установок виброударного бурения, в отличие от вибрационного, заключается в сообщении трубе-лидеру ударных нагрузок при помощи вибромолота, связанного с трубой посредством пружин. При этом отпадает необходимость в специальной техноло- I и ческой операции по вытряхиванию грунта из внутренней полости рабочего инструмента, так как керн под действием ударов переме­щается по трубе-лидеру вверх и там вываливается наружу через предусмотренные для этого разгрузочные окна. Последнее обстоя­тельство делает возможным совмещение операций по проходке и эва­куации грунта.

Современные установки виброударного бурения являются наибе ice эффективными машинами для разработки скважин под свайные опоры в мерзлых и талых грунтах (рис. 116).

В отличие от рассмотренных ранее установок, машинам этого гина свойственны следующие важные преимущества:

более высокие скорости проходки

возможность осуществления непрерывного технологического цикла (без предварительного опорожнения трубы-лидера перед каж­дым новым погружением);

меньшая энергоемкость процесса проходки, обусловленная минимальным объемом разрабатываемого грунта;

отсутствие уплотнения грунтового' керна вследствие суще­ственно нелинейного характера колебаний трубы-лидера

Рис. 117. Схема виброударного бурения:

а—е — положение рабочего органа.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОПАРИВАНИЯ ГРУНТА

Способ погружения свай в принудительно оттаиваемый грунт нашел применение преимущественно в районах распространения низко­температурных однородных тонкодисперсных грунтов без наличия твердых включений.

Оттаивание мерзлого грунта осуществляется обычно при помощи пара. Для этого используются парообразовательные агрегаты, со­стоящие из парового котла и паровых игл. Паровая игла представляет собой тонкостенную трубу необходимой длины с конусным наконечником в забойной части, имеющим отверстия для выхода пара .К верхней части иглы при­соединяется шланг паропровода, идущий от парового котла. Выходящий из нако­нечника перегретый пар оттаивает грунт, способствуя погружению иглы. На задан­ной глубине игла выдерживается в тече­ние некоторого времени, постепенно от­паивая и разжижая прилегающий грунт. Иатем она извлекается, и на ее место в грунт погружают сваю под действием собственного веса или принудительно.

Парооттаивание целесообразно лишь при проходке небольших скважин глу­биной 2—5 м.

В связи с развитием буровой техники метод пропаривания ни тесняется методами, основанными на погружении свай в предвари тельно пробуренные скважины. Причина этому прежде всего в том, что при пропаривании многолетнемерзлого грунта резко нару шается его многими годами установившийся температурный режим, на восстановление которого в зависимости от вида грунта, продол жительности и площади пропаривания требуется от трех до- шести месяцев, после чего появляется возможность нагружать сваю пол ной нагрузкой. Известны случаи, когда мерзлота вовсе не восстана­вливается. «

Применение метода йропаривания сдерживается также громозд­костью и трудоемкостью эксплуатации паровых установок.

Для ускорения смерзания сваи с грунтом в некоторых случаях применяются холодильные установки, однако ввиду высокой стои­мости и малого эффекта широкого распространения они не получили

УСТАНОВКИ ТЕРМИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

Принцип термического бурения заключается в быстром и неравно­мерном нагреве поверхностного слоя грунта скоростной струей вы­сокотемпературных газов, что вызывает в нем значительные термиче­ские напряжения, под действием которых очередной поверхностный слой растрескивается и выдувается из скважины, обнажая для по­следующего разрушения новый слой грунта.

Генератором высокотемпературной газовой струи является ре­активная горелка — хермобур, в котором в качестве горючего применяется керосин или бензин, а в качестве окислителя — сооот- ветственно кислород или воздух.

Схематермобура: I niiiiiMiui; 2— сопловая крышка; з— Норму!'; ' ■ кпмера сгорания; 5 — уплот- мпиио; а - форсунка; 7 — клапан обрат- in.iOj н переходник; 9 — штанга.

.УСТАНОВКИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

Термомеханический метод бурения представляет собой комбинацию термического и механического методов бурения и сочетает одновре­менное воздействие на грунт высокотемпературной газовой струи, истекающей со сверхзвуковой скоростью, и механического враща­тельного бурового инструмента при наличии осевого усилия (рис. 122, а, б).

iixliiii.

Рис. 122. Рабочая головка установки термомеханического буре­ния, оснащенная шарошками (а) и плашками (б).

Скорость термомеханического бурения больше скорости терми­ческого и механического, а также их суммы при раздельном ведении процесса (в случае использования одного и того же рабочего органа).

.МАШИНЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ ПОД ЗАРЯДЫ НЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ (ВВ)

. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ

I! тех случаях, когда разработку грунта описанными в предыдущих | лавах землеройными машинами производить невозможно или затруд­нительно (например, при отрытии траншей в скальных грунтах или первоначальный этап образования полок в горах, когда ни одну из землеройных машин нельзя установить на крутом склоне), при­меняют взрывной метод.

Для этого в грунте бурят скважины малого диаметра — шпуры, и которые затем закладывают заряды ВВ.

Отечественной промышленностью выпускаются машины и меха­низмы для вертикального, наклонного и горизонтального бурения шпуров диаметром от 20 до 100 мм на глубину от 1 до 10 м. Йо спо­собу разрушения грунтов и горных пород их можно разделить на устройства ударного, ударно-вращательного, вращательного и тер­мического бурения. Для осуществления процесса бурения исполь­зуются следующие виды энергии: сжатого воздуха, сгорающих газов и электрическая.

По конструктивному оформлению существующие буровые ма­шины и механизмы разделяются на ручные (переносные) устройства, буровые станки и самоходные буровые установки

. МАШИНЫ УДАРНОГО БУРЕНИЯ

Ударное бурение применяется преимущественно в прочных породах с, коэффициентом крепости / ^г 6 по шкале проф. М. М. Протодья- конова. Рабочим инструментом является бур — стальной стержень диаметром 22—32 мм, имеющий плоский затыльник с одного конца и коронку с заостренным лезвием с другого. Принцип ударного бурения заключается в следующем (рис. 124, а — в). При нанесе­нии удара по затыльнику бура его лезвие внедряется в породу на глубину h (рис. 124, а), сминая ее и образуя в ней щель (см. рис.. 124, б). Часть энергии удара, передаваясь через снятую породу, iii.i iuiiaoT ее скалывание по краямщели. Однако величина скалывания ограничена зажатием породы на малой поверхности забоя шпура. После первого удара бур поворачивают на некоторый угол со и снова наносят удар по его затыльнику, при этом лезвие делает новую щель в породе

Рис. 124. Схема разрушения в ударном бурении

Процесс вращательного бурения по сравнению с ударным — не прерывный. Поэтому вращательное бурение (в тех породах, где ими применимо) производительней ударного.

Ударно-вращательное бурение является в принципе вращатель ным бурением, но таким, при котором буровой инструмент кроме воздействия большого статически приложенного осевого усилия и крутящего момента подвергается дополнительно воздействию дина мических нагрузок — ударов. В результате этого резец лучше внедряется в породу и снимает более толстую стружку

Рис. 127. Разрушение грунта при вращательном бурении: а — схема процесса; б — рабочий инструмент с симметричной заточкой; с — то же, но с асимметричной заточкой; г — углы заточки резца

МАШИНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

Термическое бурение особенно эффективно в крепких крупно­кристаллических горных породах, образованных различными мине­ралами, обладающими высокими коэффициентами объемного расши­рения и совершенно не эффективно в мягких талых грунтах.

Рис. 129. Схема работы ручного термобура: I — козырек отражатель; II — термобур; III — шланг воздушный; IV— шланг бензиновый; У — бензобак; VI — компрессор; 1 — завихритель; 2 — форсунка;

3 — шаровая труба; 4 — корпус термобура; S — сопло.