4. Расчётная часть
4.1. Расчет параметров гсц горных пород
Работы по гидроструйной цементации горных пород выполняются в два этапа.
На первом этапе,
во время прямого хода буровой колонны,
производится бурение пилотной скважины
диаметром
до проектной отметки, предусмотренной
для формирования закрепленного массива
(рис. 4). Промывочный раствор под низким
давлением (чаще всего до 5 МПа) поступает
через канал в буровой колонне к
механическому разрушающему инструменту
и осуществляет удаление шлама методом
прямой промывки. В качестве промывочного
раствора традиционно используются
вода, бентонитовый или цементный раствор.
На втором этапе,
перед процессом обратного хода буровой
колонны, в промывочный канал подается
воздушно- водоцементный раствор под
высоким давлением P.
Автоматическое клапанное устройство,
реагируя на повышение давления подаваемого
раствора, перекрывает каналы промывки,
одновременно открывая подачу раствора
(с плотностью ρ) в струеформирующее
устройство (диаметром
,
коэффициентом расхода
),
расположенное в непосредственной
близости от бурового инструмента и
сориентированное таким образом, чтобы
высокоскоростные водоцементные струи
истекали в направлении, перпендикулярном
оси пилотной скважины. После этого
осуществляется перемещение буровой
колонны (со скоростью V).
После выполнения
полного обратного хода из скважины
удаляется буровая колонна. Таким образом,
после затвердевания, формируется
закрепленный массив (диаметром
)
и длиной, равной длине пилотной скважины.
Рис.11. Схема ГСЦ закрепляемого массива:
1 – буровая колонна; 2 – струеформирующая насадка; 3 – водоцементная суспензионная струя; 4 – расширитель; 5 – породобетон; 6 – закрепляемый исходный массив;
- диаметр закрепляемого массива, м; R1, R2 - радиуса бурового става и радиуса расширителя со струеформирующими устройствами, м. ρ – плотность водоцементной суспензии, кг/м3; - коэффициент расхода через струеформирующую насадку; - диаметр струеформируещей насадки, м; Р - давление цементного раствора, МПа; V- скорость перемещения буровой колонны, м/с; Рпр - усилие прокола Н, С - коэффициент сцепления горной породы, МПа
Все факторы процесса ГСЦ можно разделить на следующие группы:
- конструктивные: R1, R2 - радиусы бурового става и радиусы расширителя со струеформирующими устройствами, коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку , диаметр отверстия струеформируещей насадки ;
- режимные: плотность
водоцементной суспензии ρ,
скорость перемещения буровой колонны
,
давление водоцементной суспензии
;
- физико-технические свойства горных пород.
В качестве основных
критериев оценки эффективности процесса
ГСЦ горных пород традиционно принимаются:
диаметр закрепляемого породного массива
,
скорость приращения объема закрепляемого
породного массива
(производительность).
Скорость приращения объема закрепляемого массива (м3/с) определяется по формуле:
, (1)
где – диаметр закрепляемого массива, м; V – скорость перемещения буровой колонны, м/с.
Вопрос получения водоцементного раствора, рецептуры его состава, применения различных присадок и добавок изменяющих свойства раствора, а также его транспортирования до буровой установки под высоким давлением достаточно полно изучен, и исчерпывающие рекомендации щироко предствлены в соответствующей литературе
Исходные данные для расчета должны включать:
необходимый диаметр закрепляемого массива , м;
гидравлическая мощность насосной установки N, Вт (выбирается из параметрического ряда оборудования для ГСЦ);
давление водоцементного раствора Р, Па (для обеспечения максимальной производительности процесса ГСЦ – принимается максимальное для применяемого насосного блока);
коэффициент сцепления горной породы С, МПа.
Расчет выполняется для ГСЦ инструмента – монитора оснащенного одной струефоримрующей насадкой. В случае если в мониторе устанавливается несколько струеформирующих насадок (k – число струеформирующих насадок) полученное значение для скорости перемещения буровой колонны V, м/с следует увеличить в k раз.
При расчетах принимается плотность водоцементной суспензии ρ = 2000 кг/м3, соответствующая массовому соотношению воды и цемента 1:1.
Основные параметры ГСЦ инструмента и процесса ГСЦ горных пород, определяемые в результате расчета:
- диаметр струеформируещей насадки d0, м;
- рациональная скорость подъема буровой колонны V, м/с, соответствующую максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива G, и минимальной удельной энергоемкости процесса ГСЦ горных пород.
Для определения неизвестных параметров (d0, V) необходимо решить уравнение расчета диаметра закрепляемого массива.