ТСП Лекции 5 / Лекция 5.11 Разработка грунта бурением

Разработка грунта бурением.

В строительстве бурение используют при исследовании свойств и качеств грунтов, определении уровня грунтовых вод, устройстве скважин водоснабжения и водопонижения грунтовых вод, выполнении земляных работ с применением взрывчатых веществ, разработке и дроблении твердых пород, устройстве свайных оснований, искусственном закреплении грунтов и т. п. Для этого в земной коре сооружают вертикальные, наклонные или горизонтальные цилиндрические выработки разных диаметров и глубин. Такие работы называют буровыми.

Буровые выработки делают в виде шпуров и скважин.

Шпуры — это цилиндрические выработки диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Скважины — выработки более глубокие с диаметром, превышающим 75 мм. Верхнюю часть шпура или скважины называют устьем, нижнюю (дно выработки) — забоем, боковые поверхности — стенками.

По характеру образования буровых выработок различают бурение сплошным забоем и колонковое. При бурении сплошным забоем всю породу в скважине разрушают и удаляют в разрушенном виде. При колонковом бурении разрушение породы происходит лишь по кольцевой поверхности забоя, а внутреннюю часть породы в виде цилиндра (керна) извлекают из скважины целиком.

При бурении породу разрушают механическим или физическим воздействием.

Механические способы бурения. Вращательный метод.

Технологический процесс механического бурения складывается из операций по разрушению породы, подаче ее на поверхность, обеспечению устойчивости стенок буровых выработок и вспомогательных операций. Грунт в забое разрушают резанием, истиранием, ударами, сколом и комбинированным воздействием (например, истиранием и ударом).

Измельченный грунт транспортируют на поверхность двумя методами: гидравлическим, при котором грунт удаляют путем вымывания его водой, направляемой в выработку под давлением, и сухим, когда измельченный грунт удаляют сжатым воздухом или винтовым конвейером.

Механическое бурение ведут тремя основными способами: вращательным, ударным и вибрационным.

При вращательном способе бурения грунт забоя разрушают вращением бурового инструмента, при ударном способе — нанося удары по грунту буровым снарядом, при вибрационном — воздействием колебаний высокой частоты (до 2500 колебаний в 1 мин). В некоторых случаях для получения наибольшей эффективности при бурении пользуются комбинированными способами — ударно-вращательным или вибровращательным. Механическое бурение выполняют буровыми станками и машинами. Ручное бурение ведут при незначительных объемах работ, в мягких грунтах с глубиной бурения не более 5 м.

Вращательный способ бурения характеризуется высокой производительностью (в 3...5 раз превышающей производительность ударного бурения), более низкой стоимостью буровых работ, возможностью бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин. При вращательном способе бурения порода забоя истирается, ее режут или скалывают буровым инструментом, жестко закрепленным на нижнем конце вращающейся штанги.

Основные виды вращательного способа бурения — шнековое, колонковое и роторное, выполняемые с помощью самоходных установок или станков.

Шнековое бурение применяют для скважин диаметром 110 ...125 мм и глубиной до 30 м в мягких и мерзлых грунтах. Шнековые буровые станки (рис. 1а) имеют металлическую раму, состоящую из двух направляющих стоек, установленных на передвижной

- 1 -

платформе или на полозьях. По направляющим стойкам рамы перемещается электродвигатель с редуктором, в шпиндель которого вставлены рабочие буровые штанги. Рабочие штанги длиной 2 м представляют собой трубы, на поверхности которых по винтовой линии наварены стальные полосы — реборды. Извлекают штанги с помощью ручной лебедки. По мере углубления скважины штанги наращивают, соединяя их между собой специальными патронами. Звенья заканчиваются рабочей частью в виде долота или лопастного резца, которые при вращении штанг врезаются в породу. Выбуренная порода с помощью винтового конвейера выдается на поверхность.

Рисунок 1. Станки и инструмент вращательного бурения: а — схема станка шнекового бурения; 1—резец; 2 — платформа; 3 — лебедка; 4 — направляющая стойка; 5 - штанга с ребордой; 6

— электродвигатель; б — колонковый снаряд; 1 — кольцевая коронка; 2 — колонковая труба; 3 —переходная муфта; 4 — вращающаяся штанга станка; в — кольцевые коронки армированные; 1 — резцы, армированные твердыми сплавами; 2 — алмазные резцы; г — схема станка роторного бурения; 1— бурильная труба; 2 — лебедка; 3 – роторвращатель; 4 — вертлюг; 5 — вышка; 6 — рабочая труба; 7 — соединительная труба; 8 — насос; 9 — бак с глиняным раствором; 10 — долото; д — рабочие наконечники; 1 — шарошечное долото; 2 — лопастное уступчатое долото; 3 — лопастное долото «рыбий хвост».

Колонковое бурение применяют для проходки скважин диаметром 45...130 мм и глубиной до 200 м. Колонковые установки или станки имеют лебедку подъема трубчатых штанг и механизм для их вращения. На конце штанги находится рабочая часть — колонковый снаряд (рис. 1б) с кольцевой коронкой, армированной резцами из твердых сплавов или алмазами (рис. 1в). При вращении бурового снаряда колонка под действием осевого давления внедряется в породу, образуя кольцевую выработку породы вокруг керна, входящего в колонковую трубу. После проходки на необходимую глубину буровые штанги вместе с колонковым снарядом и керном поднимают лебедкой на поверхность. В процессе бурения в забой скважины насосом через бурильные трубы подают глинистый раствор (или воду). Смешиваясь с частицами разрушенной породы, глинистый раствор выносит их на поверхность по кольцевому пространству между штангами и стенками скважины. Глинистый раствор охлаждает бурильный инструмент и одновременно предотвращает обрушение стенок скважины.

Роторное бурение чаще всего используют для устройства скважин значительных диаметров (300...400 мм) и большой глубины (150...1200 м). Роторная бурильная установка состоит из вращателя — ротора, сборной вышки и оборудования для промывки скважины глинистым раствором (рис. 1г). Рабочая (ведущая) труба проходит через вкладыши круглого стола ротора, который предназначен для передачи вращения от двигателя к бурильным трубам, присоединенным к рабочей трубе. Размеры вкладышей ротора соответ-

- 2 -

ствуют наружному диаметру рабочей трубы, что позволяет ей одновременно с вращением перемещаться вверх и вниз. Нижний конец бурильной трубы чаще всего имеет шарошечные и лопастные долота (рис. 1д), которые разрабатывают грунт по всей площади забоя скважины. Верхним концом рабочая труба соединена с вертлюгом, к нему присоединен рукав от насоса, подающий в бурильные трубы глинистый раствор. Всю систему рабочих и бурильных труб с вертлюгом подвешивают к крюку. Рабочие и бурильные трубы поднимают и опускают канатом, навитым на барабан лебедки.

Ударный способ бурения

При ударном способе бурения разработку ведут сплошным забоем на полное сечение скважин глубиной до 250 м (с начальным диаметром 300 и конечным 150 мм). Сплошной забой применяют при бурении скважин для водоснабжения, детальной разведки каменных материалов, инженерно-геологических исследований, при замораживании грунта, устройстве набивных свай и т. п.

Ударный способ бурения подразделяют на ударно-канатный, ударно-штанговый и ударно-вращательный.

При ударно-канатном бурении буровой снаряд массой до 3 т падает с высоты более 1 м в забой скважины, развивая значительную силу удара. Станок ударно-канатного бурения (рис. 2а) работает следующим образом. Через блок опорной мачты бурильного станка перекинут канат, проходящий под балансирным роликом и огибающий далее направляющий ролик. Канат закреплен на барабане лебедки. Балансирный ролик получает от кривошипно-шатунной передачи качательное движение, благодаря чему происходят периодические подъемы и падения бурового снаряда, состоящего из ударной штанги, канатного замка и долота. Долото может быть плоским, двутавровым, крестовым и округляющим. Изготовляют их из легированной стали. Во время бурения в скважину заливают воду, образующую с тонкоизмельченной породой шлам, который периодически вычерпывают полым цилиндром (желонкой) с клапаном на нижнем конце. Производительность станков ударно-канатного бурения до 30 м в смену.

Рисунок 2. Станки и инструмент ударного бурения: а — схема станка ударно-канатного бурения; 1 — блок; 2 — опорная мачта; 3 — балансирный ролик; 4 — направляющий ролик; 5 — лебедка; 6 — кри- вошипно-шатунная передача; 7 — канатный замок; 8 — ударная штанга; 9 — долото; б — станок ударно-вращательного бурения: 1

— пневмоударник; 2 — обеспыливатель; 3 — буровая штанга; 4 — рукав для воздуха; 5 — электрокабель; 6 — вращатель; 7 — лебедка; S — станина; 9 — противовес; в — схема пневмоударника: 1 — путь сжатого воздуха; 2 — цилиндр; 3 — выход воздуха; 4 — воздухораспределительное устройство; 5 — сжатый воздух; 6 — поршень со штоком; 7 — выход сжатого воздуха; 8 — коронка; г — виды буровых головок: 1 — однодолоточная; 2 — двухдолоточная; 3 — крестовая; 4

— звездчатая.

- 3 -

Ударно-штанговое бурение применяют, когда необходимо обеспечить минимальное вертикальное отклонение оси скважины. Буровой снаряд опускают в скважину на бурильных трубчатых штангах, соединенных между собой замками с конической резьбой. Подвешивают колонны бурильных штанг с помощью вертлюгов усиленной конструкции. Ударно-вращательным бурением устраивают шпуры и скважины в породах различной крепости.

С помощью станков ударно-вращательного бурения (рис. 2б) проходят скважины глубиной до 30 м в весьма крепких породах. Главная особенность этого способа состоит в том, что вращение и ударное действие инструмента выполняют двумя независимыми ме- ханизмами—вращателем и пневмоударником. Пневмоударник (рис. 2в) представляет собой пневматический молоток, в котором движущийся возвратно-поступательный поршень со штоком наносит своим бойком удары по хвостовику коронки. Коронка при бурении может передвигаться вдоль оси пневмоударника на 20 мм. Сжатый воздух поступает к пневмоударнику по буровым штангам. При работе станка вращатель, состоящий из электродвигателя и редуктора, приводит во вращение буровую штангу и пневмоударник, внедряющийся в грунт. Выходящую из скважины буровую пыль улавливает обеспыливатель.

Перфораторы, применяемые для бурения шпуров, бывают ручные массой до 24 кг (при глубине шпура до 3 м) и станковые массой до 40 кг. Они обеспечивают бурение шпуров глубиной до 5 м. Воздух (2...4 м3/мин) к перфоратору подводится от компрессора. Рабочий орган перфоратора — буровая головка (рис. 2г). При бурении не трещиноватых пород мягкой и средней крепости применяют головку с одним долотом, армированную твердыми сплавами. Двухдолотчатыми головками бурят вязкие и трещиноватые породы. Головки крестообразной формы используют для бурения пород средней крепости с незначительной трещиноватостью, а также вязких пород. Крепкие и трещиноватые породы бурят с помощью кресто- и звездообразных головок.

Перфораторные молотки по очистке каналов от пыли и каменной мелочи подразделяют на сухие и мокрые. Перфораторы мокрого типа имеют специальные устройства для промывки канала водой, а в перфораторах сухого типа канал продувают воздухом. Более предпочтительным является мокрое бурение, так как применение для промывки канала воды снижает сопротивляемость породы и увеличивает стойкость головки бура из-за ее охлаждения водой и уменьшения трения о стенки канала.

Вибрационный способ бурения.

Вибрационным способом бурят шпуры и скважины (диаметром до 125 мм и глубиной до 25 м) в мягких грунтах.

При вибрационном способе бурения грунт под действием вибрирующего снаряда выделяет связную жидкость, а частицы грунта в зоне контакта с вибрирующими наконечниками переходят в подвижное состояние. При этом резко снижается сопротивляемость грунта сдвигу и буровой инструмент внедряется в породу. Методы образования каналов вибрационным бурением идентичны вибропогружению свай и шпунта.

Скорость вибробурения довольно высокая. Например, в суглинистых почвах за несколько секунд можно пробурить шпур глубиной до 1 м. С увеличением глубины выработки вибрация бурового инструмента затухает, скорость проходки уменьшается, а на глубине 20...25 м проходка прекращается.

При всех механических способах бурения стенки скважин крепят обсадными трубами с внутренним диаметром 50...200 мм. Колонны обсадных труб составляют из звеньев длиной 1,5...4,5 м, которые опускают при бурении, начиная с большего диаметра. По мере углубления скважин переходят на меньшие диаметры. Звенья труб соединяют муфтами, ниппелями или свинчивают между собой (труба в трубу). Внутренний диаметр труб должен быть 5... 10 мм больше диаметра бурового инструмента. Вверху обсадных труб устанавливают патрубок, защищающий нарезку труб от ударов буровым оборудованием, а внизу — коронку (фрезер), облегчающую опускание колонн обсадных труб.

- 4 -

Физические способы бурения

К основным физическим способам бурения относятся термический и гидравличе-

ский.

При термическом способе бурения горные породы разрушаются высокотемпературным источником тепла — открытым пламенем. Рабочим органом станка термического бурения является термобур с огнеструйной горелкой (рис. 3а), из которой со сверхзвуковой скоростью направляется на забой скважины 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 действуют на забой скважины. С помощью воды горелку охлаждают и удаляют из скважины разрушенную породу.

Рисунок 3. Схемы способов физического бурения: а — схема горелки: 1 — выход воды; 2

— подача кислорода; 3 — подача топлива; 4 — вода; 5 — корпус горелки; 6 — камера сгорания; 7 — упор; 8 — выход газовых струй; б — схема ручного термобура: 1 — насадка; 2 — камера сгорания; 3—топливная трубка; 4 — щиток; 5 — штанги; 6 — воздушный кран; 7 — манометр; 8 — рукав для воздуха; 9 — топливный кран; 10 — рукав для топлива; 11 — редукционный клапан; 12 — топливный насос; 13 — топливный бак; в — схема гидравлического бурения: 1 — насосная установка для подачи воды; 2 — труба; 3 — обсадная труба; 4 — насадка.

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

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.

Разновидностью термического бурения является проходка шпуров с помощью нагретого сжатого воздуха. Этим способом бурят шпуры диаметром 50...70 мм и глубиной до 2 м в мерзлых грунтах. Для бурения используют установку, состоящую из компрессора, калорифера и воздухонагревателя. Из компрессора сжатый воздух по рукавам подается в калорифер через вмонтированные в него воздушные трубки и подогревающую коксовую печь. Струя сжатого воздуха, подогретая в воздухонагревателе до 90°С, по рукаву с перфорированным наконечником направляется в грунт, отогревает его, разрыхляет и выбрасывает из скважины.

Термический способ бурения шпуров по сравнению с механическим является более эффективным, и производительность его в 10...12 раз больше при бурении парод кристаллической структуры.

- 5 -

Гидравлический способ бурения (рис 3в) используют для разработки скважин в легких суглинках и плывунах. При этом способе воду нагнетают в скважину через колонну труб и специальную стройную 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. С помощью гидравлического бурения можно проходить скважины глубиной до 8 м со скоростью до 1 м/мин.

Техника безопасности

К буровым станкам допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие специальное обучение и имеющие удостоверение на право управлять такими станками. Персонал, обслуживающий буровые установки, должен быть обеспечен инструкцией по эксплуатации,

вкоторой содержатся следующие сведения и требования: назначение машины и область применения; краткое описание устройства с общими видами основных узлов; кинематическая схема и ее описание; схема и описание системы управления буровой установкой; карта смазки с точным указанием места смазки; сведения о регулировке механизмов, а также данные о предельных нагрузках и скоростях работы буровой установки.

При производстве буровых работ во избежание ранения рук необходимо снабжать рабочих рукавицами, устанавливать защитные щиты и систематически проверять исправность ручных машин. Каждый бурильщик должен работать в предохранительных очках и

врезиновых перчатках. В ночное время все рабочие места должны быть хорошо освещены. В пределах запертой зоны (до 15 м от устья скважины) пребывание посторонних не допускается.

- 6 -