Глава 21. Буровые машины и оборудование 21.1. Назначение и классификация

Бурением называют процесс изготовления в грунте углубления, сопровождающийся разрушением и выносом его на поверхность. Бурение производится при геологических и инже­нерных изысканиях, проведении взрывных работ при строитель­стве земляного полотна и добыче каменных материалов в карье­рах, возведении фундаментов различных зданий и сооружений, установке опор, свай, столбов, в мелиоративном строительстве при водопонижении, а также при посадке деревьев и кустарников.

Углубления в грунте чаще имеют круглую форму в сечении и различную глубину. При этом, если первое не превышает 75 мм, а вторая 5 м, то углубление принято называть шпуром. При боль­ших значениях углубление называют скважиной. Скважины бывают вертикальные, наклонные и горизонтальные. Начало скважины носит название устья, а конец — дна. В процессе рытья скважины машиной дно также называют забоем.

Бурение шпуров и скважин происходит с помощью машин с механическим воздействием на грунт и со специальными фи­зическими методами воздействия. Наиболее распространен пер­вый способ. В нем бурение разделяют на ударно-поворотное, вращательное, ударно-вращательное и вращательно-ударное. В за­висимости от способа бурения машине присваивают соответству­ющее название.

В машинах ударно-поворотного бурения разрушение грунта достигается приложением к инструменту периодических ударных импульсов с поворотом инструмента на некоторый угол. Это позволяет наносить каждый очередной удар инструментом по новому месту забоя и этим увеличивать эффективность бурения. Разрушенный грунт в забое (шлам) периодически удаляется на поверхность из шпуров или скважин промывкой, продувкой или отсосом по специальным каналам в буровом инструменте.

С помощью машин ударно-поворотного бурения можно со­оружать шпуры диаметром 36—46 мм и глубиной до 5 м и сква-

жины диаметром до 100—150 мм и глубиной до 50 м. К машинам этого класса относят бурильные молотки, называемые также перфо­раторами, и станки ударно-канатного бурения.

Станки ударно-канатного бурения разрушают грунт (породу) при периодических подъемах и сбрасываниях инструмента (долота) на поверхность забоя с высоты 0,5—1 м с помощью кривошипно-шатунного механизма. При каждом подъеме долото поворачива­ется на угол 5—10°. Этот поворот происходит за счет раскручи­вания каната при подъеме буровой штанги с инструментом. При падении, когда нагрузка с каната снимается, он восста­навливает свое исходное состояние, закручиваясь, но не пово­рачивая инструмент, ввиду имеющейся между ними муфты.

Измельченный грунт из скважины удаляется периодически после проходки ее на 50—70 см с помощью желонки или стакана, которые устанавливают на станке вместо бурового инструмента. Эти станки позволяют разрабатывать скважины диаметром до 90 см и глубиной до 500 м.

Машины вращательного бурения получили наибольшее при­менение в строительстве. Они разрушают грунт при сооружении скважин посредством вращающегося инструмента, к которому прикладывается значительное осевое усилие подачи. Инструмент у этих машин имеет форму шнека, что позволяет непрерывно уда­лять грунт из скважины. Этими машинами можно сооружать скважины диаметром до 1,7 м и глубиной до 40 м.

В станках ударно-вращательного и вращательно-ударного действия ударный и вращательный механизм работают незави­симо. Основное отличие первых от вторых состоит в том, что у пер­вых имеется погружной ударный механизм — пневмоударник, перемещаемый в скважине вместе с буровой коронкой. У этих станков разрушение грунта в основном происходит путем нане­сения ударов по забою.

Во втором случае ударный механизм совмещен с вращателем и установлен вне скважины. Он выполняет вспомогательную функцию при разрушении грунта по отношению к вращательному механизму. Очищаются скважины от продуктов бурения в этих станках отработанным воздухом, который подается в забой.

Физические способы разрушения грунта являются новыми. Наиболее благоприятные результаты среди них достигнуты при термическом бурении скважин диаметром до 250 мм в крепких горных породах и глубиной до 30 м.

В строительстве получили применение в основном машины первых двух видов.

21.2. МАШИНЫ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ

Эти машины применяют для бурения крепких горных пород. Среди машин ударно-поворотного бурения наибольшее

Рис. 21.1. Буровые коронки перфораторов

распространение получили пневматические перфораторы. По ус­ловиям применения и конструкции поддерживающих перфоратор устройств их разделяют на переносные, предназначенные для работы вручную, с пневмоподдержками или другими установочно-подающими устройствами; колонковые, устанавливаемые на рас­порных колонках, и телескопные, предназначенные для буреция восходящих шпуров.

В перфораторе осуществляется автоматический поворот бура ударно-поворотным механизмом, конструктивно выполненным в виде поршневого двигателя, преобразующего энергию подво­димого сжатого воздуха в энергию возвратно-поступательного движения поршня-ударника. В конце рабочего хода поршень-ударник наносит удар по хвостовику буровой штанги. Одновре­менно с этим или при обратном ходе поршня-ударника с помощью храпового механизма совершается поворот буровой штанги. Сжатый воздух периодически подается не для движения поршня-ударника, а для продувки скважины в продольный канал буро-вой штанги.

Рабочий инструмент перфоратора — бур — бывает цельным | и составным. При глубоком бурении он обычно составной и пред­ ставляет собой набор штанг, соединенных муфтами, буровую коронку и хвостовик. Буровые штанги изготовляют круглыми или шестигранными из стали 28ХГНЗМ или 55СГ.

Буровые коронки (рис. 21.1) состоят из корпуса /, изготов­ляемого из сталей 35ХГСА, 20Х2НЧА или 18Х2Н4МА, и лез­вия 2, армированного плоскими или штыревыми элементами из твердого сплава.

В зависимости от числа и положения лезвий коронки могут быть долотчатыми (рис. 21.1, а и б), крестовыми (рис. 21.1, в.

г, д) и радиальными, состоящими обычно из трех радиальных и одного центрального лезвия (рис. 21.1, е). Долотчатые коронки обычно изготовляют диаметром D = 32—65 мм и применяют при бурении горных пород малой и средней абразивности при широком разбросе крепости. Крестовые коронки диаметром до D = 85 мм используют для бурения абразивных пород средней и высокой крепости. Коронки с радиальными лезвиями применяют при бурении крепких пород средней и высокой абразивности. Их применяют для бурения скважин тяжелыми колонковыми и телескопными перфораторами.

Соединение коронок со штангами обычно резьбовое или ко­нусное (с углом конусности 2° 5'').

Станки ударно-канатного бурения обычно выпускают прицеп­ными и самоходными. Первые устанавливаются на колесах и пере­двигаются с помощью тягача. Вторые (рис. 21.2) наиболее рас­пространены и имеют свой гусеничный механизм 19 передви­жения. На несущей раме 17 у них устанавливается складываю­щаяся мачта 7 и двухбарабанная лебедка с двигателем 16.

Рис. 21.2. Станок удар­но-канатного бурения

В вертикальном положении мачта удерживается раскосами 8. Канат 6, закрепленный одним концом на барабане 15, обогнув блоки 11, 9 и 5, вторым концом соединяется посредством замка 3 с буровой штангой 2, которая на нижнем конце снабжена долотом 1. Блоки 11 и 5 установлены на неподвиж­ных осях. Блок 9, будучи связан посредством ша­туна 12 с зубчатым колесом 13 через кривошип и с осью блока 11 через раму 10, совершает кача-тельные движения, занимая крайние положе­ния I к II (рис. 21.2, б). При этом штанга 2 со­ответственно приподнимается и падает на забой, раз­рушая его. В зависимости от высоты подъема штанги число ударов ее меняется в пределах 45— 60 в минуту.

По мере углубления скважины барабан 15 лебедки оттормажи-вается и сматывающийся с него канат позволяет опускать штангу ниже.

После проходки скважины на глубину 0,5—0,7 м образовав­шийся в ней шлам смешивается с поданной в забой водой и уда­ляется с помощью желонки (рис. 21.3). Желонка представляет собой обечайку цилиндрической формы, снабженную в верхней части вилкой для соединения с канатом, а внизу — коническим днищем с клапаном. Подъем и опускание желонки осуществляется канатом 4 (см. рис. 21.2), наматываемым на барабан 13, который приводится от двигателя посредством шестерни 14.

При бурении станок опирается на грунт четырьмя домкра­тами 18.

Длительный опыт использования станков ударно-канатного бурения показал, что они имеют низкую производительность, отрывая за смену скважины глубиной 3—10 м, и большой расход канатов и долот. В последнее время при бурении скважин боль­шого диаметра все более широкое применение получают машины с ударным воздействием на инструмент дизельными и вибрацион­ными молотами. Последние по мере углубления скважины опу­скаются в нее вместе с инструментом. Это благоприятно сказы­вается на сохранении параметров соударяющихся масс машины. Инструмент в этом случае обычно выполнен в виде трубы, в ниж­ний конец которой ввернута коронка-обечайка с вставными эле­ментами из твердого сплава в пазах по ее торцу. Другой конец трубы (верхний) соединен с молотом. Скорость бурения такими машинами в мерзлых грунтах достигает 0,2—0,3 м/мин.

Шлам из скважины удаляется через трубку, периодически вставляемую внутрь трубчатой штанги инструмента, посредством сжатого воздуха, подаваемого через кольцевой зазор между ними.

При расчете перфораторов и станков ударно-поворотного действия обычно определяют их мощность, усилие, действующее

на инструмент или забой, продолжительность цикла работы, ско­рость бурения и производительность за смену или месяц.

Усилие, действующее на поршень-ударник перфоратора во время его рабочего хода:

Pn = PиF_P, (21.1)

где р_и — среднее индикаторное давление сжатого воздуха в ци­линдре; Fp — рабочая площадь поршня.

Это усилие должно быть достаточным для внедрения лезвия коронки с углом α (°) заострения и диаметром D (м) на глубину h (м) в грунт (породу) приведенной прочностью σ_π (МПа):

P_n = K₁Dhσ_пK₃ (tg a/2 + μ_ι), (21.2)

где Κι — коэффициент, учитывающий форму режущей части коронки, и при долотчатой форме Κ₁ = 2, при крестоеой и ра­диальной форме Κ₁ = 4; σ_π — для песчаника, мергеля, извест­няка принимают σ_π = 51—62 МПа, крепкого песчаника, песча­нистого сланца σ_π = 62—86, для гранита, доломита, мрамора σ_π = 86—112 МПа; К₃ — коэффициент, учитывающий затупление лезвия коронки, К₃ = 1,2—1,3; μ₁ — коэффициент трения ко­ронки о породу, при воздушно-водяной продувке забоя μ₁ = 0,5, при воздушной продувке μ₁ = 1.

Ускорение поршня массой m_п при его рабочем ходе

а_п = Р_п/т_п.

Продолжительность (с) рабочего хода поршня на пути S (м) в цилиндре

t_ρ =[2S/a_п]^1/2;.

Аналогичные зависимости будут иметь место и при обратном ходе поршня-ударника. При этом продолжительность цикла работы перфоратора

Т = t_р + t_в, (21.3)

где t_в — продолжительность обратного хода поршня, с. Число ударов поршня в минуту

n = 60/T. (21.4)

Кинетическая энергия (Дж), развиваемая поршнем в конце его хода (работа удара):

A_p=P_пS

Теоретическая мощность (кВт) перфоратора при рабочем ходе

Np=PпSn/(60*1000) (21 5)

Скорость бурения скважины существенно зависит от угла поворота штанги после каждого удара. Обычно за один ее оборот

по забою наносится 10—15 ударов или в среднем около 12 ударов. Учитывая это, теоретическая скорость (м/мин) бурения

v₀ = 60n/(12T) = 5n/T. (21.6)

При сооружении скважин станками ударно-канатного бурения скорость проходки может быть найдена из условия, что работа А (Дж), затраченная при этом, будет пропорциональна объему V_Р разрушенного грунта (породы) в забое, т. е. для них справедливо равенство

т_иgН_иn_и = К_бF_cквV_б,

где m_и — масса инструмента; H_и — высота его падения при бу­рении; hл„ — число ударов инструментом по забою в секунду; Кб — коэффициент пропорциональности; F_снв — площадь сече­ния скважины.

Отсюда скорость (м/с) проходки при ударно-канатном бурении

v_б ==m_иgH_иn_и/(К_бF_скв)·

Сменная производительность П_см (м/смену) бурения

П_см = 3600T_смv_бК_и,

где Т_см — продолжительность смены, ч; К_и — коэффициент ис­пользования буровой машины в течение смены, обычно К_и = == 0,4—0,5; υ₆ в м/с.

21.3. МАШИНЫ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

Впервые эти машины появились в начале 40-х годов. В настоящее время их широко применяют в строительстве, так как их производительность в 3—4 раза больше, чем у машин удар­но-поворотного бурения.

В связи с тем, что в строительстве часто бывает необходимо выполнять небольшие по объему и рассредоточенные на значи­ тельном расстоянии буровые работы рабочее оборудование 2 (рис. 21.4, а) базируют на шасси автомобилей 1 и тракторов 1 (рис. 21.4, б). На, некоторых машинах бурильное оборудование устанавливают на специальной раме 2, которая с рамой базовой машины 1 соединяется через опорно-поворотное устройство (рис. 21.5). Такое решение упрощает установку машины в нужное для бурения положение и облегчает освобождение инструмента от грунта после извлечения его из скважины.

Для снижения трудоемкости работ, выполняемых на объектах, некоторые буровые машины дополнительно оснащают бульдозер­ным 3 или крановым 4 оборудованием или тем и другим одновре­менно (см. рис. 21.4, б). Бурильное оборудование 3 (см. рис. 21.5) включает в себя: бурильный инструмент 10 со штангой 5, движе­ние которых направляется мачтой 6; вращатель 9, осуществляю­щий вращение штанги с инструментом; подающий механизм 8,

Рис. 21.4. Машины вращательного бурения

сообщающий осевое нажатие штанги на забой; пускоподъемный механизм 4, перемещающий инструмент вдоль мачты при вспомо­гательных операциях. Приведение в движение элементов буриль­ного оборудования осуществляется с помощью как механического, так и гидравлического приводов.

Вращение штанге 5 (см. рис. 21.5, б) сообщается с помощью двух высокомоментных гидромоторов 14 через втулку 12 и две пары зубчатых колес.

Подача (нажатие) штанги на забой осуществляется посред­ством двух гидроцилиндров 15, штоки которых при выдвижении перемещают патрон 11 с зажатой в нем при бурении штангой 5. Верхний конец штанги закреплен в вертлюге 13, подвешенном к верхней части мачты на канате спускоподъемного механизма 4

Рис. 21.5. Машина с по­воротным бурильным обо­рудованием (а) и кинема­тическая схема (6)

с крюковой обоймой 7. Нижний конец штанги соединен с буром (рис. 21.6). Бур бывает шнековый 2 (рис. 21.6, а, б) и лопастной 8 (рис. 21.6, в). Верхний конец бура имеет втулку 6 для присоеди­нения его к штанге посредством пальца 5. Внизу бур заканчивается забурником 4, который создает ему направленное движение при работе. Забурник обычно снабжается резцами из твердого сплава для предохранения его от изнашивания. Лопасти 1 в нижней части бура также оснащаются резцами 3. Поскольку последние быстро изнашиваются, то для упрощения их замены присоединение их к лопастям обычно осуществляется с помощью шплинтов или винтов 7.

Скважины от шлама при применении шнековых буров очи­щаются непрерывно в процессе бурения. Шлам под действием разрыхленного грунта в забое самопроизвольно вытесняется вверх по лопастям. Только после заполнения лопастей по всей длине шнека инструмент извлекается из скважины и при быстром вращении очищается от шлама. При применении лопастного бура очистка скважины осуществляется подъемом бура после накопления на нем грунта на высоту 0,3—0,5 м.

На серийно выпускаемых промышленностью бурильных ма­шинах буры можно устанавливать различного диаметра D. Обычно машины снабжены бурами диаметром 0,36; 0,5; 0,63 и 0,8 м.

Рассмотренные машины вращательного бурения применяют для изготовления вертикальных и наклонных к горизонту сква­жин под углом примерно до 100°.

При бурении горизонтальных скважин применяют специаль­ные выпускаемые отечественной промышленностью установки. Они позволяют бурить скважины диаметром 325—1720 мм и длиной до 60 м. Такие скважины бывает необходимо отрывать при прокладке трубопроводов, подземных линий электропередач и при других работах, особенно при сооружении их под действую­щими шоссейными и железными дорогами.

Установка для горизонтального бурения близка по кон­струкции к рассмотренному буровому оборудованию со шнековым инструментом, имеющим в головной части буровую головку, ана­логичную головке, приведенной на рис. 21.6, а, б. Отличие со­стоит в том, что в установке (рис. 21.7) вслед за буровой головкой, имеющей рабочий диаметр несколько больше диаметра шнека 10, при проходке скважины продвигается обсадная труба 9, охваты­вающая шнек.

Рис. 21.6. Бур

При сооружении скважины около насыпи в грунте в зоне начала и конца скважины отрываются выемки, достаточные для размещения оборудования установки. На дно выемки на опорах

Рис. 21.7. Установка горизонтального бурения

катках 11 укладывается обсадная труба 9 с бурильным оборудо­ванием 10 внутри. Снаружи, на обратном буровой головки конце, на трубе крепится привод 6 с рамой 4 для вращения инструмента 10 и подачи в сторону насыпи трубы 9. Вращение от привода пере­дается инструменту через цепную передачу 8. Подача трубы вместе с буровой головкой 1 инструмента в сторону насыпи осуще­ствляется лебедкой 5 того же привода 6 через полиспаст 3, не­подвижные блоки которого закреплены на балке 2, вкопанной концами в боковые стенки выемки. Для предупреждения от пово­рота относительно продольной оси труба в районе привода под­держивается трубоукладчиком 7.

При расчете машин вращательного бурения определяют те же параметры, что и для машин ударно-поворотного бурения.

Необходимое осевое усилие (кН) инструмента диаметром шнека D (м) на забой для внедрения его на глубину h_c (м) находят из зависимости

P₀ = 0,25.10³К₃Dh_c σ_п,

где к_з = 1,5—1,7 — коэффициент, учитывающий затупление ин­струмента и имеющий большую величину при тупой его режущей кромке.

На практике осевое усилие, приходящееся на 1 м диаметра буровой головки, обычно находится в пределах 100—300 кН.

Момент (кН.м) вращения штанги, нужный для разрушения грунта в забое:

M₁ = 62,5D² О _пh_сz_л (1 + μK_B),

где z_Л — число режущих кромок лопастей; μ₁ — коэффициент трения буровой головки о стенки скважины.

Толщина (м) стружки, срезаемой буровой головкой,

h_c=v_б/(60z_лn) где v_б — теоретическая скорость бурения, м/мин; η — частота вращения шнека, с-¹.

Критическая частота вращения шнека (см-¹) с углом β (°) подъема винтовой линии

где μ₁ μ₂ — коэффициенты трения породы соответственно о сталь и породу.

Производительность (м³/мин) шнека с шагом винта h_B (м)

Π = 15π (D² — d²) Кh_В ψ (η — n₀.),

где d — диаметр трубы шнека, м; К — коэффициент, характе­ризующий просыпание породы в зазор между шнеком и стенками скважины; ψ — коэффициент, характеризующий заполнение объ­ема шнека.

Момент (кН-м), необходимый для подъема породы шнеком на высоту H (м):

M₂ = 0,125пК₁D (D² - d²) HψpK_p^-1g(tg β + μ₂),

где К1 — коэффициент, учитывающий трение шнека о стенки скважины, Κι — 1,5—2; ρ — плотность грунта. Мощность (кВт) двигателя вращателя шнека

Ν_д = 2π (M₁ + M₂) ηη-¹.