8.5. Машины для буровых работ.

Бурение - это процесс разрушения грунта с образованием в грунтовом массиве цилиндрических полостей и выносом из них продуктов разрушения на поверхность. При диаметре до 75мм и глубине до 9м полости называют шпурами, при больших размерах - скважинами. В строительстве бурение производит для инженерно-геологических исканий, при разработке грунтов взрывом, при водоснабжении и водопонижении, для установки столбов, дорожных знаков, надолб, устройства буронабивных свай и т.п.

Различают механические и физические способы бурения. В большинстве бурильных машин и оборудования реализованы механические способы с вращательно-поступательным, ударно-вращательным и ударным движениями рабочего инструмента. В качестве рабочих органов для механического бурения применяют лопастные, шнековые и ковшовые буры, буры-расширители, трехшарошечные и ударные долота.

Рис. 8.68. Буровой инструмент: а. лопастной бур; б. шнековый бур; в. шнековый бур-расширитель; г. трехшарочное долото; д. зубильное долото; с. крестовое долото; ж. ударная штанга; з. желонка.

Лопастной бур (Рис. 8.68. а.) состоит из трубчатого остова 1 с двумя копающими лопастями 6 в виде двухзаходного винта, забурника 5 и заслонок 2. Забурник направляет и удерживает бур на оси бурения. Заслонки, шарнирно прикрепленные к лопастям, препятствуют просыпанию грунта при его извлечении из скважины.

Бур крепят к нижнему концу граненой штанги. Для работы в мерзлых грунтах лопасти и забурник оснащают резцами, армированными твердосплавными пластинками 4.

У шпекового бура (рис.8.68. б) остов длиннее, чем у лопастного. К нему приварена спираль 7 из полосовой стали, образующая шпек. В нижней части закреплены копающие лопасти 6 и забурник 5. Лопастной и шнековый буры разгружают после их извлечения из скважины вращением с повышенной скоростью, вследствие чего находящиеся на их лопастях и шнековой спирали продукты бурения рассыпаются в стороны за счет центробежных сил.

Ковшовый бур представляет собой полый цилиндр с откидным дном и ножами в его нижнем торце. Срезаемый ножами грунт заполняет внутреннюю полость бура через окна в его днище. После заполнения его извлекают из скважины и раз­гружают через открытое днище.

Уширяют полость скважины под пяту буронабивной сваи буром-расширителем (Рис. 8.68. в), закрепляемым на буровой штанге 1 в ее нижней части. При вращении штанги ножи 9 с рычагами 8 опускаются под действием собственного веса и срезают грунт, который ссыпается в ковш 10. Разгружают ковш, как описано выше. Качество зачистки забоя скважины влияет на несущую способность буронабивной сваи, в связи, с чем разрыхленный грунт в забое уплотняют специальным трамбовками.

Шарошечное долото (Рис. 8.68. г) состоит из трех сваренных между собой лап, на концах которых на подшипниках качения установлены шарошки с углом наклона осей к центральной оси долота 50.. .60°. Шарошка представляет собой корпус из кованой стали с запрессованными в его тело твердосплавными зубками. При вращении штанги шарошки вращаются вокруг своих осей и относительно оси долота. Через пустотелую штангу и сверления в корпусе долота и шарошках подают сжатый воздух от компрессорной установки для выноса на поверхность буровой мелочи. Другие виды долот и элементов буровых рабочих органов показаны на рис. 8.68. д - з.

Продукты бурения удаляют из скважины специальными инструментами, промывкой скважины водой, а также продувкой. В случае промывки или продувки для работы в комплекте с буровой машиной применяют насосную или компрессорную установку, что удорожает стоимость буровых работ. Для промывки скважины требуется большое количество воды, из-за чего этот способ применяют, в основном, при работе вблизи водоемов. При этом, во избежание загрязнения рабочей площадки и создания обслуживающему персоналу нормальных рабочих условий, требуется принять меры по отводу от устья скважины водогрунтовой смеси. При продувке скважины воздухом в рабочей зоне бурильной машины об­разуется пылевое облако с большим содержанием абразивных частиц, вредно влияющих на организм человека и способствующих быстрому абразивному изно­су шарниров машины, элементов ее гидропривода и других кинематических пар. Для защиты от вредного воздействия пыли требуется принимать специальные меры, включая индивидуальную защиту, например, респираторы. Очищать скважину от буровой мелочи продувкой допустимо лишь в случаях, когда невозможно использовать другие способы.

К физическим способам бурения относятся термический, ультразвуковой, электрогидравлический, высокочастотный и гидравлический. Из них практическое

применение нашел лишь термический способ, реализованный в станках термического бурения. Остальные способы находятся в стадии теоретических и экспериментальных разработок.

Перфораторы (бурильные молотки (рис. 8.69.) бывают ручные, колонковые и телескопические. Ручные перфораторы типа ПР массой 20-30 кг применяют для бурения небольших шнуров.

Телескопические перфораторы массой 30-50кг предназначены для бурения шнуров в подземных условиях; для поддержки они имеют специальные устройства. Колонковые перфораторы массой 50-70 кг установлены на колонках или треногах; их применяют для наклонного бурения шпуров.

Перфораторы имеют золотниковый или клапанный воздухораспределители. По удалению буровой пыли перфораторы могут быть с продувкой сжатым воздухом, с промывкой водой и откосом пыли. Хвостовик 2 поршня-ударника 1 перфоратора имеет прямые 8 и винтовые 5 пазы. Под действием сжатого воздуха, поступающего то в верхнюю, то в нижнюю часть цилиндра, поршень будет двигаться верх или вниз. Хвостовик поршня проходит внутри храповой 3 и поворотной 6 букс. Выступы 10 храповой буксы входят в винтовые пазы хвостовика. Рис. 8.69. В прямые пазы хвостовика входят выступы 9 поворотной

буксы. При движении поршня вниз выступы храповой буксы, двигаясь по винтовому пазу хвостовика, стремятся повернуть буксу. Эта букса имеет защелки 4, которые обеспечивают ей поворот только в одну сторону и препятствуют повороту в обратную. Поэтому при рабочем ходе вниз храповая букса поворачивается. Поршень же с хвостовиком не вращается, его движение направляется выступами буксы, и хвостовик 7 бура. При холостом ходе (движение поршня вверх) защелки препятствуют повороту храповой буксы. Поэтому поворачивается поршень с хвостовиком, а вместе с ним вращается поворотная букса, в которую входит хвостовик бура. При подъеме поршня вверх происходит продувка шпура.

Рис. 8.70. станок ударно-канатного бурения”

а) общий вид; б) падение снаряда; в), подъем снаряда.

Станки ударно-канатного бурения применяют при (Рис. 8.70.) добыче полезных ископаемых в карьерах для бурения скважин диаметром до 900мм и глубиной до 500м. Принцип работы такого станка состоит в следующем: буровой снаряд, подвешенный к канату, периодически поднимаясь и опускаясь, производит 40-50 ударов в минуту по забою скважины. После нанесения удара буровой снаряд поднимается и поворачивается в скважине на некоторый угол, вследствие че­го забой равномерно разрушается по всей площади. Станок ударно-канатного бурения состоит из рамы 1, мачты 8, подъемного барабана 3, желоночного барабана 4, долбежного устройства, бурового снаряда 12, двигателя 14 и установочных домкратов 13.

Буровой снаряд 12 подвешен на канате 10, который пропускают через блок 9, оттяжной блок 7, направляющий блок 2 и закрепляют на подъемном барабане 3. оттяжной блок 7 установлен на свободно перемещающемся конце балансира 6, который под действием кривошипно-шатунного механизма, состоящего из шатуна 11 и балансирной шестерни 5 с кривошипом, может совершать колебательные движения вокруг оси направляющего блока 2. При движении свободного конца балансира вверх или вниз оттяжной блок 7 будет опускаться или подниматься: при ходе балансира вниз буровой снаряд поднимается, а при ходе балансира вверх, когда он перестает давить на канат, буровой снаряд под действием силы тяжести падает в забой скважины, ударяясь о породу. Высота подъема бурового снаряда около 1 м, масса 500-3000кг, поэтому удара большая.

По мере накопления раздробленной породы сила удара бурового снаряда становится меньше. Для удаления раздробленных материалов из скважины с помощью барабана 3 поднимают буровой снаряд, каменную пыль смешивают с водой и извлекают из скважины с помощью специального пустотелого цилиндра -желонки. После очистки скважины бурение продолжают.

Станки вращательного бурения применяются для бурения скважин диаметром до 300мм и глубиной до 40м в мягких, средних и крепких породах, производительность этих станков в 3-4 раза больше производительности станков ударно-канатного бурения. Рис. 8.71

Б уровой станок вращатель­ного бурения (Рис. 8.71.) имеет механизм 2 передвижения, лебедку 3 подъема бурового инструмента с электродвигателем 4. На вертикальной стойке станка с помощью полиспаста подвешена рамка 5, которая может перемещаться по вертикальной стойке электродвигателем 1 и двухступенчатым редуктором 6, с валом которого соединена штанга 7 с буром. В качестве бурового инструмента на этом станке используют буровую головку (долото) с режущими лопастями и хвостовиком.

Бурение скважины производится непрерывно на глубину одной штанги и может быть продолжено только после наращивания штанги и промывки или продувки скважины. Осевое давление в станках этого типа осуществляется за счет веса бурового устройства.

При добыче нерудных материалов широкое распространение получило шарошечное бурение взрывных скважин. Принцип его сводится к вращению долота, оснащенного шарошками-конусами с зубьями. Последние свободно посажены посредством подшипников на цапфы и при вращении долота перекатываются по дну скважины, разрушая породу. Продукты разрушения удаляются из скважины сжатым воздухом или промывкой водой. В практике наибольшее распространение получили шарошечные головки.

Для шарошечного бурения созданы станки типа СБШ. Буровой инструмент приводится во вращение от электродвигателя через редуктор, а в скважину подается принудительно с помощью гидроцилиндров. Станки самоходные на гусеничном ходу с индивидуальным приводом каждый гусеницы от электродвигатели снабжены специальными гидроцилиндрами для установки и фиксирования рамы в горизонтальном положении. Энергосистема станка включает электродвигатель, гидронасосы и компрессоры для подачи сжатого воздуха в скважину т отсасывания буровой мелочи от пылеприемника. Электроэнергия подводится от внешней сети через кабель, наматываемый на барабан.

Также применяют станки ударно-вращательного бурения, у которых одновременно происходит вращение бурового инструмента, принудительная подача его в скважину и работа погружного пневмоударника (бура) от сжатого воздуха. Этим воздухом очищают скважину от продуктов разрушения.

Станки термического (огневого) бурения применяют при разработке твердых гонных пород. Разрушение пород происходит вследствие высокотемпературного нагрева газовым потоком, при котором в верхних слоях породы возникают большие термические напряжения и происходит эрозия (расследование породы), а продукты разрушения выносятся из скважины газовым потоком. Рабочим инструментом термического бурения является реактивная горелка (рис. 8.72. а), которую подается керосин, кислород или сжатый воздух. В камере сгорания 5 реактивной горелки 4 образуются газы, температура которых достигает 3200 С. Газы с большой скоростью выбрасываются через сопла 8 в скважину. Под действием высокой температуры горная порода разрушается, и ее частицы выдуваются потоком газов с большой скоростью.

Камера сгорания форсунки охлаждается проточной водой, которая полностью выбрасывается из радиальных отверстий в днище 6 горелки. При этом струи не соприкасаются с газовыми струями.

Рис. 8.72. 1. переходник; 2. форсунка; 3. чехол; 4. корпус горелки;

5. камера сгорания; 6. днище горилки; 8. сопло.

В буровом станке термического (огневого) бурения рабочий орган - горелка 11 - смонтирован на мачте 9, которая закреплена шарнирно на передней части кузова 1. Керосин и кислород по трубопроводам и шлангам подаются в камеру сгорания рабочего органа через подводящее устройство 8. Расходный бак 3 керосина вместимостью 0,6м"' установлен в кузове станка. На крышке кузова смонтированы расходные баки б для воды вместимостью 4м³. Во время бурения буровая штанга непрерывно вращается вместе с горелкой механизмом 10 и опускается с заданной скоростью с помощью лебедки 5. Механизм 10 размещен на плите, расположенной в нижней части мачты. Частоту вращения штанги регулируют переключением редуктора 13.

Мачта в рабочее положение поднимается и в транспортное положение опускается лебедкой 4 с помощью восьмикратного полиспаста (блоки 12, 14 и 15). Для укладки мачты в транспортное положение на кузове установлена опора. В рабочем положении мачта закреплена замком 7 и подкосами. Кузов станка с механизмами и рабочим оборудованием установлен на гусеничный ход. Каждая гусеница имеет индивидуальный привод 2. Отсасывающая установка 16 служит для удаления продуктов разрушения и пара, образующегося при бурении.

Станок имеет общий пульт, с которого управляют движением машины, двигателями вентилятора, водяным и керосиновым насосами, пода 1 и кислорода, механизмами подъема и установки мачты, вращения и подъема штанги, приводом

двигателя, включением генераторов, системами освещения т обогрева водяного бака.

С пульта управления также включают и отключают освещение кабины и мачты. Передвижением станка можно управлять с переносного (дистанционного) кнопочного поста, который включают переключателем, установленным на пульте управления.

Машины для бестраншейной прокладке труб.

Такие машины применяют при прокладке трубопроводов, проходящих под магистралями автомобильных и железных дорог. Способы проходки могут быть следующими:

1. отверстие образуется без удаления грунта, т.е. происходит уплотнение всего грунта вокруг отверстия (прокол, или прокалывание грунта). На конец трубы надевается наконечник, и трубе вместе с наконечником сообщается движение при помощи гидравлических домкратов, электрических лебедок, тракторов или вибрационных устройств (Рис. 8.73. а). Труба может быть и без наконечника, т.е. открытая. В этом случае часть трубы на длину 1,5-2м забивается грунтом, впереди трубы образуется ядро уплотнения, которое и служит как бы наконечником при дальнейшем движении трубы.

2. при прокалывании часть грунта попадает в трубу, а остальная часть грунта уплотняется. В этом случае конец открыт или на него надевается наконечник с отверстием (Рис. 8.73. в). В процессе продвижения трубы грунт удаляется из нее с помощью специальных желонок и других устройств. Этот способ называется продавливанием.

3. перед проталкиванием трубы грунт разрабатывается методом гидромеханизации или горизонтальным бурением (Рис. 8.73. в). В последнем случае труба может следовать непосредственно за буром, если проходка осуществляется в слабых грунтах. При проходке в прочных грунтах можно пробурить все отверстия, а затем протащить трубу (Рис. 8.73. г). Бурение осуществляется при помощи буровых головок, а протаскивание труб — теми же механизмами, что и в предыдущих способах. Тот или иной способ рекомендуется в зависимости от того, в каких грунтах осуществляют проходку отверстий, при проходке отверстий в грунте различными способами действуют различные силы. При прокалывании преодолевается усилие, необходимое для вдавливания наконечника в грунт, кгс (Н), Рн = pF,

где р - удельное усилие, необходимое для вдавливания наконечника в грунт,

кгс/см² (Па); F — наибольшая площадь сечений наконечника, см² (м²).

Рис. 8.73.Способы бестраншейной разработки грунта.

При продавливании нужно преодолеть сопротивление внедрению сечения трубы:

Рт = рπDδ; D = (Dh + Dbh)/2

где Dh и Dbh - наружный и внутренний диаметры трубы; 8 - толщина стенки.

Для уменьшения сил трения по наружной поверхности трубы при прокалывании и продавливании наконечник делают больше диаметра трубы, а при прокалывании открытой трубой на конец трубы наваривают кольцо с толщиной стенок до 10 мм.

Сопротивление прочных грунтов прокалыванию или продавливанию очень велико. Здесь требуются механизмы, развивающие большое осевые усилия; однако при этом прочность труб может оказаться недостаточной, и они могут изогнуться, поэтому для таких грунтов следует применять метод бурения.

В слабых грунтах можно осуществлять проходку методом прокола или продавливания. Горизонтальные скважины под шоссейными и железными дорогами для прокладки в них трубопроводов, подземных кабельных линий связи и электроснабжения и др., бурят из открытого перед насыпью приямка-траншеи (Рис. 8.74.).

Его размеры должны быть достаточными для размещения в нем бурового оборудования м вспомогательных средств. Для контроля за работой на последнем этапе бурения, а также для подготовки к протаскиванию в пробуренную скважину, например, рабочего трубопровода, кабелей такой же приямок открывают с противоположной стороны насыпи. По мере разработки скважины и удаления из нее грунта в нее осаживают обсадную трубу, которая после окончания буровых работ остается в скважине.

Рис. 8.74. Установка горизонтального бурения.

обсадную трубу 9 укладывают в приямке на катучие опоры 11, а внутри нее располагают винтовой конвейер из отдельных секций с резцовой головкой 1 забурником на переднем (перед обсадной трубой). Тыльный конец вала винтового конвейера приводят во вращение силовой установкой 6 состоящей из ДВС и механических передач и укрепленной в задней части обсадной трубы хомутами 8. Напорное усилие обсадной трубе сообщают приводимой от того же двигателя лебедкой 5, смонтированной на одной с ним раме 4, через полиспаст 3, неподвижные блоки которого укреплены на якоре 2 в виде поперечной балки, вкопанной в землю у основания в насыпи.

Скважину разрабатывают вращением резцовой головки с одновременной подачей ее вместе с обсадной трубой на забой. Разрушенный резцовой головкой грунт поступает на винтовой конвейер, которым он перемещается в обсадной трубе к ее открытому тору и высыпается на до траншеи, а из нее экскаватором — в отвал или в транспортное средство. Реактивный момент сил сопротивления грунта разработке воспринимается обсадной трубой, которая по мере продвижения в скважину все больше защемляется грунтом. От возможного проворачивания относительно собственной оси, особенно в начальной стадии проходки, труба страхуется трубоукладчиком 7, удерживающим ее крюком за раму силовой установки.

Обычно длина скважины составляет 60 м. Длины же секций обсадной трубы винтового конвейера значительно (на порядок) короче длины скважины. Поэтому по мере продвижения трубы и конвейера в скважину их наращивают новыми секциями: трубу — сваркой конвейер - соединительными муфтами.

В установках для бурения скважин больших поперечных сечений (диаметром 1720 мм) напорное усилие создают гидравлическими цилиндрами, упирающимися в щит, установленный у тыльной стенки приямка.

Скорости проходки скважины составляю от 15 (для скважин диаметром до 630мм) до 1,4 м/ч (при диаметре скважины 1720мм), а усилия подачи от 480 до 7200 кН соответственно. Описанное оборудование уникально по своему назначению. Оно позволяет проводить буровые работы без остановки движения по шоссейным и железным дорогам. Приведенные выше данные по скоростям проходки характеризуют только технические возможности этого оборудования, но не могут основанием для определения эксплуатационной продолжительности буровых работ на переходе, в составе которых значительную часть занимает подготовительно-заключительные работы, а также простои различного характера.