WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На пра писи авах рукоп Дани ис Борисович илов Бори ТЕОР ПРАКТИК СОЗД ДОВАНИ БУРЕНИ РИЯ И П КА ДАНИЯ ОБОРУД ИЯ ДЛЯ Б ИЯ В ГРУН РИЗОНТ ЫХ АЖИН С МОТРАН ОМ НТЕ ГОР ТАЛЬНЫ СКВА С ПНЕВМ НСПОРТО РАЗРУШЕНН АТЕРИА ВРАЩАЮ УСЯ НОГО МА АЛА ПО В ЮЩЕМУ ТРУБОПР У РОВОДУ С ьность 05.05.04 - “ ые, строит Специаль “Дорожны тельные и но-трансп машины ” и подъемн портные м А

АВТОРЕФЕРАТ

дисс ание учен ени сертации на соиска ной степе докто ических н ора техни наук

Новосибир 9 рск – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Смоляницкий Борис Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид Евгеньевич;

доктор технических наук, профессор Галдин Николай Семенович;

доктор технических наук, профессор Каргин Владимир Анатольевич.

Ведущая организация – Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Защита состоится 10 декабря 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 при Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН.

Автореферат разослан «___» ______ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особенностью современного строительства подземных коммуникаций в городах является быстрое увеличение масштабов применения бестраншейных способов. Основными причинами этого является возрастание интенсивности транспортных потоков, расширение наземных транспортных магистралей, увеличение плотности застройки территорий, высокая насыщенность подземного пространства различными коммуникациями и связанный с этим переход подземного строительства на более глубокие горизонты. В результате бестраншейные способы прокладки все чаще становятся единственно возможными методами ведения строительных работ.

Сдерживающим фактором, при этом, часто является уровень технических возможностей бестраншейных технологий и соответствующего оборудования.

Необходимо существенное увеличение предельных возможностей оборудования по длине переходов, улучшение его санитарно-экологических показателей по шуму и вибрации, обеспечение сохранности зданий и сооружений, находящихся в непосредственной близости к зоне ведения и т.д. Решение этих задач является необходимым условием дальнейшего увеличения масштабов использования бестраншейных способов строительства подземных коммуникаций.

В последние годы в подземном строительстве расширилось применение установок направленного горизонтального бурения. Однако использование их в городских условиях связано с риском разрушения дорог, магистралей, других объектов, под которыми сооружаются скважины. Причиной этого является сам принцип гидравлического бурения, связанный с опасностью размывания каверн, вздутия дневной поверхности и другими последствиями использования бурового раствора, поступающего в скважину под большим давлением.

В связи с изложенным, исследования, направленные на создание новых технических средств для сооружения в грунте горизонтальных подземных каналов, являются актуальными.

Целью работы является обоснование принципиальной схемы и параметров способа бурения в грунте горизонтальных скважин, и создание технических средств для его реализации, обеспечивающих временную устойчивость скважин уплотнением части грунта с одновременным удалением его большей части воздушным потоком.

Идея работы заключается в формировании скважин с разделением грунта на две части, меньшая из которых уплотняется в стенки скважины для поддержания их устойчивости, а основная - разрушается и в виде пластичной или сыпучей массы поступает во вращающийся трубопровод, по которому затем транспортируется воздушным потоком.

Объект исследований:

- скважинообразующий инструмент, разрушающий и разделяющий разрабатываемое грунтовое пространство на уплотняемую и удаляемую части;

- пневмотранспортная система с вращающимся шламопроводом, являющаяся выхлопным трактом пневмоударного механизма;

- пневмоударный механизм, являющийся генератором ударных импульсов, направленных на инструмент, и источником очистного агента для транспортирования разрушенной породной массы.

Предмет исследований:

- закономерности деформирования грунтового массива совместным действием статического усилия и ударных импульсов, определяющие устойчивость стенок скважины;

- закономерности движения частиц и порций разрушенной породной массы внутри вращающегося трубопровода под действием потока очистного агента;

- закономерности динамики пневмоударного механизма, работающего в условиях избыточного давления в выхлопном тракте, возникающего при транспортировании породной массы.

Задачи исследований:

- обоснование принципиальной схемы комплекса оборудования для бурения горизонтальных скважин с частичным разрушением грунта и последующим его удалением по вращающемуся трубопроводу, определение значений основных конструктивных, динамических и энергетических параметров его основных систем и элементов;

- выявление особенностей динамики взаимодействия рабочего органа с грунтовым массивом при одновременном воздействии статического усилия и ударных импульсов, определение области рациональных значений величин этих воздействий;

- определение динамических и конструктивных параметров пневмотранспортной системы, обеспечивающей удаление продукта бурения;

- исследование динамики пневмоударных механизмов и определение значений основных конструктивных и энергетических параметров, обеспечивающих возможность совместной работы с пневмотранспортной системой;

- создание комплекса технологического оборудования, реализующего идею сооружения скважин методом частичного уплотнения грунта статическим и импульсным воздействием на рабочий орган, и удаления части грунта по вращающемуся трубопроводу, экспериментальное исследование его рабочего процесса, испытания в полевых и производственных условиях.

Методы исследований включают анализ известных исследований и научнотехнических разработок по теме работы, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований методами математического и физического моделирования, с применением теории динамического подобия, методов многофакторной оптимизации.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. При горизонтальном направленном бурении скважин в грунтах достижение временной устойчивости скважин, исключение образования в грунте каверн и последующих просадок дневной поверхности обеспечивается разделением грунтового массива на уплотняемую в стенки скважины часть и удаляемую из нее транспортированием сжатым воздухом по горизонтальному вращающемуся трубопроводу постоянного сечения в сочетании с одновременным приложением к буровому инструменту статического и импульсного воздействия.

2. При сооружении скважин с уплотненными стенками в связных грунтах комбинированным способом область рациональных значений соотношения объема грунта, вдавленного в стенки скважины, к площади ее поверхности, находится в интервале значений от 11 до 23.

3. Существует пороговое значение дополнительного статического воздействия на буровой инструмент, определяющее область параметров генератора ударных импульсов, в которой скорость внедрения инструмента в грунт при фиксированной и достаточной для его продвижения энергии удара не зависит от структуры ударной мощности.

4. Вращение горизонтального трубопровода вокруг своей оси обеспечивает движение разрушенной при бурении породной массы воздушным потоком, скорость которого в полтора раза ниже, необходимой для аэродинамического транспортирования этой массы в неподвижном трубопроводе.

5. Породная масса с разрушенными структурными связями между частицами или группами частиц может перемещаться потоком очистного агента по внутренней полости вращающегося трубопровода порциями, в виде пластичного поршня. Существует область рациональных значений внутреннего диаметра трубопровода, при котором давление воздуха, необходимое для движения порции, в слабой мере зависит от ее массы. Для диапазона диаметров буримых скважин до 600 мм рациональным значением является диаметр трубопровода от 180 до 200 мм.

6. Область рациональных значений основных конструктивных параметров бесклапанного пневмоударного механизма не изменяется при увеличении противодавления в выхлопном тракте. При этом ударная мощность уменьшается в 1,3 раза быстрее, чем расход воздуха, что является важным условием устойчивости работы шламотранспортной магистрали.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений и выводов обеспечена использованием проверенных методов теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом и сходимостью их результатов.

Новизна научных положений.

1. Обоснована принципиальная схема установки горизонтального бурения, в которой для достижения временной устойчивости скважины, исключения образования в грунте каверн и последующих просадок дневной поверхности на скважинообразующий инструмент воздействуют одновременно статической и импульсной нагрузками, грунт при этом разделяется на уплотняемую в стенки скважины часть и удаляемую из нее транспортированием сжатым воздухом по горизонтальному вращающемуся трубопроводу постоянного сечения.

2. Получены зависимости, позволяющие определить соотношение объемов удаляемой части грунта и части, уплотняемой в стенки скважины, и установлен интервал - от 11 до 23 - значений соотношения объема грунта, вдавленного в стенки скважины, к площади ее поверхности, в пределах которого на стенках скважины грунт достигает плотности, достаточной для обеспечения ее временной устойчивости.

3. Определена зависимость скорости внедрения инструмента в грунт от дополнительного статического усилия, при его сочетании с импульсным воздействием, и найдено пороговое значение статического усилия, при котором скорость внедрения инструмента в грунт при фиксированной и достаточной для его продвижения энергии удара практически не зависит от структуры ударной мощности.

4. Установлена скорость потока воздуха, необходимая для транспортирования разрушенной породной массы по вращающемуся трубопроводу, при которой ее движение происходит непрерывно, без образования неподвижного подстилающего слоя. Определены параметры воздушного потока при дискретном перемещении порций грунтовой массы в виде пластичного поршня.

Экспериментально доказана надежность транспортирования грунта, включая крупные фракции (до 0,5 диаметра транспортного канала) по горизонтальному вращающемуся трубопроводу воздушным потоком, скорость которого в полтора и более раз ниже значений, необходимых для транспортирования по неподвижному трубопроводу.

5. Определен диапазон диаметров вращающегося транспортного трубопровода, при котором не происходит закупоривание канала грунтовой массой при ее перемещении воздушным потоком давлением 0,6 МПа при расходе 0,15 кг/с.

6. Установлены закономерности изменения динамических параметров бесклапанных пневмоударных механизмов при увеличении противодавления в выхлопном тракте и области значений основных конструктивных факторов, при которых обеспечивается транспортирование разрушенной породной массы воздухом, отработанным пневмоударным механизмом.

Личный вклад автора состоит в обобщении известных результатов, постановке проблемы и задач исследований, выборе направления совершенствования технологического процесса и технических средств для сооружения подземных каналов, разработке и реализации методик экспериментальных исследований, разработке математических моделей и их численной реализации, обработке и анализе результатов, проведении натурных и производственных испытаний, внедрении в производство работ по бестраншейной прокладке подземных коммуникаций экспериментального образца нового бурового комплекса.

Практическая ценность. Предложена методика расчетов параметров бурового устройства, позволяющего реализовать новую технологию «сухого» бурения горизонтальных подземных скважин без применения буровых растворов или других дополнительных материалов для укрепления стенок скважин и транспортирования продукта бурения. Обоснована перспективность создания комплекса технических средств с комбинированным способом образования скважин и использованием воздушного потока для удаления из скважин продукта бурения. Определены основные параметры и разработан новый буровой комплекс для бурения в грунте скважин диаметром до 500 мм и длиной до 100 м при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций. Экспериментально в полевых условиях и при производственных испытаниях доказана его работоспособность и положительный по сравнению с аналогами эффект от его применения.

Реализация работы. Полученные результаты использованы при создании экспериментального образца бурового комплекса, который в настоящее время используется на строительных объектах г. Новосибирска для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (г. Новосибирск, 2006, 2008 гг.), 21 Всемирном горном конгрессе (г. Краков, Польша, 2008), Всероссийской научно – технической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2009), на отчетных сессиях ИГД СО РАН (г. Новосибирск, 2006 - 2009 гг.) Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в печатных работах, включая 5 авторских свидетельств и 4 патента.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 246 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы из 152 наименований и приложений. Диссертация содержит 70 рисунков, таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указаны её цели, основные научные положения, защищаемые автором, и результаты исследования.

В первой главе дается общая характеристика проблем сооружения горизонтальных подземных каналов при строительстве подземных коммуникаций различного назначения. Бестраншейные способы сооружения коммуникаций играют все более важную роль в подземном строительстве современных городов.

Возрастание интенсивности транспортных потоков, высокая насыщенность подземного пространства городов коммуникациями, переход подземных сооружений на более глубокие горизонты являются основными причинами того, что бестраншейные способы становятся единственно возможными методами ведения строительных работ. В современных городах не только расширяются транспортные магистрали, но и возрастает степень благоустройства прилегающих к ним территорий, увеличивается плотность их застройки. Поэтому бестраншейные способы все чаще применяются на участках строительства коммуникаций вдоль магистралей, повсеместно вытесняя открытые способы.

Таким образом, сказанное выше свидетельствует о необходимости существенного увеличения технических возможностей оборудования по предельно возможной длине бестраншейных переходов.

Большое значение придаётся и санитарно-экологическим показателям технологического оборудования. Ужесточаются требования по загрязнению окружающего пространства, уровню шума, вибрации прилегающего грунтового массива. Последнее связано с обостряющейся проблемой сохранности зданий и сооружений, находящихся в непосредственной близости к зоне ведения работ.

В настоящее время в подземном строительстве расширилось применение установок направленного горизонтального бурения. Однако использование их в городских условиях связано с риском разрушения дорог, магистралей и других объектов, под которыми сооружаются скважины. Причина этого заключается в технологических особенностях использования бурового раствора, поступающего в скважину под большим давлением.

В работе выполнен обзор и технический анализ средств, используемых для прокладки подземных каналов. Разработана классификация способов сооружения скважин, в основу которой положены главные признаки, отражающие физическую сущность процесса образования скважины (рис.1). Предложенная классификация позволила выявить характерные признаки и свойства новой технологии сооружения скважин.

Подавляющее большинство проходческого оборудования, применяющегося в строительной практике, относится к устройствам, формирующим скважину путем удаления грунта (например, бурение), либо без удаления, за счет его уплотнения в массив (прокол). Но бурение требует дополнительных мер по поддержанию скважины в устойчивом состоянии, а прокол обеспечивает эту устойчивость за счет высоких энергозатрат на уплотнение грунтового массива.

Между тем, способ сооружения скважин методом частичного уплотнения грунта обладает потенциальной возможностью формирования устойчивой скважины с использованием свойств самого грунта, без применения каких–либо дополнительных материалов. Большую часть породной массы в этом случае необходимо удалять из скважины и лишь незначительную - уплотнять.

Рис. 1 - Классификация способов сооружения скважин Вопросы, связанные с проходкой скважин комбинированным способом, рассматривались в работах Х.Б. Ткача, В.П. Гилеты, А.М. Петреева, Д.С. Воронцова, И.В.Тищенко. Результаты этих работ говорят о реальной возможности создания прогрессивной технологии проходки с частичным уплотнением грунта в стенки скважины. Имеются предпосылки снижения энергии импульсного воздействия на грунтовый массив за счет одновременного приложения статического усилия. Об этом свидетельствуют исследования, проведенные А.Л. Исаковым, В.А. Григоращенко. Возможно создание сухого технологического процесса, который может использоваться круглый год, включая периоды отрицательных температур. Основой такой технологии может являться процесс механического горизонтального бурения. Важной проблемой, которую необходимо при этом решить, является удаление разрушенной породы из скважины. Использование сжатого воздуха в качестве очистного агента позволит существенно упростить технологию. Но для достижения высокой надежности транспортирования необходимы технические решения, обеспечивающие устойчивое движение разрушенного породного материала при низкой скорости воздушного потока.

Во второй главе обоснованы основные принципы построения технологического процесса горизонтального бурения с удалением грунта воздушным потоком и формированием устойчивых стенок скважины уплотнением, определен размер уплотняемой части грунта.

При выборе способа сооружения скважин и используемых при этом видов силового воздействия на грунтовый массив, учитывались результаты анализа достоинств, недостатков и перспектив развития различных методов проходки скважин, и экспериментальной проверки эффективности возможных способов улучшения технических показателей этих методов.

Для оценки перспектив и эффективности использования одновременного действия статического и импульсного усилий на образующий скважину рабочий орган были использованы результаты экспериментов, суть которых состояла в следующем. В процессе забивания в грунт стальной трубы диаметром 325 мм, к ее переднему заостренному концу через предварительно проложенную пионерную скважину диаметром 80 мм прикладывалось тяговое усилие величиной 250 кН. Ударные импульсы с энергией 1800 Дж и частотой около 3,2 Гц генерировались серийным пневмомолотом М – 200, закрепленным на заднем торце трубы. Задача исследования заключалась в определении величины внедрения трубы за один удар и скорости внедрения при действии статического усилия, и без него.

На рис. 2 отражен характер перемещений поперечных сечений трубы под действием ударных импульсов и усилия тяги. Во время действия статического усилия появились три всплеска амплитуды перемещения поперечного сечения трубы, вместо одного. Перемещение поперечных сечений приобрело характер затухающих колебаний. Наиболее вероятно, что в этом случае происходит уменьшение коэффициента трения на поверхности контакта трубы с грунтом.

X, мм t 0 t k t, с Рис. 2 – Перемещение поперечных сечений трубы под действием ударного импульса В целом, действие статического усилия заметным образом изменило количественные показатели процесса. Остаточное перемещение после удара увеличилось в несколько раз. Скорость внедрения возросла с 2,5 – 3 м/ч до 25 – 30 м/ч. Следовательно, применение статического усилия позволяет уменьшить необходимую энергию ударных импульсов.

Задачей второго эксперимента являлось сравнение эффективности процесса пневмоударного внедрения полого стального кожуха в грунт при изменении энергии ударных импульсов, и при уменьшении присоединенной грунтовой массы, поступающей во внутреннюю полость трубы. Ниже приведены данные, полученные при забивании стального кожуха диаметром 325 мм на длину 40 м в глиняный массив плотностью около 1,8-2 г/см3 с влажностью ~ 20 %. За критерий эффективности процесса было принято время внедрения участка трубы длиной 0,5 м, которое измерялось через промежутки длины, равные 1м.

Для генерирования ударных импульсов поочередно использовались две серийно выпускаемые машины СО-134 и М-200, существенно отличающиеся по массе и энергетическим параметрам (табл. 1). При уменьшении скорости внедрения периодически производилась очистка внутренней полости трубы от грунта.

ТАБЛИЦА 1. Основные характеристики используемых машин Тип машины Энергия удара, Дж Масса ударника, кг Частота удара, Гц СО-134 550 75 5,М-200 1800 270 3,Полученный результат представлен на рис. 3 в виде зависимости времени внедрения в грунт участков кожуха от длины погруженной в грунт части кожуха при разных энергетических параметрах генератора ударных импульсов. На графике цифрой I показаны участки, где в качестве генератора импульсов использовалась ударная машина СО-134, цифрой II – участки, где использовалась ударная машина М-200. На интервалах длины, обозначенных на графике вертикальными линиями, производилась выемка набранного внутрь трубы грунта, после чего забивка трубы продолжалась.

Рис. 3 - Зависимость времени внедрения единичной длины кожуха от общей длины внедрения. I, II – участки, забивание на которых производилось машинами СО-134 и М-2Установлено, что очистка внутренней полости трубы от набранного грунта приводила к заметному возрастанию скорости внедрения. По мере того, как труба вновь наполнялась грунтом, скорость внедрения уменьшалась. Это хорошо согласуется с результатами исследований В.А. Григоращенко. В то же время более чем трехкратное увеличения энергии удара, в данных грунтовых условиях, заметным образом на скорость внедрения трубы не влияло. Технологические процессы, предусматривающие непрерывное удаление разрушенного грунта, потенциально имеют наилучшие перспективы достижения высокой производительности. Поэтому способ механического бурения целесообразно принять за основу новой технологии проходки скважин, так как он сочетает в себе возможность использования статического усилия и импульсного воздействия на инструмент, и непрерывного удаления разрушенного материала.

Исключение из рабочих котлованов отработанного бурового раствора за счет транспортирования разрушенного грунта сжатым воздухом делает предпочтительным выбор технологической схемы с расположением бурового станка в рабочем котловане по оси сооружаемой скважины. Это позволит исключить потери усилия подачи рабочего органа, связанного с изгибом буровой колонны, как в случае установки станка на поверхности. Для сооружения скважин большой протяженности необходимо предусмотреть возможность корректировки траектории скважин в процессе проходки. Легче всего такая возможность обеспечивается при разделении процесса на два этапа. Первый этап предусматривает прокладку пионерной скважины малого диаметра. На этом этапе наиболее просто осуществить корректировку направления скважины при ее отклонении от расчетной траектории. Второй этап предусматривает расширение скважины до проектного диаметра при обратном движении расширителя. При этом устраняется опасность потери устойчивости буровой колонной, так как к ней приложено тянущее, а не толкающее усилие. Технологическая схема процесса представлена на рис. 4.

393 3393 3a б Рис. 4 - Технологическая схема проходки скважин: а - бурение пилотной скважины;

б - расширение скважины и затягивание кожуха.

1 – пневмоударный механизм; 2 – буровая колонна; 3 – буровой станок;

4 – приемный котлован Важное значение в технологическом процессе бурения имеет надежность транспортирования разрушенной породной массы. С помощью воздуха по трубам транспортируют в основном сыпучие мелкозернистые и пылевидные грузы.

Недостатком пневмотранспортных систем является высокий расход энергии. Этот недостаток обусловлен самим принципом движения частиц материала в газовом потоке. Для процесса транспортирования в неподвижной трубе важны силы, удерживающие частицы во взвешенном состоянии. Это аэродинамическая подъемная сила и силы турбулентности. Необходима высокая скорость воздушного потока для создания этих сил. Соответственно возникает значительный расход воздуха.

Проблема усугубляется тем, что транспортирование разрушенной породной массы практически во всех установках горизонтального бурения осуществляется по затрубному пространству между буровой колонной и поверхностью скважины, используемому в качестве транспортного канала. Поперечное сечение такого канала имеет форму полумесяца или кольца. С точки зрения как гидродинамических, так и аэродинамических качеств, такие формы транспортного канала являются неблагоприятными.

Надежность транспортирования разрушенной при бурении породной массы воздушным потоком можно обеспечить сочетанием двух технических решений:

- в качестве транспортного канала необходимо использовать размещенный в скважине трубопровод;

- трубопровод в процессе транспортирования должен вращаться вокруг своей продольной оси, например, вместе с инструментом, формирующим скважину.

Основанием для такого утверждения является то, что аэродинамические качества такого шламопровода гораздо выше, чем у затрубного пространства.

Кроме того, физическая картина движения частиц во вращающемся трубопроводе отличается от рассмотренной выше. При повороте трубопровода на некоторый угол частицы материала, соскальзывая по стенке трубы, фактически сбрасываются в газовый поток. Отсутствует необходимость подъема частиц со дна трубопровода и удержания их во взвешенном состоянии. Движение вдоль оси вращающегося трубопровода может происходить при гораздо меньшей скорости потока. При этом исключается или значительно затрудняется возможность образования подстилающего слоя из осевших на дно частиц. Следовательно, повышается надежность транспортирования.

Следующей важной задачей является определение размера той части грунта, которую в процессе проходки необходимо вдавливать в стенки скважины.

Очевидно, что чем меньше эта часть, тем меньше энергоемкость процесса проходки. В тоже время, чрезмерное уменьшение её объема может привести к недостаточному упрочнению стенок формируемой скважины и появлению опасности ее обрушения. Излишнее уплотнение также может приводить к ухудшению устойчивости скважины, в связи с чрезмерным расширением зоны вокруг скважины, где разрушена естественная структура грунта.

Показателем степени уплотнения грунта на стенках скважины может являться отношение объема грунта, вдавленного в стенки, к площади поверхности скважины. Это отношение можно выразить в следующем виде:

V/S1 = S · B / ( · d1 · B) или V/S1 = S/L, где S1 – площадь поверхности скважины;

V – объем грунта, вытесненного в стенки скважины;

S – площадь поперечного сечения вытесняемого слоя грунта;

L – длина окружности скважины;

B – длина скважины.

Соотношение S/L характеризует процесс уплотнения вне зависимости от способа, которым пройдена скважина. Обозначив это соотношение через h, можно определить, что для пневмопробойника с диаметром корпуса D* показатель уплотнения:

h = S* / D* = D*/4. (1) Показатель уплотнения h для кольцевого инструмента выражается соотношением:

h = [D2 – (D – 2H)2] / 4D = H(1 – H/D), (2) где H – толщина кольца.

Из (1) и (2) следует, что кольцевой инструмент может обеспечить такую же степень уплотнения стенок скважины, как пневмопробойник диаметром D*, образованной скважины, если толщина кольца удовлетворяет условию H D (1 - 1- D D ) / 2. (3) Таким образом можно определить какой должна быть толщина кольца, внедряемого в грунтовый массив, чтобы показатель уплотнения грунта на поверхности скважины был таким же, как для пневмопробойника с диаметром корпуса D. Это позволяет использовать для решения задачи известные результаты исследований взаимодействия корпуса пневмопробойника с грунтом, проведенных коллективом специалистов под руководством А.Д. Костылева.

На основе анализа и обработки результатов исследований взаимодействия с грунтом корпуса пневмопробойника получена зависимость плотности грунтового слоя непосредственно на стенках скважины от соотношения S/L для двух типов грунтов, отличающихся исходной плотностью. Плотность грунта на стенках скважины дана в относительных единицах /0. За единицу принята его исходная плотность “0”.

В соответствии с представлениями механики грунтов, на участке значений S/L от 18 до 24 (рис. 5) происходит переход процесса деформации грунта в иное качество с заметным снижением интенсивности роста относительной плотности, сопровождающимся разрушением грунтовых слоев.

Рис. 5 - Зависимость относительной плотности грунта на стенках скважины от соотношения S/L. 1 – суглинок: = 1,84 г/см3, С = 6 – 7; 2 – супесь: = 1,71 г/см3, С = 9 – Если величину плотности стенок скважины при S/L = 62,5 (для пневмопробойников с диаметром корпуса равным 250 мм) принять за 100 %, то нетрудно установить, что в диапазоне значений S/L от 11 до 23 достигается от до 96,5 % максимальной плотности. При дальнейшем увеличении соотношения S/L в 2,7 раза плотность стенок возрастает всего на 3,5 %.Следовательно, приведенные значения соотношения S/L являются искомыми границами диапазона. Таким образом, при проектировании рабочего органа устройства для сооружения скважин комбинированным способом рекомендуется интервал значений S/L от 11 до 23, что соответствует показателю плотности грунта на стенках скважины, формируемой пневмопробойником с диаметром корпуса от до 90 мм. В соответствии с формулой (3) для диапазона диаметров скважин от 2до 630 мм толщина слоя, уплотняемого в стенки скважины, должна находиться в пределах 14 – 25 мм. Нижние значения диапазона предпочтительны для плотных, прочных грунтов, верхние – для рыхлых.

В третьей главе приведены результаты исследования процесса внедрения в грунтовый массив инструмента, к которому одновременно приложено статическое усилие, крутящий момент и ударные импульсы. Одна из главных проблем технологии сооружения скважин с применением ударных импульсов – достижение достаточной энергии удара для эффективного внедрения инструмента в упруго-пластичную среду. Суть проблемы заключается в низкой эффективности воздействия ударного импульса, большая часть которого поглощается упругой составляющей реакции грунтового массива.

Перспективным направлением развития пневмоударного способа является повышение его производительности за счёт увеличения эффективности воздействия ударного импульса, путем приложения к инструменту дополнительного статического усилия, направленного в сторону действия ударных импульсов. Согласно предварительным результатам это позволит увеличить скорость внедрения и уменьшить при этом энергию ударных импульсов.

Задачей исследования является определение значений параметров импульсного воздействия во взаимосвязи с величиной статического усилия при бурении скважин диаметром до 530 мм. Задача решена методом проведения вычислительных экспериментов на математической модели. Математическое описание процесса построено на основе известного решения задачи о равновесном состоянии кольцевого слоя грунта с нагруженной изнутри полостью, предложенного д.т.н. А.Л. Исаковым, для описания динамики движения инструмента при расширении скважины одновременно с разрушением старого трубопровода в процессе его замены. Отличие бурового процесса заключается в отсутствии затрат энергии на разрушение старого трубопровода и в уплотнении не всего объема грунта, а только его части, величина которой определена в предыдущей главе. Расчетная схема бурового процесса изображена на рис. 6. По пионерной скважине диаметром 2R0, движется инструмент в виде расширителя конической формы диаметром 2R] с углом при вершине 2 . К расширителю вдоль оси пионерной скважины приложена сила Fн, создаваемая буровым станком. Движение расширителя происходит в результате повторяющихся с частотой п ударно-импульсных воздействий с энергией Ао, передаваемых от генератора ударных импульсов.

Часть грунта при этом уплотняется в радиальном направлении, а часть поступает в шламопровод и удаляется из скважины.

Рис. 6 – Схема расширения Lб грунтовой полости: 1 – Fл расширитель; 2 – уплотненная зона;

2R3 – расширенная скважина; 4 – генератор ударных импульсов; 5 – Fн шламопровод; R1 – эквивалентный Fб диаметр уплотняемой зоны В общем случае перемещение инструмента вперед, при внедрении его в упруго пластичную среду под действием ударного импульса и статического усилия, определяется формулой:

A X =, (4) n Fл + Fб - Fн где A0 - энергия, приобретенная инструментом за один удар;

Fл - сила лобового сопротивления;

2R 2R Fб - сила бокового сопротивления;

Fн - дополнительное статическое усилие.

Из известного решения плоской задачи о равновесном состоянии кольцевого слоя грунта с нагруженной изнутри полостью определяются значения усилий, входящих в (4):

R 1 + K ctg тр Fл = 2 R • P(R) • dR, (5) 1 - K tg тр где Kтр - коэффициент трения инструмента о грунт;

- угол наклона образующей конуса к оси симметрии инструмента;

R – радиус инструмента;

P(R) – полное давление грунта на коническую поверхность.

Поскольку расширитель вращается, то сопротивление по боковой поверхности его линейному движению пренебрежимо мало. Равнодействующая сил F0, приложенных к расширителю в фазе его перемещения вперед, вдоль пионерной скважины, равна:

F0=Fл -Fн. (6) Тогда перемещение расширителя вперед 0 за один удар определится так:

A (7) 0 =.

F Второй фазой процесса может являться обратное перемещение расширителя вследствие упругой реакции грунтового массива. В момент остановки расширителя на его контакте с грунтовой полостью будет действовать давление, обусловленное реакцией грунта. Наибольшая эффективность процесса достигается, если эта реакция полностью компенсируется усилием тяги бурового станка. Если нет, то величина некомпенсированного давления упругой реакции грунта, определяется выражением:

Fупр 1- kтрtg ~ Pупр =. (8) 1+ kтрctg (R12 - R0 2) ~ В этом случае радиальные перемещения границы грунтовой полости иопределят отход расширителя назад:

~ ~ w0 = и0ctg. (9) Остаточное перемещение w1 расширителя за один ударный цикл равно ~ w1 = w0 - w0. (10) А скорость движения расширителя оценивается выражением V = w1 n, (11) где n – частота ударов.

Результаты расчетов значений динамических параметров отражены на рис. 7 в виде зависимости скорости внедрения от статического усилия при двух уровнях величины ударной мощности. Ударная мощность имеет одинаковую величину, но различную структуру.

Vм/ч Рис. 7 - Зависимость скорости внедрения расширителя от 30 величины и структуры ударной мощности 1 – А=600 Дж, =5 1/с;

2 – А=300 Дж, =10 1/с;

3 – А=150Дж, =20 1/с.

50 100 Fн, Н 150 2 Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что структура ударной мощности импульсного воздействия в достаточно широком диапазоне ее изменения не влияет на скорость внедрения инструмента в массив, если величина статического воздействия равна или превышает упругую реакцию грунтового массива. Необходимые динамические параметры движения инструмента, в частности скорость его линейного перемещения, могут достигаться за счет увеличения частотной компоненты ударной мощности при снижении энергии импульсного воздействия. Это позволит уменьшить вибрационную и шумовую нагрузку на грунтовый массив и окружающее пространство.

Четвертая глава посвящена исследованию процесса транспортирования разрушенной породной массы воздушным потоком. Как отмечалось выше, физическая картина движения частиц во вращающемся трубопроводе имеет отличительные особенности. При повороте трубопровода на некоторый угол частицы материала, соскальзывая по стенке трубы, принудительно сбрасываются в газовый поток. Отсутствует необходимость подъема частиц со дна трубопровода и удержания их во взвешенном состоянии потоком воздуха.

Поэтому можно предполагать, что движение частиц вдоль оси вращающегося трубопровода может происходить при гораздо меньшей скорости потока.

Задача исследования состояла в определении динамических и конструктивных параметров, при которых реализуются указанные потенциальные достоинства предложенного технического решения. В соответствии с представлением о физической сущности процесса движения породных частиц во вращающемся трубопроводе, расчет параметров транспортной системы следует начать с определения силы сопротивления. В нашем случае - силы трения частицы о поверхность трубопровода в фазе начала ее движения вниз под действием силы тяжести. Это произойдет при повороте трубопровода на некоторый угол , при котором сила трения частицы о стенку становится равной скатывающей силе. Значение угла определяется так:

a = arctg(k), (12) где k – коэффициент трения.

Условие равенства силы трения и силы лобового давления воздушного потока на частицу:

W В kmg cos a = S, (13) где - коэффициент сопротивления, зависящий от формы частицы;

S – площадь миделева сечения частицы;

W – скорость обтекания частицы воздухом;

В - плотность воздуха.

Числовые величины и коэффициент сопротивления можно заменить одним общим коэффициентом A, учитывающим форму и размеры частиц.

Транспортируемые частицы также заменяются на эквивалентные, имеющие форму шара, диаметром ds. В результате получим:

d M s W = 0,7A, (14) В где М - плотность материала.

Коэффициент 0,7 в формуле (14) характеризует степень влияния вращения трубопровода вокруг оси на снижение величины необходимой скорости воздушного потока. Скорость в этом случае примерно в 1,5 раза меньше по сравнению с обычными пневмотранспортными системами.

Диаметр шламопровода определяется так:

0,85Q d =, (15) W где Q – объемный расход воздуха или подача компрессора.

Диаметр шламопровода определяет производительность и концентрацию твердой фазы в потоке. Производительность можно считать величиной заданной через скорость продольного перемещения инструмента. Тогда концентрация определится из выражения:

Ds 2 • VИ M =, (16) 4 • Q b где Ds - эквивалентный диаметр скважины, VИ – скорость подачи инструмента.

Эквивалентный диаметр меньше геометрического диаметра скважины на величину, которая определена во второй главе, как часть грунта, уплотняемая в стенки скважины. Таким образом, установлены основные исходные величины, необходимые для инженерного расчета остальных параметров транспортной системы, в том числе и перепада давления на входе и выходе транспортной системы.

В практике подземного строительства часто прокладка скважин осуществляется в грунтах с повышенной влажностью. Транспортирование увлажненной грунтовой массы возможно в другом режиме работы пневмотранспортной системы. Скорость потока очистного агента должна быть еще ниже, чтобы сила лобового давления на частицу была гарантированно меньше силы ее трения о стенку трубопровода. В этом случае поступающая в процессе бурения грунтовая масса скапливается на входе трубопровода до момента его полного закупоривания. Вследствие вращения трубопровода происходит равномерное распределение этой порции грунта по всему сечению трубопровода. Таким образом, формируется грунтовая пробка, которая под действием давления воздуха движется по трубопроводу, как поршень в цилиндре.

Вращение трубопровода способствует уменьшению силы трения грунтового поршня - пробки о стенки трубопровода и сохранению его целостности и поршневых свойств в процессе движения.

На грунтовый поршень в процессе его движения действует сила давления воздуха и сила трения о стенку трубопровода. Сила трения включает в себя две составляющие: вызванную силой тяжести, и обусловленную давлением грунтового скелета на стенки трубопровода. Все перечисленные силы зависят, в числе прочих факторов, от диаметра трубопровода. К другим факторам, определяющим работоспособность и эффективность пневмотранспортной системы, относятся расход воздуха, перепад давлений, размер транспортируемых порций. Задачей исследования является изучение характера взаимосвязи факторов и установление их рациональных значений.

Для определения динамических и конструктивных параметров пневмотранспортной системы разработана математическая модель, описывающая процесс движения грунтового поршня по трубопроводу. Расчетная схема процесса представлена на рис. 8.

l G po pa y(t) y(t)+l dx x Рис. 8 - Расчетная схема процесса транспортирования грунтового поршня Уравнение движения единичного слоя грунтового поршня в произвольном сечении:

dpc d y = - - Pc - g k, (17) dt dx где y(t) - текущая координата края поршня по оси х;

t - время;

Pc - давление грунтового скелета в произвольном сечении (P =f(x,t));

с k - коэффициент трения грунта о стенку трубопровода;

g - ускорение свободного падения;

- плотность материала;

4 k =, D где - коэффициент распора грунта, D – диаметр трубопровода.

Из уравнения (17) после интегрирования по х следует:

d y P0 - Pa = - gk, (18) dt el -где l - длина грунтового поршня;

P0- давление перед грунтовым поршнем;

Pa - атмосферное давление.

Давление газа перед пробкой определяется из уравнения состояния при допущении о том, что скорость поступления газа не зависит от его давления в полости трубопровода:

m G0 + Gt Р0 = RT = RT, (19) V S y(t) где G0 - начальная масса газа перед поршнем;

G - скорость поступления газа;

S – площадь сечения трубопровода;

Решение уравнения (18) позволяет определить закон движения пробки y(t) и давление газа перед поршнем P0 (t).

d y В начальный момент движения = 0, тогда из (18) следует:

dt g (el -1) P0 = + Pa. (20) Установившаяся скорость движения поршня:

GRT =. (21) S[ g k (el -1) + Pa ] Таким образом, предложенная математическая модель процесса движения грунтового поршня в трубопроводе позволяет определить необходимую для движения величину давления на входе в трубопровод, скорость и время движения грунтового поршня при известной его массе и определенной длине трубопровода.

Диапазон изменения массы грунтового поршня при различных диаметрах трубопровода определялся экспериментально. В расчетах учитывались крайние значения выявленного диапазона.

По результатам расчетов на модели построена зависимость давления в шламопроводе от массы транспортируемой порции для различных диаметров трубопровода (рис. 9). На рис. 10 приведена зависимость скорости движения порций различной массы от диаметра трубопровода. Анализ полученных данных показывает, при малых диаметрах шламопровода возникает высокое давление воздуха перед грунтовой пробкой. Транспортирование порций большой и даже средней массы при этом невозможно, так как необходимо давление, превышающее магистральное.

V,м/c РПа 7 5 3 5 1 0 m, кг 10 30 D,м 0.1 0.2 0.Рис. 9 - Зависимость требуемого Рис. 10 - Зависимость скорости давления в трубопроводе от массы движения грунтового поршня от транспортируемого грунтового поршня диаметра трубопровода при для разных диаметров трубопровода одинаковом расходе воздуха 1 – m =10 кг; 2 - m=20 кг; 3 – m = 40кг 1– m =10 кг; 2 – m =20 кг; 3 - m= 40 кг При увеличении диаметра шламопровода уменьшается давление воздуха в трубопроводе и одновременно снижается скорость транспортирования. Это повышает вероятность наложения двух и более транспортируемых порций, особенно при значительной длине шламопровода. Такое явление возможно, если грунтовая пробка сформировалась и начала движение раньше, чем предыдущая порция вышла из шламопровода. Надежная работа транспортной системы в таких случаях возможна, если при кратном увеличении массы пробки давление возрастает незначительно.

Рациональный баланс между давлением воздуха и скоростью транспортирования порций для диапазона диаметров буримых скважин в интервале от 270 мм до 630 мм достигается при использовании шламопровода с внутренним диаметром 200 мм. В пользу такого решения свидетельствует пологий характер кривой возрастания давления воздуха при увеличении массы порций во всем исследованном диапазоне.

В пятой главе описаны результаты исследования динамики пневмоударных механизмов. В первом разделе главы сформулированы требования к конструкции пневмоударного механизма. Особенность его работы в предложенной технологической схеме транспортирования разрушенной породной массы заключается в противодавлении со стороны выхлопа воздуха из рабочих камер.

Показано, что за основу конструкции пневмоударника, работающего в неблагоприятных условиях, целесообразно принять бесклапанную схему воздухораспределения.

Бесклапанные пневмоударные механизмы с одной управляемой камерой отличаются простотой конструкции и надежностью работы. Выполненные по такой схеме пневмопробойники получили столь широкое применение благодаря именно этим качествам.

Важным фактором, определяющим производительность пневмоударного механизма, является величина ударной мощности. В условиях конструктивных ограничений на радиальные размеры более широкими потенциальными возможностями достижения высоких значений ударной мощности обладают бесклапанные механизмы с двумя управляемыми камерами. Подобная схема была принята при создании погружных кольцевых пневмоударников с центрально расположенным шламопроводом для бурения скважин в условиях многолетней мерзлоты. Это позволило генерировать необходимую для бурения мерзлых пород ударную мощность при жестких двусторонних ограничениях на радиальные размеры механизма.

В силу указанных обстоятельств эти две принципиальные конструктивные схемы приняты для проведения исследований динамики и получения данных, позволяющих оценить возможность их использования, как в качестве генератора ударных импульсов, воздействующих на инструмент, так и одновременно в качестве источника воздуха для пневмотранспортной системы. Для исследования динамики рабочего цикла и определения значений основных конструктивных и динамических параметров пневмоударных механизмов разработаны их математические модели. Модель включает в себя обобщенную расчетную схему (рис. 11), которая отражает принципиальные признаки, и систему уравнений, описывающих газодинамические процессы в рабочих камерах механизма и движение ударника.

а б PM Pа S20(x) S24(x) SSМРМ, ТМ SMS P2, V2, TP4, V4, TPа SS3 V3 S2 Vm m S10(x) S14(x) S1P1, V1, TS1 VPа Рис. 11 – Обобщенная расчетная схема пневмоударного механизма:

а - с одной управляемой камерой; б - с двумя управляемыми камерами P · S13 P1 Pa P1S1 dx P3 dt dP2 K 2KRT P2 P2 P2 Pa dx ·P4 S24 x S12 S23 x S20 x P2S2 dt V2S2x K1 P4 P1 P3 P2 dt dP3 K P dx || / 2KRT 2 ·P4 S34 x P3 S13 P3 S23 x P3 S30 x Pa P3 S3 S3 dt K1 P4 P1 P2 dt V3 S1 S2 ·x ·, где - давление воздуха в i – ой камере;

K – показатель адиабаты;

R – универсальная газовая постоянная;

- объем i – ой камеры в момент удара;

– рабочая площадь ударника со стороны i – ой камеры;

X – перемещение ударника;

T – температура воздуха в манистрали;

– давление воздуха в i – ой камере;

– эффективная площадь канала, связывающего j – ую и i – ую камеры;

– функция расхода (i,j – номера камер).

· 0.259 при 1 0.5 ·  при  0.5 ·  при  0.5 · 0.259 при 1 0.5 || / m, где m – масса ударника;

S S 12(x) S 13(x) - ускорение свободного падения;

- коэффициент отскока.

Методы математического моделирования позволяют производить оценку отдельных выбранных параметров пневмоударных устройств при различных условиях и ограничениях без проведения большого объема натурных экспериментов. Натурные эксперименты проводятся лишь для настройки модели и проверки ее соответствия реальному механизму. Целью исследований является определение динамических параметров ударных механизмов при совместной работе со шламотранспортной магистралью, и определение области рациональных значений основных конструктивных факторов, при которых достигается наилучшая эффективность совместной работы.

Для проведения вычислительных опытов использовалась универсальная проблемно – ориентированная программа, созданная в ИГД СО РАН под руководством А.М. Петреева. Конструктивные и динамические параметры механизмов заданы в безразмерном виде. За единицы изменения приняты:

l*а - единица длины; m*- единица массы; S *- единица площади;

P *m - единица давления.

Производные единицы измерения определяются следующим образом:

m *la * t* = - единица времени;

P *m S * V* = l *a S * - единица объема;

* = l *a / t * - единица скорости;

* = P *m S *l *a - единица энергии;

N* = * / t * - единица мощности;

Q* = m * / t * - единица расхода воздуха.

Для каждого типа механизма проведено несколько опытов при различных значениях противодавления в выхлопном тракте Pa, равных в безразмерном виде 0,143; 0,214; 0,286; 0,357. Результаты опытов представлены в графическом виде на рис. 12.

а б -2 -N 10 N 10 N Q 4,5 0.0.3,5 0.0.2,5 0.0.Q 1,0.0.Pa Pa 0,30,30,143 0,20,214 0,143 0,20,2 Рис. 12 - Зависимость энергетических параметров от величины противодавления в выхлопном тракте: а - механизм с одной управляемой камерой; б - механизм с двумя управляемыми камерами Анализ результатов вычислительных опытов показывает, что при одинаковой величине противодавлении в выхлопном тракте пневмоударный механизм с двумя управляемыми камерами теряет ударную мощность в меньшей степени, чем механизм с одной управляемой камерой. Сопоставление полученных результатов с данными экспериментальных исследований пневмопробойника, проведенных ранее Х.Б. Ткачом, и исследований кольцевого пневмоударника, свидетельствует об их близком совпадении.

Ударная мощность обеих механизмов уменьшается быстрее, чем расход воздуха. Как видно из графика, при увеличении противодавления в выхлопном тракте механизма с двумя управляемыми камерами с 0,143 до 0,357, т.е. в два с половиной раза, ударная мощность уменьшается в 1,7 раз, а расход воздуха уменьшается в 1,3 раза. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о потенциальной пригодности пневмоударного механизма как источника сжатого воздуха для пневмотранспортной магистрали. Если в силу различных случайных факторов происходит перегрузка транспортной магистрали, то увеличивается концентрация грунтовой массы в потоке и возрастает давление воздуха. Это приводит к снижению ударной мощности механизма и уменьшению количества поступающей в транспортную магистраль разрушенной породной массы. Важно при этом то, что производительность процесса разрушения породы, как функция ударной мощности, уменьшается быстрее, чем производительность транспортной системы, которая зависит от расхода воздуха. Техническая система, включающая пневмоударный механизм и транспортную магистраль, имеет потенциальную возможность саморегулирования и поддержания устойчивости работы.

Закономерно возникает вопрос о том, в какой мере можно изменить характер ухудшения энергетических параметров механизма при возрастании противодавления в выхлопном тракте. Поэтому была решена вторая задача эксперимента, которая заключалась в анализе возможности улучшения энергетических показателей ударного механизма, при его работе совместно со шламотранспортной системой, путем изменения его конструктивных факторов и достижения за счет этого более пологой характеристики параметров, отраженной на рис. 12.

Поиск областей рациональных значений факторов производился решением задачи многопараметрической оптимизации градиентным методом Бокса – Уилсона с применением положений теории планирования эксперимента. На модели механизма с двумя управляемыми камерами проведено три серии опытов с одинаковыми исходными значениями факторов при величине противодавления в выхлопном тракте 0,214; 0,286; 0,357. Интервалы варьирования факторов во всех сериях опытов были одинаковы. Коэффициенты уравнений регрессии, составленных по результатам опытов, свидетельствовали о слабой реакции модели на изменение значений конструктивных факторов, что обычно наблюдается в окрестности вершины гиперповерхности функции отклика. После определения шагов движения для каждого фактора были реализованы опыты по восхождению к вершине функции отклика при различных значениях P.

a Результаты опытов при максимальном противодавлении приведены в табл. 2.

Табл. 2. Результаты опытов при Pa =0,3№ опыта V1 V2 lM l1 N 1 6,1 9,9 1,43 0,67 0,162 6,7 10,3 1,45 0,64 0,173 7,3 10,7 1,48 0,61 0,174 7,9 11,1 1,50 0,58 0,17 Во всех сериях опытов максимальное значение параметра оптимизации достигалось на втором-третьем шаге. При этом величина приращения параметра оптимизации на одном шаге составляет 0,2 0,3 %. То есть реакция модели на изменение значений факторов весьма слабая. Это свидетельствует о том, что координаты вершины гиперповерхности функции отклика не изменяются при увеличении противодавления в выхлопном тракте ударного механизма. Область рациональных значений факторов при этом остается прежней. Следовательно, при расчете параметров пневмоударных механизмов необходимо учитывать установленное в опытах уменьшение энергии и частоты ударов, и расхода воздуха в процессе бурения и транспортирования разрушенной породы Исходные данные в расчетах изначально должны быть приведены к условиям выхлопа воздуха в атмосферу в соответствии с зависимостью, отраженной на рис. 12.

Шестая глава посвящена результатам экспериментальных исследований, касающихся процесса транспортирования разрушенной грунтовой массы, и испытаний буровой установки в полевых и производственных условиях.

Задачей исследований пневмотранспортной системы являлось получение данных для моделирования работы этой системы, проверка возможности транспортирования породных фракций и инородных включений, и измерение максимальных значений давления воздуха в трубопроводе в процессе транспортирования грунтовых порций различной массы. Исследования проводились в грунтовом канале при бурении скважин макетом расширителя диаметром 420 мм и 530 мм. Влажность грунта изменялась в диапазоне от 4 до 20 %. путем искусственного увлажнения или высушивания. Измерительно – регистрирующая аппаратура включала измеритель расхода воздуха, датчики давления, усилитель сигнала, аналого – цифровой преобразователь, портативный компьютер.

Установлено, что при вращении трубопровода процесс непрерывного транспортирования разбуренного грунта происходит при скорости воздушного потока в трубопроводе 8 – 10 м/с, что значительно меньше скорости, необходимой для транспортирования по неподвижному трубопроводу.

При дальнейшем уменьшении скорости воздуха процесс транспортирования переходит в дискретный. Грунт транспортируется порциями различного объема (рис 6.1). При остановке вращения трубопровода процесс транспортирования во всех случаях прекращался. Крупные включения, размером до 0,5 диаметра трубопровода транспортируются в составе грунтовых порций не вызывая нарушений процесса (рис. 14).

Рис. 14 – Инородные включения, Рис. 15 - Индикаторная диаграмма вынесенные через трубопровод давления в трубопроводе при транспортировании порции грунта Получена индикаторная диаграмма давления воздуха в трубопроводе при транспортировании порций грунта в виде рыхлого поршня (рис. 15). Расхождение зафиксированной величины давления и расчетной не превышает 20 %, что свидетельствует о приемлемой степени соответствия модели реальному процессу.

В ходе полевых и производственных испытаний буровой установки в различных грунтовых и температурных условиях (включая зимний период) пробурено более 350 погонных метров скважин диаметром от 320 до 530 мм, большинство из которых сооружались под дорогами для прокладки электрокабеля, водопровода и других коммуникаций. При этом в скважины укладывались пластмассовые трубопроводы (рис. 16, 17). Работы выполнялись по заказу АО «Новосибирскэнерго», МУП «Горводоканал» и других предприятий города Новосибирска.

а б Рис. 16 – Испытания буровой установки: а - в полевых условиях;

б - в производственных условиях в зимний период а б Рис. 17 – Производственные испытания: а - расширение скважины; б - затяжка пластиковых труб В ходе испытаний доказана работоспособность бурового комплекса и его конкурентоспособность в сравнении с другими техническими средствами.

Установлено, что сухая технология бурения может использоваться круглогодично. Скважина с уплотненными стенками сохраняет устойчивость в течение всего времени прокладки трубопровода. Расширение пионерной скважины до проектного диаметра осуществляется за один проход. Это выгодно отличает созданный комплекс от существующих установок горизонтального бурения американского и европейского производства, в которых возможно только последовательное расширение скважин за несколько проходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно –квалификационной работой, в которой изложено обоснование новых технических и технологических решений для создания нового типа устройств для бурения в уплотняемых грунтах горизонтальных скважин с частичным удалением грунта воздушным потоком при бестраншейной прокладке коммуникаций. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснована принципиальная схема установки горизонтального бурения, в которой для достижения временной устойчивости скважины, исключения образования в грунте каверн и последующих просадок дневной поверхности на скважинообразующий инструмент воздействуют одновременно статической и импульсной нагрузками, грунт при этом разделяется на уплотняемую в стенки скважины часть и удаляемую из нее транспортированием сжатым воздухом по горизонтальному вращающемуся трубопроводу постоянного сечения.

2. Установлено соотношение объемов удаляемой и уплотняемой в стенки скважины частей грунта и интервал - от 11 до 23 - значений соотношения объема грунта, вдавленного в стенки скважины, к площади ее поверхности, в пределах которого на стенках скважины грунт достигает плотности, достаточной для обеспечения ее временной устойчивости.

3. Определена зависимость скорости внедрения инструмента в грунт от приложенного к нему статического усилия при его сочетании с импульсным воздействием, найдена область значений параметров импульсного воздействия, в которой скорость внедрения не зависит от структуры ударной мощности, что позволяет увеличить частоту и уменьшить энергию импульсов.

4. Определена скорость потока воздуха необходимая для транспортирования разрушенной породной массы по вращающемуся трубопроводу, при которой движение происходит непрерывно, без образования неподвижного подстилающего слоя. Определены параметры воздушного потока при дискретном перемещении порций грунтовой массы в виде пластичного поршня.

Экспериментально доказана надежность транспортирования грунта, включая крупные фракции (до 0,5 диаметра транспортного канала) по горизонтальному вращающемуся трубопроводу воздушным потоком, скорость которого в полтора и более раз ниже значений, необходимых для транспортирования по неподвижному трубопроводу.

5. Для бурового инструмента диаметром до 600 мм определен диапазон диаметров вращающегося транспортного трубопровода, при котором не происходит закупоривание канала грунтовой массой при ее перемещении воздушным потоком давлением 0,6 МПа при расходе 0,15 кг/с.

6. Установлены закономерности изменения динамических параметров бесклапанных пневмоударных механизмов с ростом противодавления в выхлопном тракте и области значений основных конструктивных факторов, при которых обеспечивается транспортирование разрушенной породной массы воздухом, отработанным пневмоударным механизмом. Показано, что динамика изменения параметров ударной мощности и расхода удовлетворяет условию устойчивости работы шламотранспортной магистрали.

7. На основе выполненных исследований разработан и испытан в лабораторных, полевых и производственных условиях экспериментальный образец установки для бурения в грунтах скважин, с использованием статического и импульсного воздействия на грунтовый массив, и транспортированием разрушенного грунта сжатым воздухом по горизонтальному вращающемуся трубопроводу.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петреев А.М. Образование скважин пневмопробойниками и грунтопроходчиками с кольцевым инструментом / А.М. Петреев, Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2000. - № 6. - С. 53 – 58.

2. Данилов Б.Б. Пути совершенствования технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций / Б.Б. Данилов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2007. - № 2. - С. 69 – 75.

3. Данилов Б.Б. Повышение эффективности бестраншейных способов подземного строительства за счет применения пневмотранспорта / Б.Б. Данилов // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2007. - № 5. - С. 52 – 61.

4. Данилов Б.Б. Пути повышения эффективности забивания в грунт стальных труб пневматическими молотами / Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2005. - № 6. - С. 81 – 88.

5. Данилов Б.Б. Определение относительной плотности стенок грунтовых скважин при сооружении их комбинированным способом / Б.Б. Данилов, Б.Н.

Смоляницкий // Изв. ВУЗов. Строительство. – 2004. - № 1, с. 49 – 53.

6. Данилов Б.Б. Перспективы развития технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций / Б.Б. Данилов // Труды конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы техногенной геосреды». Т 2. Машиноведение. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2007. – С. 143 – 150.

7. Danilov B.B. Substation and Selection of Basic Technological Principles for the Evolvement of a New Procedure of the Controlled Horizontal Drilling / B.B. Danilov // Archives of Mining Sciences. – 2008. – P. 205 – 212.

8. Данилов Б.Б. Новые пневмоударные машины для реализации энерго- и ресурсосберегающих технологий бестраншейной прокладки коммуникаций / Б.Б.

Данилов Б.Н. Смоляницкий, А.М. Петреев // Совершенствование средств механизации путевых, строительных и погрузочно-разгрузочных работ. Сборник научных трудов. – Новосибирск: СГУПС, 2001. – С. 62 - 69.

9. Смоляницкий Б.Н. Погружные пневмоударники с центральным шламопроводом / Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов // Горные машины и автоматика. – 2002. - № 5. - С. 20 – 23.

10. Смоляницкий Б.Н. Передача энергии удара импульса через промежуточный соединительный элемент грунтопроходчика / Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов, А.Н. Якимович // Труды конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы техногенной геосреды». Т 2. Машиноведение. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2007. – С. 133 – 137.

11. Данилов Б. Б. Методика расчета параметров кольцевых геологоразведочных пневмоударников / Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий, Л.И. Сухарева // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1987. - № 5. - С. 110 – 113.

12. Смоляницкий Б.Н. Стенды для испытаний пневмоударных машин со сквозным осевым каналом / Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов, А.Т. Сырямин // Строительные и дорожные машины. – 1988. - № 2, с. 7 – 8.

13. Данилов Б.Б. Повышение эффективности бурения скважин кольцевыми погружными пневмоударниками / Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий // Импульсные машины для горного и строительного производства. Сборник научных трудов. – Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990, с. 3 – 11.

14. Патент РФ № 2344241. Способ бестраншейной прокладки коммуникаций в грунте (варианты) / Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий // Опубл. 20.01.2009, Бюл.

№ 2.

15. Патент РФ № 2311510. Реверсивное устройство ударного действия / Б.Б.

Данилов // Опубл. 27.11. 2007, Бюл. № 33.

16. Патент РФ № 2272872. Реверсивное устройство ударного действия / Б.Б.

Данилов, Б.Н. Смоляницкий // Опубл. 27.03.2006, Бюл. № 9.

17. Патент РФ № 2018655. Кольцевой пневмоударник для бурения скважин / Б.Н.

Смоляницкий, А.М. Липин, М.Е. Сыкчин, А.Т. Сырямин, Б.Б. Данилов, А.А.

Зеленцов // Опубл. 30.08.1994, Бюл. № 16.

18. А.с. № 1773995. Кольцевой геологоразведочный пневмоударник / Б.Н.

Смоляницкий, Л.И. Сухарева, Б.Б. Данилов, В.Н. Савельев, А.Т. Сырямин // Опубл. 07.11.1992, Бюл. № 41.

19. А.с. № 1722085. Кольцевой геологоразведочный пневмоударник / А.Д.

Костылев, А.А. Зеленцов, Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов, А.Т. Сырямин, Л.И.

Сухарева, Д.И. Коган // 1992.

20. А.с. № 1676298. Кольцевой геологоразведочный пневмоударник / А.Д.

Костылев, Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов, В.П. Богинский, Ю.Н. Сырямин, Д.И.

Коган // 1991.

21. А.с. № 1671836. Кольцевой пневмоударник для бурения скважин / Б.Н.

Смоляницкий, Б.Б. Данилов, А.М. Липин, В.К. Алябьев // Опубл. 23.08.1991, Бюл.

№ 18.

22. А.с. № 1370218. Кольцевой пневмоударник для бурения скважин / А.Д.

Костылев, Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий, Д.И. Коган, В.Н. Савельев, О.В.

Смирнов, В.Ф. Веселов // Опубл. 30.01.1988, Бюл. № 4.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.