15.01.2021

Ударно-канатное бурение забивными стаканами


Метод ударно-канатного бурения забивными стаканами кольцевым забоем получил весьма широкое распространение при проходке в мягких и рыхлых породах неглубоких скважин различного назначения диаметром от 73 до 190—250 мм. По данным Б.М. Ребрика, при инженерных изысканиях этим методом выполняется 21—23% всех буровых работ.

Существуют две разновидности бурения забивными стаканами: сбрасывание стакана, снабженного ударной штангой, на забой с большой высоты, чаще всего с поверхности, когда, в случае необходимости нанесения во время каждого рейса более одного удара, происходит отрыв снаряда от забоя (метод «клевания») или забивка с помощью специального забивного приспособления типа ясс, исключающего отрыв, стакана от забоя на протяжении рейса вис зависимости от необходимого числа ударов.

Механизм разрушения забоя при использовании забивных стаканов в пластичных породах представляет собой резание острой кромкой башмака и одновременное уплотнение стенок скважин и образца, а в рыхлых — сводится только к их уплотнению.

Погружение стакана происходит под действием кинетической энергии, полученной снарядом с ударной штангой во время падения в скважину при бурении с отрывом от забоя, или под действием энергии, которая сообщается неподвижному стакану забивной штангой, наносящей удар по бойку. В первом случае по забою наносится чаще всего один удар, так как для получения достаточного запаса энергии снаряд должен сбрасываться с возможно большей высоты, а стакан погружается на 0,05—0,2 м. Во втором случае рациональное число ударов определяется диаметром стакана, весом ударной штанги и физико-механическими свойствами пороли.

Обычно проходка за рейс составляет 0,2—0,6 м, а продолжительность рейса не превышает 1—3 мин. Нижнее значение величины углубления соответствует пескам, в которых она находится и пределах 0,2—0,3 м, а верхнее — пластичным породам — глинам и суглинкам. Углубление снаряда за одни удар зависит от конструкции ударного узла и башмака, веса ударной массы и физико-механических свойств породы. По данным исследований, проведенных в СКВ МГ России Э.Д. Мельником, для песков она составляет 0,3—0,4 см, для глин 0,8—1,2 см, для супесей и суглинков 1,5—2,0 см.

Поскольку в процессе углубления на стакан кроме постоянного лобового сопротивления действуют постоянно возрастающие силы трения, скорость погружения в течение рейса снижается. Как можно видеть на рис. 26, в начале рейса это снижение настолько незначительно, что скорость можно считать практически постоянной.

Однако после некоторого числа ударов соответствующего времени t' интенсивность падения скорости возрастает (рис. 26). После этого продолжать рейс нецелесообразно, так как одновременно увеличиваются усилия, необходимые для срыва снаряда, а также время, затрачиваемое на эту операцию и очистку стакана.
Ударно-канатное бурение забивными стаканами

Отмечено быстрое затухание скорости в сыпучих песчаных породах, что объясняется более высоким коэффициентом трения и большими усилиями на их уплотнение и вынуждает сокращать длину рейса.

Увеличение времени забивки снаряда в песках обычно не даст существенного прироста углубления и часто приводит к прихвату инструмента из-за обрушения породы из стенок скважины.

Интересно отметить, что в некоторых случаях углубление за один удар при одинаковом весе ударной штанги оказывается большим при бурении снарядом большего диаметра. Так, в глинах стакан диаметром 190 мм обеспечивает углубление за удар 1,2 см, а стакан диаметром 146 мм — 0,8 мм. Это объясняется, видимо, меньшим сопротивлением, которое преодолевается керном при прохождении через башмак с большим проходным отверстием. В стаканах малого диаметра при определенных условиях может возникать так называемый «свайный эффект», когда в башмаке создается уплотненная породная пробка и дальнейшее углубление осуществляется сплошным забоем.

Этот эффект возникает при уменьшении отношения площади проходного отверстия башмака (Fd) к площади кольцевого забоя (FD-d) и приводит к образованию в башмаке плотной породной пробки, после чего дальнейшее углубление происходит практически сплошным забоем.

Характер изменения соотношения (Fd/FD-d) в зависимости от диаметра стакана (рис. 27) подтверждает это предположение.

Вес ударной штанги подбирается обычно эмпирически и составляет для бурения с отрывом снаряда от забоя 100—150 кг, а для бурения без отрыва от забоя 120—300 кг.

Следует отметить, что такие веса в целом соответствуют существующим представлениям в прочностных свойствах грунтов и механизме их разрушения.

Видимо, сила удара, приходящаяся на единицу площади башмака забивного стакана в мягких породах, может быть найдена по формуле

где Q — ударная масса в кг; S — высота подъема ударной массы в см; n — коэффициент передачи удара от бойка наковальне; 2 — коэффициент, учитывающий изменение силы удара от 0 до mах; h — углубление на удар в см; F — опорная площадь башмака в см2: k — коэффициент передачи удара породе.

Величина G должна быть не менее сопротивления породы внедрению стакана P, т. е. G>p. Тогда

Для оценки сопротивления породы внедрению стакана с некоторыми допущениями могут быть использованы данные ВИМС о погружении штампа, приведенные в табл. 63.

Коэффициент передачи удара от бойка к наковальне и стакану может быть принят равным 0,7—0,9 с учетом исследований влияния на эту величину ударной массы, проведенных в СКВ MГ СССР применительно к гидроударным машинам.

Для бурения с отрывом снаряда от забоя, когда ударная штанга связана непосредственно со стаканом, n = 1.

Очевидно, что проникновению башмака в породу препятствуют также силы трения. Величина этих сил зависит от силы удара и коэффициента трения f металла о породу (f=0,1—0,3).

Сила трения T направлена вдоль поверхности скоса башмака с углом заточки а и может быть найдена из выражения T=Qsinaf. Тогда вес снаряда можно определить по формуле

Учитывая, что угол а находится в пределах 30—45°, принимаем выражение (fsin a cos а) равным в среднем 1,05—1,15.

Опорная площадь башмаков для стаканов диаметром 112, 146 и 190 мм составляет примерно 35, 56 и 80 см2.

Принимая значения сопротивления породы 50 и 100 кГ/см2, углубление стакана за удар при бурении с отрывом и без отрыва от забоя соответственно 10 см и 1 см, а высоту сбрасывания снаряда 500 и 50 см, получим минимальные величины ударной массы в кг, приведенные в табл. 64 (для k=1).

Таким образом, в зависимости от твердости породы величина забивной массы, приходящаяся на один сантиметр диаметра стакана, составляет примерно 7—17 кг при бурении с отрывом и 9—22 кг при бурении без отрыва снаряда от забоя, а а пересчете на площадь кольцевого забоя примерно 2,5—6,0 кГ/см2.

Следует отметить, что проведенный расчет справедлив для сравнительно пластичных пород, поддающихся уплотнению. При бурении по пескам следует применять снаряды несколько меньшего веса, учитывая, что в этом случае порода плохо поддается уплотнению углубление за удар уменьшается, а потери на трение возрастают. Об этом свидетельствует, в частности, довольно сильный нагрев башмака, отмеченный после извлечения снаряда из скважины.

Мощность, необходимая для бурения забивными стаканами, может быть определена с использованием известных формул.

При бурении без отрыва стакана от забоя мощность на работу ударного механизма соответствует выражению

где Q — вес забивнои штанги в кг; vcp=S1n/30 — средняя скорость оттяжного ролика; S1 — высота подъема забивнои штанги; n — число ударов в 1 мин; k — коэффициент динамичности, зависящий от S1 и n; для легких стаканов может быть принят 1,10; n — 0,7—0,8 — к. п. д. станка.

Кроме того, для выбора приводного двигателя необходимо установить мощность на подъем снаряда из скважины с учетом усилия, требующегося для его срыва с забоя, которое может достигать 1500—2000 кГ. Эта мощность может быть найдена по формуле

где Q — вес снаряда в кг; v — скорость подъема в м/сек; t — коэффициент прихвата, который представляет собой отношение усилия, необходимого для срыва стакана после забивки к полному весу ударного снаряда и в зависимости от свойств пород и диаметра стакана может составлять 5—10 как это установлено на основании опытных данных.

При бурении методом «клевания» с отрывом стакана от забоя мощность станка определяется из усилий на подъем снаряда с определенной скоростью, т. е. N=Qvt/75n причем t должен быть принят в этом случае в пределах 3—5. Мощность, рассчитанная по приведенным формулам, составляет при скоростях подъема снаряда 0,5—1 м/сек от б до 12—15 л. с., что в основном соответствует фактической мощности соответствующего оборудования.

Результаты хронометражных наблюдений работы станков Д-5-25, БУКС-ЛГТ, БУВ-1б, УБП и других позволят судить о возможных скоростях бурения ударно-забивным методом и их зависимости от типа пород и конструкции скважин (рис. 28,а, б).

В табл. 65 приведены значения начальной скорости и декремента затухания для различных условий, а также мощность станков, которыми осуществлялось бурение.

Анализ материалов табл. 65 свидетельствует о том, что при прочих равных условиях наиболее высокие начальные скорости бывают в породах II и III групп — связных, слабоустойчивых и устойчивых, невысокой плотности, обладающих способностью уплотнения под действием удара. Наблюдения, проведенные в СКБ МГ России и других организациях, подтверждают, что максимальные скорости бурения по глинистым породам в 2—3 раза превышают скорость бурения по пескам.

Четкой зависимости начальной скорости от диаметра стакана не выявлено. В некоторых случаях для забивных станков диаметром до 127 мм но мере его увеличения наблюдается рост скорости. Это явление объясняется, видимо, так называемым "свайным" эффектом.

Вместе с тем при больших диаметрах (более 127 мм) их увеличение приводит к снижению начальной скорости. Так, в породах III группы при бурении без отрыва от забоя стаканами диаметром 152, 195, 219, 245, 273 c0 составляет соответственно 11,1; 3,6; 3,6, 3,8; 3,0 мм. Очевидно, такое снижение скорости связано с недостаточной величиной ударной массы, которая в станке БУК-75 составляла всего 250 кг. При увеличении ударной массы до 600—700 кг и высоты ее подъема до 900 мм механические скорости бурения при диаметрах стаканов 168, 219 и 250 мм составили 8,5; 8,0 и 10,2 м/ч, что также подтверждает целесообразность выбора ударной штанги исходя из веса на 1 см диаметра в пределах 20—25 кг.

Декремент затухания скорости мало зависит от породы. Однако при бурении с отрывом от забоя отмечается более интенсивное снижение скорости в породах II группы в связи с их низкой устойчивостью в стейках скважины, приводящей к перебуриванию отдельных интервалов, заваленных при подъеме или спуске снаряда.

Зависимость декремента затухания от диаметра стакана не проявляется. В целом, интенсивность снижения скорости несколько меньше при бурении без отрыва стакана от забоя.

Это объясняется большими длинами рейсов и уменьшением количества спуско-подъемных операций.

Кроме того, при бурении методом «клевания» по мере увеличения глубины возрастают потери на трение стакана во время сбрасывания его в скважину. В результате снижается скорость падения снаряда и сила удара.

Анализ графиков средних рейсовых скоростей (рис. 29, 30) показывает, что наибольшие скорости имеют место в породах III группы, которые оказывают незначительное сопротивление внедрению стакана.

Сыпучим породам и плывунам I группы соответствуют минимальные рейсовые скорости, так как скважина в этом случае неустойчива и требует обсадки, а транспортировка несвязной породы на поверхность затруднительна.

В пределах одной и топ же группы пород с уменьшением диаметра бурения vcp увеличивается, что особенно характерно для пород I и II групп, которые значительно хуже удерживаются в зондах большого диаметра. Связные породы III и IV группы хорошо удерживаются в зондах различных диаметров и поэтому в пределах распространенных диаметров (127, 108, 89 и 73 мм) рейсовые скорости отличаются мало. Однако если сравнивать результаты бурения зондами диаметром 73—127 мм и 219—273 мм, то можно отметить двух-трехкратное уменьшение рейсовых скоростей при больших диаметрах.

Отмечено, что при диаметрах более 127 мм бурение с отрывом снаряда от забоя практически становится невозможным, поскольку порода, уплотнение которой крайне незначительное, не удерживается в стакане при ударах его о стенки скважины во время подъема. Часто в сыпучих и слабоустойчивых породах даже в пределах диаметра 127 мм приходится чередовать применение стаканов большего и меньшего диаметра с тем, чтобы обеспечить подъем образца.

Правда, для проходки ударно-забивным методом с отрывом стакана от забоя скважин диаметром более 200 мм создан специальный снаряд, состоящий из нескольких одновременно работающих гильз. Однако такой снаряд может быть использован лишь и сыпучих породах, где он обеспечивает довольно высокие скорости (до 4 м/ч при диаметре 600 мм). В более плотных породах бурение скважин большого диаметра требует применения ударно-забивного метода без отрыва снаряда от забоя, поскольку при этом порода, уплотнившаяся в стакане, не теряется во время подъема.

Сопоставляя рейсовые скорости при бурении с отрывом и без отрыва снаряда от забоя, можно видеть, что при проходке плывунов последний метод более эффективен. Характерно, что чем глубже скважина, тем больше возрастает эффективность данного метода.

В связных породах рейсовые скорости в 3—4 раза выше при бурении с отрывом снаряда от забоя. Положение меняется лишь на глубинах более 25 м в породах II и IV групп, поскольку уменьшение длины рейса приводит в этих породах к значительному увеличению затрат времени на спуско-подъемные операции.

В результате рейсовая скорость бурения без отрыва снаряда от забоя становится на глубине 50 м в 2—3 раза выше, чем при бурении с частым подъемом стакана. Объясняется это тем, что уменьшение рейсовой скорости с глубиной на интервале 5—50 м составляет в данном случае, как правило, не более 1,5—2 раз, в то время как при бурении с отрывом снаряда от забоя оно достигает 5—20 раз.

Многочисленные материалы, отражающие результаты применения ударно-забивного метода бурения в производственных организациях различных ведомств, собранные в 1965—1968 гг. СКБ МГ России и ПНИИС, свидетельствуют о том, что производительность при этом составляет обычно 10—20 м/смену, хотя иногда с особо благоприятных условиях достигает 30—40 м/смену. Pасчеты затрат времени проведенные нами с использованием данник хронометражных наблюдений, показывают, что такие результаты могут быть получены при бурении в породах III—IV группы скважин глубиной до 25 м.





Яндекс.Метрика