книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

£ Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-81-

зубьями, Основной недостаток щелерезных машин — невоз­ можность работы на высокопрочных и завапуненных вечно­ мерзлых грунтах.

Цель нарезания щелей - ослабление монолита вечномерзло­ го}грунта для его последующей обработки одноковшовыми экс­ каваторами или с помощью взрывчатых веществ (ВВ). Ширина щели должна быть минимальной, а ее глубина - соответствовать технологическим возможностям. Нарезание параллельных ще­ лей осуществляют в грунтах V...VI категорий. На более крепких грунтах применяют блочный способ нарезания щелей в про­ дольном и поперечном направлениях. Щеперезные машины применяют также для нарезания узких траншей для прокладки пязпичных сетей на небольшую глубину.

Для нарезания щелей в вечномерзлом грунте применяют баровые машины и роторные траншейные экскаваторы с зубья­ ми или дисковыми шарошками.

Баровый рабочий орган представляет бесконечную цепь со сменными резцами, установленную в верхней части рамы баровой машины и огибающую ведомые звездочки. Звездочки за­ креплены на концах рамы, по длине которой монтируют под­ держивающие ролики. Механизм подъема-опускания бара имеет возможность принудительного прижатия рамы барового рабоче­ го органа к забою под действием усилия, создаваемого гидроци­ линдрами.

При движении вперед баровой машины со скоростью и баровая цепь имеет линейную скорость Up изменяющуюся от 0,5 до 3 м/с. Чем больше усилие прижатия бара к забою, тем произ­ водительнее процесс резания мерзлого грунта. С уменьшением угла установки баровой цепи а увеличивается сцепной вес базо­ вого тягача, уменьшается длина рабочего органа и транспортные габариты машины. В процессе движения цепи резцы подрезают грунт и выносят его на поверхность. На баровой цепи устанав­ ливают несколько резцов по ее ширине с определенным шагом, аналогично зубьям на ковшах роторных траншейных экскавато­ ров. Общая длина рабочего органа

Ь - { Н Щ+ Н 0 + 0 ,5 D l ^/ c o s сс

(3.18)

-82-	Механика мерзлых грунтовнпрннципы стрсмгтепьстванефтегазовых
	объектов в условияхСевсра .........

где Ящ глубина прорезаемой щели, Яс - расстояние от оси ведущей звездочки до поверхности грунта; А - диаметр веду­ щей звездочки.

Минимальная ширина прорези у современных конструкций баровых машин составляет 5 Щ=0,12...0,15 м. Ширина прорези, создаваемой одним резцом, определяется числом линий резания

п : Ъ - B jl 1

Толщина стружки h каждого резца зависит от отношения скоростей движения рабочей цепи и базовой машины Ор/о. Од­ нако при ориентировочных расчетах толщину стружки опреде­

ляют с учетом ширины резца h = (1,8 ...2 ,5)Ь.

Тяговое усилие базового тягача определяют как сумму со­ противления передвижению Р„ и необходимого усилия прижа­ тия Р„р рабочего органа к забою:

(3-1»)

Резцы на баровой цепи устанавливают так, чтобы каждый из них работал в условиях полублокированного или свободного резания. Бесступенчатое изменение скоростей рабочего органа и базовой машины в широком диапазоне обеспечивает возмож­ ность подбора оптимального режима работы для всей совокуп­ ности грунтовых условий.

Рабочие органы роторных траншейных экскаваторов осна­ щены резцами (зубьями), устанавливаемыми на ковшах таким образом, чтобы передняя кромка ковша в разрушении вечно­ мерзлого грунта не участвовала. Эффективность работы опреде­ ляется не только рациональным соотношением скоростей реза­ ния грунта и передвижения машины, но и числом резцов, их размерами и схемой установки на роторе. Обычно принимают ступенчато-шахматную схему расположения резцов, имеющих угол резания 5= 40...600 и задний угол а ^ г 10..Л50. Ширина резцов составляет 20...60 мм, а скорость резания ор - 0,5...4 м/с. Рациональное соотношение глубины Ь, шага t резания и ширины резца b с позиций обеспечения минимальной энергоемкости

3. Машины и оборудование для рыхления вечномерзлыхгрунтов		-8 3 -
процесса разрушения	грунта определяютпо	отношению
Г-Ь = (0,5...0,8)А	[50].

Расчет роторного траншейного экскаватора выполняют по рекомендациям работы [23]. Диаметр ротора D p, наибольшую

глубину Я и ширину В траншеи, ширину Ьк, высоту hK и длину

1К ковша, шаг Тк ковшей и число ковшей на роторе Пк подби-

рают соответственно по эмпирическим зависимостям

Dp s (1,75...1,85)Я ;^ = 0,9В	(3-2°)
К —(0,5...0,6)Я ;/К г (0,4...0,6)7'1С	(3*21>
T K= * D X	(3-22)

Основной недостаток землеройных машин непрерывного действия ковшового типа при работе на вечномерзлых грунтах - невозможность разрабатывать грунты с значительными по раз­ мерам валунными включениями. К числу положительных ка­ честв этих машин следует отнести диспергирование грунта в процессе экскавации, благодаря чему возможно его повторное использование для обратной засыпки.

ВОПРОСЫ

1.Как проводится расчет силы сопротивления грунта рых­

лению?

2.Какие существуют виды подвесок рыхлителей статиче­ ского действия?

3.Как проводится расчет рыхлителей динамического дей­

ствия?

4.Какие машины разрушают грунт отрывом?

5.Какие существуют машины для нарезания щелей в веч­ номерзлых грунтах?

. j Мехаиикамерзлыхгруктовипринципы строительства нефтегазовых

-о4 - объектоввусловияхСевера

МАШ ИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРО­

ХОДКИ СКВАЖИН И Ш ПУРОВ В ВЕЧ­

НОМ ЕРЗЛЫ Х ГРУНТАХ

4.1. Общие сведения

Эти машины предназначены для проходки скважин при устройстве свай и для бурения шпуров при буровзрывных рабо­ тах.

Различают следующие механические способы проходки скважин в вечномерзлых грунтах: ударный, вращательный, тер­ мический и комбинированный (ударно-поворотный, ударно­ вращательный, вращательно-ударный и термомеханический). Наибольшее распространение в вечномерзлых грунтах получили ударно-поворотный и вращательный способы бурения.

В зависимости от категории вечномерзлого грунта и затра­ ченной энергии при ударном и вращательном способах бурения имеют место следующие виды разрушения:

поверхностное истирание -

РС Р д ® KF

(4'1)

усталостное разрушение -

Рс + Рд =

<

(4.2)

объемное разрушение -

РС + Р д > ° KF

(4-3)

где Рс , Рд - статическая и динамическая нагрузки при бу­

рении; <ТК предел прочности породы при раздавливании;

F - площадь контакта бурового инструмента с грунтом.

4; Машины и оборудование для проходки скважин и шпуров	-8 5 -
ввечиомерзлых грунтах

Наиболее производительным видом разрушения вечно­ мерзлых грунтов является объемное, при котором распределен­ ная нагрузка лезвия бурового снаряда на грунт больше предела прочности породы при раздавливании. Поэтому чем больше площадь контакта лезвия долота с грунтом, тем большую на­ грузку необходимо приложить для осуществления объемного разрушения. Износостойкость инструмента при этом снижается. Энергия падающего бурового снаряда передается грунту в виде ударного импульса в сотые доли секунды. Лезвие снаряда, вне­ дрившись в грунт, образует выемку на поверхности. При подъе­ ме снаряда происходит его поворот, и следующая выемка обра­ зуется под углом к первой. Можно подобрать такое отношение энергии удара и угла поворота снаряда, при котором будет обеспечиваться скол грунта между соседними выемками при образовании последней, что увеличивает скорость механическо­ го бурения. В процессе удара под лезвием последовательно об­ разуются следующие области деформации грунта: упругая де­ формация (ядро), раздавливание и скалывание породы (объем­ ное скалывание). Возникающая при этом сеть пересекающихся трещин нарушает монолитность грунта и способствует его раз­ рушению. При наличии напряжений в ядре раздавливания, пре­ вышающих критические значения, происходит объемное скапы­

вание. Если внешняя сила равна или несколько меньше (JKF

то разрушение носит усталостный характер и малопроизводи­ тельно.

Разрушение вечномерзлого грунта при вращательном спо­ собе происходит при действии осевого усилия на вращающийся резец. К недостаткам вращательного способа бурения относят повышенное изнашивание рабочего инструмента и необходи­ мость приложения значительных осевых нагрузок для создания объемного разрушения, а не истирания грунта.

Ударно-вращательный и вращательно-ударный способы бурения скважин осуществляют прижатым к забою вращаю­ щимся инструментом, по которому наносят удары. Лезвие инст­ румента внедряется в грунт под действием ударной нагрузки и разрушает его. В промежутках между ударами вследствие вра­ щения инструмента процесс породоразрушения продолжается.

При установке свай в вечномерзлый грунт опускным спосо­ бом применяют оттаивание грунтов паром, подаваемым через

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - о б - объектов в условиях Севера

трубы, погружаемые в вечномерзлый грунт под действием соб­ ственного веса по мере его оттаивания. Чем больше насыщен­ ность грунтов льдом, тем интенсивнее процесс оттаивания. Наибольшее применение паровое оттаивание получило в Яку­ тии.

Термическое разрушение грунтов происходит в результате одностороннего нагревания забоя скважины. При этом в грунте создаются механические напряжения, ведущие к разрушению поверхностного слоя. Если напряжения в грунте больше вре­ менного сопротивления грунтов, то происходит так называемое «шелушение», т. е. отслаивание грунта в виде мелких чешуек. Трещиноватость грунтов и их пористость ухудшают условия «шелушения». Для увеличения направляемого на грунт теплово­ го потока скорость истечения струи газов должна быть макси­ мальной, что достигается применением сопел Лаваля. Темпера­ тура газового потока составляет 2000...2500°С. При ударе о грунт ируя газов теряет скорость, и одновременно повышается ее температура. Передав часть теплоты грунту, измельченная грунтовая масса выносится на поверхность по стволу скважины под действием избыточного давления отработавших газов.

Термомеханическое разрушение вечномерзлых грунтов ос­ новано на совместном действии термического и механического способов, чаще вращательного. В этом случае воздействие на грунт струи газов, выходящей из реактивного аппарата, кратко­ временно. При этом происходит не разрушение породы, а толь­ ко некоторое изменение физико-механических свойств, которое способствует эффективной разработке механическим способом.

4.2. Машины ударного бурения

Образование скважин в вечномерзлом грунте станками ударно-канатного (ударно-поворотного) бурения осуществляют посредством нанесения ударов по забою буровым снарядом с поворотом снаряда между ударами. Производительность машин ударного бурения зависит от категории и состояния грунта в момент бурения, энергии и частоты ударов долота, веса бурово­ го снаряда, угла поворота долота между ударами и т. д.

4. Машины и оборудование для проходки скважин и шпуров	-8 7 -
в вечномерзлых грунтах

Основными механизмами этих станков являются: механизм подъема-опускания бурового снаряда (главный привод), удар­ ный механизм для сбрасывания бурового снаряда на забой, ме­ ханизм подъема желонки для вычерпывания бурового шлама и механизм передвижения. Привод всех механизмов станков осу­ ществляется от одного или нескольких электродвигателей.

Наибольшее распространение получил станок БС-1М, со­ стоящий из гусеничного ходового оборудования, рамы с меха­ низмами и электродвигателем, мачты, бурового снаряда и же­ лонки. Рама станка опирается на две гусеничные ходовые те­ лежки. Самостоятельный привод каждой гусеницы осуществля­ ется от электродвигателя черта фрикционную муфту, шестерен­ чатую и цепную передачи. Мачта станка выполнена телескопи­ ческой и шарнирно связана с рамой. Она состоит из двух частей, которые при транспортировании располагаются горизонтально над станком. В рабочем положении мачту закрепляют оттяжка­ ми. Амортизатор, установленный в верхней части мачты, сни­ жает динамические нагрузки на нее. Управление механизмами бурового станка осуществляется с рабочей площадки, располо­ женной на раме станка в непосредственной близости от бурово­ го снаряда. Рабочую площадку оборудуют кабиной для защиты оператора от атмосферных воздействий. Устойчивость станка в процессе бурения обеспечивается выносными опорами.

4.3. Машины вращательного бурения

Буровая установка вращательного бурения имеет базовую машину, вертикальные направляющие, вращательный и рабочий механизмы. Вращательное бурение осуществляется «сухим» способом (без применения воды). Буровую мелочь из скважины удаляют механическим способом или выдувным с помощью воздуха.

Вращательный механизм гидравлического или механиче­ ского типа лапами скользит по вертикальным направляющим. Подъем этого механизма производится с помощью гидроцилин­ дров или лебедкой. В патроне вращателя закреплена буровая штанга, выполненная со шнеком для подъема разрушенного грунта. По конструктивному исполнению станки вращательно­

Механика мёрзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 8 8 - объектов в условиях Севера

ударного и вращательно-вибрационного бурения не отличаются от станков вращательного бурения. Эти станки оснащают до­ полнительным ударным или вибрационным механизмом.

4.4. Оборудование для проходки лидерных скважин

Лидерами называют навесное сменное оборудование к мо­ лотам и вибропогружателям. Они предназначены для устройст­ ва в вечномерзлых грунтах скважин, в которые принудительно бурозабивным способом погружаются сваи.

Лидер состоит из цельнотянутой стальной трубы и нако­ нечника. При погружении лидера в вечномерзлый грунт керн поступает внутрь трубы и выдавливается наружу через разгру­ зочное окно в ее верхней части. Наконечники предохраняют трубу лидера от разрушения, способствуют погружению лидера в грунт, перемещению керна внутри трубы и уменьшению уси­ лия извлечения лидера из вечномерзлого грунта.

Отношение площади поперечного сечения лидера к площа­ ди поперечного сечения погружаемой сваи называют коэффици­ ентом забуривания. Для квадратных свай коэффициент забури­ вания составляет 0,9...0,95, т. е. диаметр лидера равен стороне сваи или меньше ее. Эта разница составляет до 1 см при погру­ жении сваи молотами и 3 см при погружении вибропогружате­ лями.

Проходка лидерных скважин состоит из операций принуди­ тельного погружения лидера в вечномерзлый грунт и его извле­ чения.

Если конструкция лидера не соответствует грунтам пло­ щадки строительства или применена нерациональная техноло­ гия его погружения, то появляется «свайный эффект», т.е. резко снижается скорость погружения лидера в грунт, керн внутри лидера не перемещается, грунтовая пробка забивает лидер, и он погружается как забивная свая.

Известны два способа проходки лидерных скважин: цикли­ ческий с помощью короткого лидера и непрерывный с помощью длинного лидера. Форма наконечника лидера зависит от техно­ логии работ, свойств и состояния грунта, способа погружения лидера и других факторов.

4. Машины и оборудование для проходки скважин и шпуров	-89-
:в вечномерзлых грунтах

Циклический способ проходки лидерных скважин глубиной до 10..Л2 м наиболее распространен. Короткий лидер длиной до 1,5м соединяют штангой соответствующей длины с шаботом молота сваебойной машины. Разгрузочное окно расположено на расстоянии около 1м от наконечника. После погружения лидера в грунт его поднимают на поверхность, освобождая от керна путем насаживания на инвентарную подставку. Инвентарная подставка представляет закрепленный на крестовине металличе­ ский штырь, диаметр которого в 1,5...2 раза меньше диаметра трубы лидера, а длина равна длине рабочей части лидера. Затем цикл повторяют.

Циклическая технология проста и надежна. При этой тех­ нологии керн хорошо перемещается внутри трубы, что позволя­ ет проходить слои талого и мерзлого грунта. Циклическая тех­ нология при использовании наконечников раструбного типа яв­ ляется малоизбирательной для различных грунтовых условий. ■Из короткого лидера примерзший керн легче извлечь, чем из длинного. Усилие извлечения короткого лидера практически не зависит от глубины скважины, так как между скважиной и ли­ дером создается зазор. Производительность проходки скважин циклическим способом при диаметре лидера 0,3...0,4 м достига­ ет 3...5 м в час непрерывной работы, т. е. сменная производи­ тельность составляет 2...3 лидерные скважины длиной 10... 12 м.

При проходке скважины циклическим способом можно ис­ пользовать более легкое навесное оборудование, не усиливая металлоконструкции стрел базовых машин и не устанавливая на них дополнительные полиспасты.-*

Непрерывный способ проходки лидерных скважин заключа­ ется в погружении длинного лидера на глубину до 8 м за один проход с помощью вибропогружателя, одного вибромолота или дизель-молота. Извлечение лидера из грунта осуществляется с его одновременным вибрированием. Длина скважин зависит от усилия извлечения лидера. Керн грунта внутри лидера извлека­ ется при его погружении в грунт при проходке следующей скважины. В конце смены керн из длинного лидера извлекают после отвинчивания наконечника с помощью одновременно включенного вибромолота или вибропогружателя.

Вибромашина прикреплена к базовой машине с помощью пружинного амортизатора, что уменьшает усилие извлечения

-9 0 -	Механика мерзлых донтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в у<ц10В1<ях Севера

лидера вследствие непродолжительного включения двигателя. При использовании вибромолота, когда наголовник не прикреп­ лен к лидеру жестко, пружинные амортизаторы не применяют.

Молоты-машины ударного действия. По виду привода их разделяют на механические (подвесные), паровоздушные и ди­ зельные, а по принципу действия на простого и двойного дейст­ вия.

У молотов-машин простого действия механическая энергия, энергия пара, сжатого воздуха или газов используется только для подъема ударной части, а работа совершается под действием собственного веса. К этому типу молотов относят механические дизельные и паровоздушные молоты одиночного действия. У молотов двойного действия энергия расходуется на подъем ударной части и перемещение ее вниз. К этим молотам относят­ ся паровоздушные молоты двойного действия, главной характе­ ристикой которых является энергия удара, а не вес ударной час­ ти, как у молотов простого действия. У молотов двойного дей­ ствия масса ударной части (поршень) по отношению к массе молота составляет 13...39 % массы молота, а у молотов простого действия - 85...90 %. Частота ударов молотов двойного действия выше, чем молотов простого действия. Молоты простого дейст­ вия имеют ручное или полуавтоматическое управление.

Дизель-молоты по конструкции разделяют на штанговые и трубчатые. Они работают по принципу двигателя внутреннего сгорания на маловязких дизельных топливах зимних сортов. Минимальная температура эксплуатации дизель-молотов север­ ного исполнения -60°С, а продолжительность непрерывной ра­ боты при любых температурах не ограничена. Пуск трубчатых дизель-молотов, работающих на зимнем топливе при темпера­ туре ниже -30°С, затруднен, поэтому перед пуском необходимо заполнить систему охлаждения горячей водой или прогреть ра­ бочий цилиндр с наружной стороны.

Вибрационные машины разделяют на ударно-вибрацион­ ные (вибромолоты) и безударные вибрационные (вибропогру­ жатели).

Вибропогружатель жестко соединен с лидером и сообщает ему прямолинейную (вдоль оси погружения) или угловую виб­ рацию, т. е. колебательные движения относительно оси круго­ вой симметрии. Вибропогружатели с частотой колебаний