Бурение скважин и шпуров методами ударного, вращательного и ударно-вращательного бурения

Ударный способ заключается в том, что буровой снаряд массой 1000…3000 кг падает с определенной высоты в забой скважины и разрушает породу вследствие развивающейся при его падении силы удара. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, благодаря чему создаются условия для равномерного разрушения всей площади забоя скважины. Во время бурения в скважину периодически подают воду, и образовавшийся шлам вычерпывают желонкой. Буровой станок, применяемый для ударного бурения, состоит из агрегата на гусеничном ходу, рамы, кабины, мачты с инструментальным и желоночным блоками, механизма свинчивания бурового снаряда, инструментальной и желоночной лебедок. Мачту поднимают и опускают ручной лебедкой. Ударным способом бурят скважины диаметром до 400 мм и глубиной до 200 м (рис. 7.1).

На буровом снаряде закрепляется рабочий инструмент (долота, стаканы или желонки). Сорвавшиеся части бурового снаряда извлекают ловильным инструментом. Принцип ударного бурения скважин используется в станках ударно-канатного бурения. Ударно-канатное бурение эффективно при проходке скважин в мерзлых грунтах, закарстованных породах и в породах с коэффициентом крепости f < 15.

Рис. 7.1.Станки и инструмент ударного бурения:

а) схема станка ударно-канатного бурения: 1 – блок; 2 – опорная мачта;

3 – балансирный ролик; 4 – направляющий ролик; 5 – лебедка; 6 – кривошипно-шатунная передача; 7 – канатный замок; 8 – ударная штанга; 9 – долото;

б) станок ударно-вращательного бурения: 1 – пневмоударник; 2 – обеспыливатель;
3 – буровая штанга; 4 – рукав для воздуха; 5 – электрокабель; 6 – вращатель;
7 – лебедка; 8 – станина; 9 – противовес; в) схема пневмоударника: 1 – путь сжатого воздуха; 2 – цилиндр; 3 – выход воздуха; 4 – воздухораспределительное устройство;
5 – сжатый воздух; 6 – поршень со штоком; 7 – выход сжатого воздуха; 8 – коронка;

г) виды буровых головок: 1 – однодолотчатая; 2 – двухдолотчатая;
3 – крестовая; 4 – звездчатая

Для разрушения породы вращательным бурением применяют буровые наконечники, снабженные специальными коронками: алмазными, из твердых сплавов и др. Буровой наконечник приводится во вращение колонной штанг или труб, по которым на забой подается промывочная жидкость (рис. 7.2).

Основные виды вращательного способа бурения – роторное и шнековое, выполняемые с помощью самоходных установок (преимущественно) или станков. Применяют также электрические сверлильные машины.

Для устройства скважин в рыхлых породах наиболее часто в строительстве применяется роторное вращательное бурение сплошным забоем шарошечными и лопастными долотами (рис. 7.3). Режим роторного бурения определяется осевым давлением на долото, скоростью вращения и количеством подаваемой в скважину промывочной жидкости.

Рис. 7.2. Станки и инструмент вращательного бурения:

а) схема станка шнекового бурения; 1 – резец; 2 – платформа; 3 – лебедка;
4 – направляющая стойка; 5 – штанга с ребортой; 6 – электродвигатель;
б) колонковый снаряд; 1 – кольцевая коронка; 2 – колонковая труба; 3 – переходная муфта; 4 – вращающаяся штанга станка; в) кольцевые коронки армированные;

1 – резцы, армированные твердыми сплавами; 2 – алмазные резцы; г) схема станка
роторного бурения; 1 – бурильная труба; 2 – лебедка; 3 – ротор; 4 – вертлюг; 5 – вышка; 6 – рабочая труба; 7 – соединительная труба; 8 – насос; 9 – бак с глиняным раствором; 10 – долото; д) рабочие наконечники; 1 – шарошечное долото;
2 – лопастное уступчатое долото; 3 – лопастное долото «рыбий хвост»

Осевое давление создается утяжелением нижних бурильных труб. Правильно подобранные утяжеленные трубы создают растягивающее усилие во всей колонне бурильных труб и обеспечивают большую жесткость нижней части колонны, что способствует уменьшению отклонений скважины от вертикали. Величина осевого давления должна меняться в процессе бурения в зависимости от характера проходимых пород и других причин. Для наблюдения за осевым давлением используются гидравлические индикаторы веса. Расход воды для промывки скважин при бурении шарошечными долотами составляет примерно 300…350 л/мин.

Во избежание характерных для роторного бурения искривлений скважин ведут наблюдение за процессом бурения с помощью специального прибора, определяющего угол и азимут искривления. Роторное бурение чаще всего применяют для устройства скважин диаметром до 200 мм и глубиной до 50 м.

Колонковое бурение применяют для проходки скважин диаметром 45...130 мм и глубиной до 200 м. Колонковые станки имеют лебедку подъема трубчатых штанг и механизм для их вращения. На конце штанги находится рабочая часть – колонковый снаряд с кольцевой коронкой, армированной резцами из твердых сплавов или алмазами (рис. 7.4).

При вращении бурового снаряда колонка под действием осевого давления внедряется в породу, образуя кольцевую выработку породы вокруг керна, входящего в колонковую трубу. После проходки на необходимую глубину буровые штанги вместе с колонковым снарядом и керном поднимают лебедкой на поверхность.

Рис. 7.4. Схема установки колонкового бурения: 1 – резец; 2 – колонковая труба;
3 – трубчатая штанга; 4 – переводник; 5 – шпиндель; 6 – рычажное устройство
для регулирования нагрузки на забой; 7 – шланг для подачи в скважину глинистого раствора; 8 – верх шланги; 9 – желоб для осаждения промывочного раствора;
10 – насос; 11 – двигатель; 12 – лебедка для подъема оборудования из скважины;
13 – шламовая труба; 14 – керн

В процессе бурения в забой скважины насосом через бурильные трубы подают глинистый раствор (или воду). Смешиваясь с частицами разрушенной породы, глинистый раствор выносит их на поверхность по кольцевому пространству между штангами и стенками скважины. Глинистый раствор охлаждает бурильный инструмент и одновременно предотвращает обрушение стенок скважины.

Шнековое бурение. Разрушение и траспортирование породы производятся шнеком, который составляется из штанг, имеющих приваренные по спирали реборды. Нижний конец шнека имеет специальное долото. Шаг спирали и скорость вращения шнека выбираются в зависимости от свойств породы.

Разрушенная порода будет легко продвигаться вдоль стенок скважины на поверхность, если сила, прижимающая породу к стенкам скважины, превышает силу трения породы о спираль шнека. По этой причине для бурения в липких и вязких глинах в скважину подливают немного воды, чтобы снизить силу трения между грунтом и поверхностью шнека. Плотные грунты следует бурить с меньшим числом оборотов шнека во избежание перегрева бурового наконечника. Вследствие того, что при шнековом бурении разрушение и транспортирование породы идут непрерывно (сплошным потоком), достигается высокая скорость проходки.

Особо эффективен этот способ для бурения скважин диаметром до 250 мм на глубину до 50 м в грунтах II…IV категорий. Бурить скважины большого диаметра шнеками не удается вследствие возникновения чрезвычайно больших сил трения породы о поверхность шнека.

Для бурения неглубоких котлованов диаметром до 1700 мм под фундаменты, столбы и т. п. применяются бурильные машины цикличного действия, снабженные винтовым буром. Разрушение породы происходит при заглублении на высоту бура (1…1,5 захода винта). Грунт извлекается циклично лопастями бура (без вращения). Производительность подобной бурильной машины невысокая из-за цикличности работы и малого объема грунта, извлекаемого за один цикл. Степень влияния этих факторов усиливается с увеличением глубины проходки. Кроме того, конструктивные особенности серийно выпускаемых бурильных машин не позволяют увеличить глубину более 4…5 м.

Для проходки скважин диаметром до 1300 мм на глубину 30 м в неплотных грунтах целесообразно использовать буровые машины, снабженные цилиндрическим буром.

Ударно-вращательное бурение применяют для бурения скважин диаметром 100…200 мм, глубиной до 30 м. При ударно-вращательном бурении породоразрушающий инструмент одновременно с усилиями, характерными для вращательного способа, испытывает динамические нагрузки, которые периодически и с большей частотой воздействуют на буровую коронку, что способствует повышению эффективности разрушения породы и резко уменьшает износ коронки по сравнению с вращательным бурением.

Особенность его состоит в том, что ударное действие и вращение бурового инструмента выполняются двумя независимо работающими механизмами – вращателем и погружным пневмоударником.

Порода удаляется из скважины отработанным в пневмоударнике сжатым воздухом или потоком воды, нагнетаемой в скважину. Ударно-вращательный способ применяется при бурении крепких и трудноразрушаемых пород со значительной трещиноватостью.

К механизмам ударно-вращательного бурения относятся также пневматические бурильные молотки-перфораторы, используемые для бурения шпуров в породах любой крепости.