БУРОВЫЕ РАБОТЫ

Способы бурения.Бурение – процесс образования (проходки) горной выработки цилиндрической формы,в виде скважины или шпура путемразрушения горных пород земной коры (иногда – искусственных материалов типа бетона, асфальта и др.). Шпур – это выработка глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм. Скважина – выработка глубиной свыше 5 м и диаметром обычно 75…300 мм иболее. Верхнюю часть шпура или скважины называют началом или устьем, нижнюю – дном, или забоем, среднюю – стволом. В необходимых случаях при бурении выполняют крепление стенок скважин обсадными трубами.

По характеру разрушения горных пород способы бурения делят на механические и немеханические.

При механических способах буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее. Бурение механическими способами в зависимости от характера приложения усилий к породе и движения рабочего органа подразделяют на ударное (ударно-поворотное), вращательное, вращательно-ударное, ударно-вращательное, шарошечное, вибрационное.

При ударном, или ударно-поворотном, способе порода разрушается вследствие скола от динамических напряжений сжатия, направленных перпендикулярно плоскости забоя. Буровой инструмент, обычно имеющий форму клина, углубляется в породу под действием удара, направленного по оси шпура или скважины. Перед каждым подъемом для следующего удара инструмент поворачивается на некоторый угол, скалывая при этом породу по всей площади забоя. При вращательном способепорода разрушается от усилия резания и скола, направленного под острым углом к поверхности забоя. Буровой инструмент жестко закреплен на конце вращающейся штанги. Основные виды вращательного бурения – шнековое, колонковое и роторное.

При шнековом бурении рабочий инструмент в виде долота или лопастного резца при вращении штанги врезается в породу, измельченный материал с помощью шнека поднимается на поверхность. Колонковое бурение создает возможность разрушения породы не по всему забою, а только по периметриическому кольцу, благодаря чему средний столбик (колонка) породы извлекается, геологических анализов в неизмельченном виде. При роторном бурении буровой инструмент разрушает породу по всему забою, и она удаляется из скважины при промывке ее глинистым раствором или водой.

Вращательно-ударное и ударно-враща­тельное бурениеосновано на комбинации вращательного и ударного воздействия на породу с преобладанием одного из них. Не­прерывное вращение бурового инструмента сопровождается передачей на породу энер­гии удара, сообщаемой инструменту тем или иным устройством.

При ударном, вращательном и ударно-вращательном бурении в качестве рабочего инструмента используют долота: перовое с одним сплошным или прерывистым лезвием, крестовое с двумя перпендику­лярными лезвиями (рис. 65), крестово-двутавровое и копытообразное. Перовое долото изнашивается быстрее крестового, но обеспечивает более высокие ско­рости проходки. При шарошечном бурении используют шарошечные долота.

Рис. 6.1. Буровые долота: а – перовое; б – двухдолотчатое; в – крестовое; г – звездчатое

Шарошечное бурение является разновидностью ударного. Долото сваривают из нескольких секций (лап), на консольных осях которых с помощью ролико­вых и шариковых подшипников установлены вращающиеся шарошки — ко­нусы, имеющие на поверхности несколько рядов зубков или штырей. При вра­щении долота шарошки перекатываются по забою и разрушают породу.

При вибрационном способе бурения под действием вибрации, передаваемой на раздельно- зернистый грунт, снижается его сопротивляемость и буровой ин­струмент внедряется в породу.

Немеханические способы бурения основаны на раз­ных принципах: термический – на разрушении пород воздействием высоких температур; гидравлический - на размыве забоя водой; электрогидравлический – на использовании энергии гидравлического удара, возникающего в результате действия электрических разрядов высокого напряжения в воде или другой жидкости.

Успех бурения во многом зависит от твердости, трещиноватости, абразивности, буримости пород. При значительной трещиноватости породы разрушают­ся легче, но иногда возникают затруднения в начале проходки (забуривании) скважин и шпуров и появляется опасность заклинивания бурового инструмента в трещинах. Абразивное (изнашивающее) воздействие породы на буровой ин­струмент зависит от состояния контактирующих поверхностей, давлений, ско­рости взаимного перемещения и твердости породы.

Буримость пород определяют применительно к каждому виду бурения и типу бурового инструмента в производственных условиях. Она лежит в основе классификации скальных пород по трудности разработки. Мерзлые нескальные грунты по буримости делят на легко- и труднобуримые. К первым относят грунты IV группы и грунты, включающие малоабразивные скальные породы V и VI групп; ко вторым – грунты VI и VII групп, а также глинистые грунты IV группы с влажностью более 10%.

Применение буровых работ в железнодорожном строительстве. Буровые работы выполняют при проведении инженерных геологических и гидрологических изысканий, исследовании грунтов, устройстве фундамен­тов под опоры мостов и самих опор в мерзлых и скальных грунтах, разработке грунтовых массивов взрывными способами, дроблении твердых пород и мерз­лых грунтов, искусственном закреплении грунтов, устройстве скважин водо­снабжения из подземных источников и водопонижении грунтовых вод, обра­зовании котлованов для фундаментов опор контактной сети, линий связи и т.п.

Наиболее распространено бурение шпуров и скважин при производстве земляных работ с применением взрывания. Техническими указаниями по проектированию и производству буровзрывных работ при сооружении земляного полот­на рекомендуется применять для бурения взрывных скважин:

- шарошечный способ – в некрепких (V и VI групп), среднекрепких (VII и VIII групп) и в крепких (IX группы) малоабразивных породах, а также в поро­дах с нескальными прослоями и в нескальных мерзлых и моренных грунтах с твердыми включениями;

- ударно-шарошечный (с погруженным ударником и шарошечным долотом), пневмоударный (с погруженным ударником) и ударно-вращательный (с вынос­ным ударником) способы – в среднекрепких, крепких и весьма крепких по­родах (VIII – X групп);

- вращательный способ — в мерзлых и полускальных грунтах IV и V групп.

В железнодорожном строительстве около 70% протяженности скважин про­ходят шарошечным способом.

Рис. 6.2. Буровая машина БТС-150: 1 – трактор; 2 – балка домкрата; 3 – домкрат передний; 4 – основная рама; 5 – буровая рама; 6 – гидравлический механизм; 7 – барабан со штангами; 8 – рукав; 9 – штанга; 10 – домкрат задний

Буровые машины различают по назначению, устройству, характе­ристикам бурения. Для проходки взрывных скважин диаметром до 150 мм в скальных породах V – IX групп служит буровая машина БТС-150 (рис. 6.2). Ее буровой став состоит из наращиваемых свинчиванием штанг с шарошечным долотом или резцовым шнеком на конце и получает вращение от вала отбора мощности базового трактора Т-100М. Гидродомкраты позволяют вывесить ма­шину и установить ее в нужном положении для бурения вертикальных или на­клонных скважин.

Для очистки забоя от шлама и охлаждения долота используется сжатый воздух, который поступает через внутреннюю полость бурового става и выхо­дит по кольцевому зазору между стенками скважины и штангами. Шлам попада­ет в пылеприемник, установленный на устье скважины, отсасывается вентиля­тором и осаждается в бункере.

Для бурения вертикальных и наклонных шпуров и скважин диаметром 60…112 мм в скальных грунтах предназначена буровая машина на тракторном ходу БТС-75, в сезонно- и многолетнемерзлых грунтах – машина БТСМ, име­ющая два рабочих органа для шарошечного и резцового вращательного инстру­мента, а также машина БТС-60 (рис. 6.3).

При бурении мерзлых грунтов серьезные затруднения вызывают прихваты(примерзание) бурового инструмента в скважине. Их устраняют медленным раскачиванием бурового става при попеременном включении и выключении вращателя и непрерывной подаче сжатого воздуха. При перерывах в работе более получаса возможен прихват бурового инструмента, поэтому его следует извлекать из скважины.

Оттаявший грунт может прилипать к буровым штангам. Их требуется периодически очищать, что­бы избежать сужения кольцевого зазора между стенкой скважины и буровым ставом, по которому про­исходит удаление шлама. При низ­ких температурах бурение жела­тельно вести без перерывов, чтобы сократить потери времени на за­пуск буровых машин и компрессор­ных станций. В конце смены необ­ходимо тщательно продувать все воздушные шланги для удаления накопившейся в них воды.

Рис. 6.3. Буровая машина БТС-60: 1 – противовес; 2 – трактор; 3 – канатные блоки; 4 – буровая рама; 5 – лебедки подъема; 6 – генератор; 7 – опорная плита; 8 - шнек

Наличие мерзлоты любого происхождения, делающей весь­ма затруднительный непосред­ственную забивку сваи в грунт, вызывает необходимость предва­рительного бурения скважин глубиной до 20 м с диаметром, доходящим до 0,5…1,8 м, соот­ветственно размерам свайных и столбчатых фундаментов мосто­вых опор, помещаемых в таких выработках. Свайные фундамен­ты в зависимости от их конст­рукции и условий сооружения могут быть образованы буро-забивными, бурообсадными или буроопускными сваями. Бурозабивные сваи принудительно погружают в предварительно пробуренные в пластичномерзлых глинистых грунтах скважины несколько меньшего диаметра по сравнению с размерами поперечного сечения свай. Бурообсадные сваи — полые цилиндрические, или сваи-оболочки, погружают в грунт с помощью специального сваебойного оборудования с одновременным извлечением грунта из внутренней полости погружаемой сваи. Буроопускные сваи, сваи-оболочки или столбы устанавливают в предварительно пробуренные скважины большего диаметра. Пазухи между боковыми поверхностями свай и скважин заполняют грунтовым или цементно-песчаным раствором. Таким способом сооружают глу­бокие фундаменты в твердомерзлых, валунных, крупнообломочных и гравий­ных грунтах.

При разработке скважин диаметром 0,5…1 м в скальных и мерзлых грун­тах широкое применение находит ударно-канатное бурение.Станок ударно-канатного бурения БС-1М смонтирован на самоходном гусеничном шасси с при­водом от электродвигателя. Он перемещается по рабочей площадке в пределах длины электрокабеля.

Перед началом бурения готовят площадку для установки станка и закрепля­ют его. Проектное положение устья скважины обеспечивается с помощью кон­дуктора. Если верхний слой состоит из неустойчивых грунтов, то до начала бу­рения скважины сквозь кондуктор погружают ударами долота обсадной пат­рубок длиной 2…6 м. При работе станка с помощью рычажно-канатного привода долото периодически поднимают и сбрасывают на забой при постепенном пово­роте вокруг вертикальной оси. Разбуренная порода вымывается из скважины водой. Образующийся шлам периодически извлекают с помощью черпака или желонки, а при талых грунтах без твердых включений – с помощью грейфера ударного действия. При отрицательных температурах воздуха во избежание образования льда на поверхности скважины и буровом инструменте воду, доливаемую для образования шлама, подогревают до необходимой температуры.

Консистенция шлама должна быть такой, чтобы при его удалении из сква­жины частицы породы не выпадали в осадок на забой.

В пластично-мерзлых грунтах для повышения эффективности бурения в забой периодически забрасывают бутовый камень слоем 0,2…0,3 м. Его также забрасывают в скважину при разбуривании включений из валунов и обломков скальных пород или наклонных скальных прослоек.

Станки БС-1М имеют производительность 0,5…2 м скважины в смену в за­висимости от ее диаметра и характера мерзлого грунта. Применяют станки удар­но-канатного бурения типов УКС-22М, УКС-ЗОМ.

Для проходки скважин под фундаменты опор мостов применяют также виброударнуюмашину ЗВУ-6. Рабочим органом ее является полый (трубчатый) стальной бур (лидер), забиваемый в грунт и извлекаемый из скважины для раз­грузки по заполнении полости грунтом. По сравнению со станками ударно-ка­натного бурения виброударные машины обеспечивают увеличение скорости проходки скважин в пластично-мерзлых грунтах в 7…10 раз.

Машины вращательного бурения обеспечивают сравнительно высокую ско­рость проходки (до 50…60 м в смену) в пластично- и твердомерзлых грунтах, не имеющих включений гравия, гальки, дресвы и валунов. Однако даже незна­чительные включения гравия и дресвы (до 5%) снижают скорость проходки, а при встрече с валунами буровой инструмент выходит из строя.

Для проходки скважин большого диаметра в горных породах и грунтах IV – VII групп применяют машины шарошечного бурения с долотами соответст­вующих размеров, в том числе и с турбобурами, рабочий орган которых имеет турбинный привод. Буровые машины с шарошечными рабочими органами (БТС-500, БАМ-500, РТБ-2600 и др.) находят широкое применение при буре­нии скважин под фундаменты и опоры мостов.

При строительстве жилых, культурно-бытовых и производственных зданий применяют фундаменты из буронабивных свай,для которых проходят скважины диаметром до 2000 мм и глубиной до 40 м. Скважину затем заполняют (наби­вают) материалами, составляющими тело сваи: дренирующим грунтом, кам­нем, бетоном и т. п. Способ бурения определяется в проекте производства работ и в значительной степени зависит от вида грунтов.

Рис. 6.4. Проходка скважины станком ударно-канатного бурения: а – установка станка 1 на точку; б – установка кондуктора 2; в – установка обсадной трубы 4; г, з – разработка забоя долотом 3 (5 – штанги); д, и – наполнение желонки; е, к – извлечение желонки; ж – наращивание обсадной трубы

Ударный (грейферный) способ применяют для разработки песчаных, круп­нообломочных, скальных и глинистых грунтов в текучепластичном и пластич­ном состоянии. Технологическая последовательность проходки скважины стан­ками ударно-канатного бурения показана на рис. 6.4.

Вращательное (ротор­ное) бурение целесообразно для глинистых грунтов пластичной, полутвердой и твердой консистенции. Водонасыщенные мелкие пески или илы разрабатыва­ют специальными желонками — буровыми клапанами (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Желонка: а – при заборе пульпы; б – после извлечения из скважины; в – при опорожнении

В песчаных и глинистых грунтах, расположенных ниже уровня грунтовых вод, бурение ведут буровыми станками с инвентарными (извлекаемыми) обсад­ными трубами длиной 2, 4, 6 м, имеющими режущий наконечник. В случае осо­бой необходимости обсадные трубы оставляют в грунте. Режущий наконечник монтируют в нижнем фланце первой секции обсадной трубы (рис. 6.6). Режущие наконечники могут быть с зубцами без наварки (для проходки песка, гра­вия, глины) и с наваркой твердыми сплавами (для крепкой глины и известняка). Наконечник с усиленными зубцами применяют для любых пород.

Рис. 6.6. Режущий наконечник инвентарной обсадной трубы

При вращательном бурении скважин в глинистых грунтах рабочими орга­нами служат шнековые или ковшовые буры.

Скважины устраивают в 2 этапа – бурят их и разбуривают уширения. Ос­новные технологические операции на первом этапе: установка направляющего кондуктора и станка на точку, бурение скважины до заполнения рабочего ор­гана разбуренной породой, его подъем и очистка от выбуренной породы, опус­кание рабочего органа в скважину и продолжение бурения до проектной отмет­ки. На втором этапе монтируют и опускают в скважину буровой уширитель, затем разбуривают уширения с периодическим подъемом уширителя для очист­ки от разбуренной породы. Работа завершается проверкой готовой скважины и уборкой от нее разбуренной породы.

Рис. 6.7. Мероприятия по предупреждению искривления буримой скважины при встрече с твердым включением: а – положение препятствия в забое; б – промывка забоя; в – заполнение бетоном; г – разбуривание бетонной пробки и препятствия; 1 – обсадная труба; 2 – препятствие; 3 – промывная труба; 4 – бетонная пробка; 5 – долото

В процессе бурения необходимо постоянно следить за характером грунтов и при необходимости менять буровой инструмент. Во избежание искривления скважины при встрече с твердыми включениями применяют специальные меры (рис. 6.7).

В транспортном строительстве для проходки скважин под буронабивные сваи применяют станок МБС-17 на базе экскаватора, обеспечивающий диаметр бурения 1,7 м, глубину 28 м. Рабочие органы станка: для нескальных грунтов – ковшовый бур и одноканатный грейфер; для скальных грунтов – трехперое ударное долото.

Вращательное бурение используют наряду с другими способами также для устройства котлованов под опоры контактной сети. При разработке котлована между периодическими циклами бурения на глубину 40…50 см извлекают бур с грунтом, который разбрасывают вокруг скважины, что достигается увеличе­нием частоты вращения рабочего органа.

Буровая машина БМ установлена на дрезине (рис. 6.8). На платформе дрезины находится опорно-поворотное устройство 6 машины. На поворотной раме смонтированы: двигатель бурового агрегата 2, выносная стрела 5 трубчато-рамной конструкции с поворотным буроставным узлом 3, гидрооборудование. Рабочий орган машины — лопастной бур 4 с полукруглой режущей кромкой, усиленной твердым сплавом.

Рис. 6.8. Буровая машина БМ

Буровым способом также отрывают ямы под опоры линий связи. Бурильно-крановая гидравлическая машина БКГМ-66 предназначена для работы в талых и мерзлых грунтах I – IV групп и смонтирована на автомобиле ГАЗ-66-02. Рабочее оборудование машины позволяет бурить ямы под углом 85…110° к горизонту вдоль машины и под углом до 10° к верти­кали в поперечном направлении. В ком­плект машины входят три сменных сталь­ных двухзаходных бура диаметрами 0,35; 0,5 и 0,8 м. Время бурения ямы в грунтах I и II групп 3…6 мин.

При сооружении устройств водоснабжения из подземных источников вертикальными водо­сборами часто служат буровые скважины. В обыкновенных грунтах применяют вращатель­ное бурение с выносом разработанной породы из скважины глинистым раствором или водой. Глинистый раствор частично прони­кает в трещины и пустоты породы и как бы цементирует

Стенки скважины, что облегчает введение в них обсадных труб по оконча­нии бурения. Затем водоприемную часть скважины промывают в течение 2…3 ч водой и производят пробную откачку с помощью эрлифтной установки до полного осветления воды. По результатам пробной откачки устанавливают дебит скважины.

Для бурения скважин на воду применяют также ударно-канатный способ. При этом в неустойчивых породах стенки скважины крепят обсадными трубами. Основное преиму­щество ударно-канатного бурения на воду заключается в том, что пробуренные водонос­ные горизонты остаются чистыми от посторонних примесей, что обеспечивает больший дебит скважины.