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