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

fcМашины и оборудование для проходки скважин и шпуров	Q «
ввечномерзлых грушах	-У 1-

700—.1500 мин'1 называют высокочастотными. Они предназна­ чены для погружения лидеров небольшого сечения и массы в слабые по прочности вечномерзлые грунты. Низкочастотные вибропогружатели с частотой колебаний 300...500 мин"1наибо­ лее эффективны для погружения лидеров в вечномерзлые грун­ ты. Низкочастотные вибропогружатели типов ВУ и ВП имеют большие мощности, массу вибратора и статический момент экс­ центриков. Вибропогружатели могут быть выполнены без пригруза и с подрессорным пригрузом. Последние получили наи­ большее распространение, так как увеличение массы незначи­ тельно сказывается на уменьшении размаха колебаний лидера. Погружающая способность вибропогружателей повышается с увеличением размаха колебаний и массы.

Вибромолоты передают лидеру вертикально направленные колебания в сочетании с периодическими ударами. Наибольшее распространение получили вибромолоты с электроприводом и двухвальным бестрансмиссионным вибровозбудителем. Вибро­ молоты эффективнее вибропогружателей, хотя уступают моло­ там ударного действия (дизельным и паровоздушным) при раз­ работке вечномерзлых грунтов высокой прочности. Эффектив­ ность погружения лидеров достигается увеличением энергии одиночного удара молота, а при вибропогружении - одновре­ менным снижением частоты ударов. Чем больше пригруз на ли­ дер, тем эффективнее процесс его погружения.

Крепление лидера к оборудованию может быть выполнено жестким или свободным. Если погружение лидера осуществля­ ют вибрированием, то лидер жестко крепят к нижней части виб­ ронагружающей машины. При креплении, например, применяют резьбовые, клиновые, цанговые и другие соединения. Свобод­ ную посадку лидера в направляющем гнезде осуществляют при погружении лидеров дизель-молотами, молотами воздушного действия и вибромолотами, так как они имеют значительную массу и небольшую высоту подъема (отскок) после удара.

4.5. Оборудование для буровзрывных работ

Одним из способов подготовки вечномерзлого грунта к вы­ емке с помощью бульдозера и экскаваторов является его пред­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -92-_____ объектов в условиях Севера_____________________________________________

верительное рыхление за счет энергии взрывчатых веществ. Бу­ ровзрывное разрушение вечномерзлых грунтов реализует энер­ гию расширяющихся газов, выделяемых при сгорании взрывча­ тых веществ, уложенных в предварительно устроенные шпуры, скважины или щели. Основная часть массива вечномерзлого грунта разрушается взрывчатым веществом, а бурение предна­ значено для его укладки в грунт.

Основными технологическими операциями земляных работ буровзрывным способом являются: бурение, заряжение и взры­ вание взрывчатых веществ, выемка, погрузка и транспортирова­ ние разрыхленного грунта с площадки строительства. Буро­ взрывным способом осуществляют также разрушение валунов и негабаритных включений методами шпуровых и наружных (на­ кладных) зарядов.

Шпуром называют отверстие, имеющее длину до 5 м и диаметр до 75 мм, а скважиной - отверстие, имеющее большие значения диаметра и длины по сравнению со шпуром.

Технология буровзрывных работ заключается в устройстве в вечномерзлом грунте сети шпуров, скважин или щелей, уклад­ ке в них зарядов ВВ, заполнении пустот забоечным материалом и монтаже взрывной сети. Далее осуществляют процесс взрыва­ ния. Разрушение вечномерзлого грунта осуществляется ударной (импульсной) волной. Дополнительное разрушение происходит вследствие поршневого действия продуктов детонации. Назна­ чение забоечного материала, укладываемого сверху взрывчатого вещества, - создать замкнутый объем для продуктов детонации, что на 10...20 % увеличивает объем взорванного грунта. Забойки бывают твердые (из песка и щебня) и жидкие в виде емкости с водой. Недостатками взрывного способа рыхления вечномерз­ лого грунта являются наличие опасной зоны ударной волны и разлета кусков, ограниченные возможности управления взрывом и низкий КПД.

Ранее совершенствование буровзрывного способа разработ­ ки вечномерзлого грунта ограничивалось получением опти­ мальных параметров взрыва (расхода ВВ, шага и глубины сква­ жин и т. д.). В последнее время эти задачи сводятся к оптимиза­ ции процесса взрыва и увеличения его КПД (рис. 4.1). При бу­ ровзрывном способе применяют: 1) заряды ВВ с воздушными промежутками, что повышает равномерность дробления, до 10

4; Машины и оборудование для проходки скважин и шпуров	-93-
в вечномерзлых грунтах

раз снижает выход негабаритного материала, в 2 раза уменьшает размер среднего куска и до 10 % расход ВВ; 2) заряды ВВ с внутрискважинным замедлением сверху или снизу с интервалом 15...40 и 5...20 мс; 3) парносближенные заряды ВВ, обеспечи­ вающие более равномерное распределение энергии в массиве (при расстоянии между зарядами в двух соседних скважинах, равном трем-пяти диаметрам скважин).

Рис. 4.1. Схема управления процессом взрыва зарядов ВВ а - шпуровых; б - с воздушным промежутком; в - с внутрискважинным

замедлением снизу; г-сближенных.

I - заряд ВВ, 2 - детонатор; 3 - шнур; 4 - забойник;

5 - воздушный промежуток; б - замедлитель взрыва (пиротехническое реле).

Известны способы взрывания с компенсирующими скважи­ нами и щелями, встречного инициирования зарядов ВВ в водо­ наполненных оболочках, одновременного взрывания основного и запирающего снарядов и ряд других [62]. Вечномерзлые грун­ ты не имеют естественной трещиноватости, они более пластич­ ны, чем скальные породы, поэтому рыхлятся труднее, а расход ВВ в них на 20... 40 % больше.

Щелевзрывной способ рыхления вечномерзлых грунтов требует нарезания щелей в массиве с помощью щелерезных ма­ шин. В центральную более глубокую щель закладывают заряд ВВ, а две боковые щели являются компенсирующими. Волна сжатия грунта, создаваемая удлиненным или рассредоточенным

_	Механика	мермых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
"94-	объектов	условиях Севера____________________________________________

зарядом ВВ, сдвигает грунт в сторону компенсирующих щелей, обеспечивая его равномерное дробление, а дно выемки получа­ ется ровным. По данным И. Л. Балбачян, щелевзрывной способ по сравнению с буровзрывным уменьшает себестоимость работ на 30 %, снижает расход ВВ на 15...20 %, упрощает операции забойки и монтажа взрывной сети. Однако буровые машины для нарезания щелей работают только в однородных и некрепких сезонно-мерзлых грунтах, что препятствует распространению щепевзрывного способа рыхления на вечномерзлые грунты.

ВОПРОСЫ

1.Какие вам известны способы проходки скважин в веч­ номерзлых грунтах?

2.Что такое лидерные скважины?

3.Какие существуют способы проходки лидерных сква­

жин?

4.Каково назначение и принцип действия дизель-молотов?

5.В чем заключается технология буровзрывных работ?

-9 5 -

^Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ ВЕЧНО­

5МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ РЫХЛИТЕЛЯМИ

5;1. Параметры процесса рыхления

Рыхлением называют процесс, в результате которого осу­ ществляется отделение грунта от массива и его разрыхление до степени, обеспечивающей выполнение работ по дальнейшему транспортированию к месту складирования. На принципе рых­ ления основано устройство рыхлителей вечномерзлого грунта статического действия на базе мощных гусеничных тягачей и работа буровых станков ударного действия. При рыхлении за­ полнения рабочих органов грунтом не происходит.

Копанием называют процесс, сочетающий рыхление или резание грунта с заполнением рабочего органа. При этом грунт дополнительно разрыхляется. По принципу копания работают рабочие органы скреперов, бульдозеров, экскаваторов, погруз­ чиков и станков вращательного бурения.

Основными геометрическими параметрами наконечника рыхлителя являются угол заострения у3 ширина наконечника В и его длина /, радиус заострения R. Параметры, характеризую­ щие износ, следующие: длина наклонной а и горизонтальной b площадок затупления, угол наклона площадки затупления к го­ ризонтали «з и радиус затупления режущей кромки К гео­ метрическим параметрам прорези, создаваемой в процессе рых­ ления грунта, относят глубину рыхления й, ширину прорези в нижней части В и верхней части Ь\ высоту зон развала йр сжа­ тия йс и вдавливания грунта в дно прорези й» угол развала грун­ та в стороны уи угол скалывания грунта вперед Д угол охвата стойки отделяемым элементом грунта § (рис. 5.1).

“96-	Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера

Рис. 5.1. Схемы для определепия параметров наконечника рыхлите­ ля и процесса рыхления

а - геометрические параметры наконечника рыхлителя; б - параметры щели, прорезаемой в грунте; в - виды взаимодействия системы грунт - рабочее

оборудование

Угол между передней и задней поверхностями рабочего ор­ гана - угол заострения у,. Угол между плоскостью резания и задней поверхностью - задний угол у3. Угол между плоскостью резания и передней поверхностью, объединяющий задний угол и угол заострения, образует угол рыхления 8 ~ у 3+ а,д.

Исследованиями [14] установлено, что задний угол рыхле­ ния должен быть не менее 5...7°, а рациональное значение угла рыхления составляет 30...45°, при котором обеспечивается ми­ нимальное сопротивление грунта разработке. Угол заострения назначают минимальным из условия обеспечения прочности режущей части наконечника.

Основными силами, действующими при рыхлении грунта, являются касательная P0i и нормальная Р<я составляющие силы сопротивления грунта рыхлению Р, которая условно приложена к середине режущей кромки наконечника рыхлителя. Касатель­ ная сила сопротивления направлена навстречу движению рабо­

чего органа. Нормальная сила сопротивления PQ2 выталкивает

- 9 7 -

^ Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

рабочий орган из грунта при его заглублении и затягивает его в грунт при постоянной глубине рыхления и выглублении.

При рыхлении вечномерзлого грунта образуется прорезь трапециевидной формы. По характеру физических явлений, происходящих при рыхлении, в сечении прорези выделяют три зоны (рис. 5.1, б): зону вдавливания грунта в днище прорези; зону сжатия грунта лобовой поверхностью наконечника; зону развала грунта в стороны.

Зона развала имеет в десятки и сотни раз большую пло­ щадь, чем зоны сжатия и вдавливания грунта. Зона развала на­ чинается выше дна прорези на высоте йс+йь от дна прорези и наклонена под углом развала ухк горизонту в боковую сторону. Поверхность зоны развала - неровная без признаков пластиче­ ского разрушения, так как при отделении грунта от массива в этой зоне преобладают напряжения растяжения.

В зонах сжатия и вдавливания происходит блокированное резание грунта рабочим органом шириной В. В этих зонах про­ исходят сжатие грунта перед отделением от массива и его вдав­ ливание в дно и боковые стенки прорези. Параметры kc, кр, Д и L, в процессе рыхления меняют значения, что вызывает изме­ нение площадей зон развала и сжатия грунта. Размер зоны вдав­ ливания грунта в процессе рыхления не изменяется, однако по мере изнашивания наконечника рыхлителя площадь этой зоны возрастает.

Известны следующие виды взаимодействия системы грунт - рабочее оборудование: блокированное, когда грунт раз­ рушается по трем поверхностям рабочего органа (двум боковым и передней); полублокированное, при разработке грунтов пе­ редней и одной из боковых поверхностей рабочего органа; сво­ бодное, когда грунт разрушается только передней поверхностью (см. рис. 5.1, в). Процесс разработки грунта оценивают по энер­ гоемкости, т. е. по расходу энергии на единицу объема разрабо­ танного грунта. Меньшей энергоемкостью обладает свободное, (большей - полублокированное и максимальной - блокированное рыхление грунта.

Изменение касательного сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению и размеров прорези показано на рис. 5.2. Оди­ ночная прорезь представлена дугами, по форме близкими к эл­ липсу, образующемуся в результате последовательного скалы-

-98 -	Механика мерзлых грунтов и принципы с!роительства нефтегазовых
	объектов условиях Севера

ваиия крупных элементов грунта. При разработке вечномерзло­ го грунта-касательная сила сопротивления рыхлению резко из­ меняется. Происходит отделение крупных и небольших по раз­ меру элементов грунта от массива. Сразу после скалывания крупного элемента грунта от массива сопротивление резко уменьшается.

Рис. 5.2. Изменение усилий сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению (в) н формы одиночной прорези (б)

По мере дальнейшего вдавливания наконечника в нижнюю часть прорези сопротивление возрастает, при этом происходит дополнительное отделение небольших по объему элементов грунта от массива. Далее сопротивление вновь достигает наи­ большего значения и происходит скалывание следующего круп­ ного элемента грунта и т. д. Частота скалывания крупных эле­

-9 9 -

£ Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

ментов грунта от массива и, следовательно, частота возникнове­ ния максимальной нагрузки на рабочее оборудование зависят от физико-механических свойств грунта, глубины и скорости рых­ ления и геометрии рабочего органа. Для большинства рыхлите­ лей частота колебаний нагрузки составляет 5...15 Гц.

Размеры зоны вдавливания грунта постоянны в процессе рыхления. Ширина этой зоны равна ширине наконечника. Вы­ сота зоны вдавливания hBзависит от параметров износа:

hB =asma3+ i?cosa3.	(5.1)
Если минимальное сопротивление рыхлению	Рща

(см. рис. 5.2, а) равно горизонтальной составляющей сопротив­ ления грунта вдавливанию в днище прорези, то это означает, что зона сжатия грунта отсутствует, так как скалывание крупно­ го элемента грунта от массива уже произошло. Этому моменту соответствует минимальная площадь зоны развала Fmjn так как угол развала утк будет наибольшим, а ширина прорези в верх­ ней части будет минимальной Z min.

В процессе движения рыхлителя высота зоны сжатия уве­ личивается до некоторого значения (сечение Б - Б), являющего­ ся промежуточным между экстремальными значениями

О < K i < h c .

Усиление рыхления при этом еще не достигло наибольшего значения, так как наконечник переместился в зону предыдущего скалывания крупного элемента грунта, где площадь развала и ширина прорези в верхней части имеют наибольшие значения Fmax и Хщах- В процессе дальнейшего формирования зоны сжатия фунта происходят отделения меньших по размеру элементов груцта в стороны, что уменьшает угол развала до минимального значения ymj„. Установлено [23, 24, 26; и др.], что сечение Б - Б прорези, когда площадь его будет наибольшая, является расчет­ ным для определения сопротивления сезонно-мерзлого фунта рыхлению. Однако для процессов рыхления вечномерзлых грунтов это утверждение не является правильным.

Для определения горизонтальной составляющей сопротив­ ления вечномерзлого грунта рыхлению Ртт (см. рис. 5.2) рас­ четным является сечение В—В, когда площадь зоны сжатия

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 0 0 - объектов в условиях Севера

грунта наибольшая. В этот момент происходит скалывание крупного элемента грунта от массива, а угол развала

/min < 7 / < 7 max• При этом площадь зоны развала и ширина

прорези в верхней части также наибольшие: 7^mirl < F ( < F ma3C и

Z min < L. < Lmax. Значение угла развала для этого расчетного

случая определяют как среднее между его наибольшим и наи­ меньшим значениями:

	2 ( h - l , 2 5 h b)
tg y	2		(5.2)
		шах	+ L . - В
			пш

С увеличением категории вечномерзлых грунтов парамет­ ры и Lmin уменьшаются. Наибольшая высота зон вдавлива­ ния и сжатия вечномерзлого грунта может быть определена по эмпирической формуле:

hb + he = 2 + 0 ,1 3/i			(5.3)
При рыхлении пластично-мерзлых грунтов [26] наиболь­
ший угол развала для	грунтов	V...VI категории составляет
40...500. Установлено	[2 2 ], что	угол развала для	сезонно­

мерзлых грунтов составляет в среднем 45°. Расчеты показыва­ ют, что для процессов рыхления вечномерзлых грунтов V...VII категорий угол развала у= 45...550, для грунтов VIII...X катего­ рий у =55...60°.

Таким образом, с увеличением категории трудности разра­ ботки вечномерзлых грунтов в твердомерзлом состоянии угол развала возрастает.

Крупный элемент грунта скалывается в сторону на высоте от Ав до К + Ас от дна прорези. При этом крупный элемент раз­ рушается (дробится) на три - шесть более мелких элементов. Крупные элементы грунта имеют эллипсообразную форму (см. рис. 5.2). В момент скалывания крупного элемента грунта от массива и его дробления слышен «хлопок». По частоте этих «хлопков» можно судить о периодичности возникновения наи­ больших сопротивлений рыхлению. Далее процесс рыхления