Производство буровых работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Производство буровых работ

Назначение буровых работ и способы бурения. Буровые работы предназначены для получения в грунте вертикальных, наклонных или горизонтальных выработок цилиндрической формы. Выработки разрабатывают с целью проведения гидрогеологических изысканий при инженерной подготовке строительной площадки; для рыхления скальных пород или мерзлых грунтов взрывными методами; для понижения уровня грунтовых вод; для устройства свайных фундаментов, артезианских колодцев и т. д.

Буровые выработки устраивают в виде шпуров или скважин.

Шпур -- выработка диаметром до 75 мм, глубиной до 5... *6 м; скважина--выработка диаметром более 75 мм и боль-шей глубины, чем шпур. Верхнюю часть скважины (шпура), которая расположена непосредственно у поверхности земли, называют устьем, нижнюю -- забоем, а внутреннюю боковую поверхность -- стенкой.

В процессе бурения происходит разрушение грунта на дне забоя и его удаление из выработки с помощью сжатого воздуха, воды, шнека или желонки и др.

При бурении в неустойчивых малосвязных грунтах для предотвращения обрушения стенки скважины крепят обсадными трубами. Обсадные трубы состоят из отдельных звеньев длиной 1,5...4,5 м, соединяемых муфтами, свинчиванием и т. д.

Скорость бурения зависит от физико-механических характеристик грунтов (плотности, прочности, абразивности и т. д.), способа бурения, вида бурового инструмента, диаметра выработки, способа удаления разрушенного грунта.

Трудоемкость разработки грунта бурением определяют временем бурения 1 м длины скважины (шпура) в грунтах различной плотности.

Существуют механические, физические и ручные способы бурения. Наибольшее распространение получили механические способы, при которых применяют ручные машины и станки. К физическим способам относятся: термический, гидравлический, электрогидравлический, ультразвуковой и другие, которые пока широко не распространены. Ручными способами пользуются при небольших объемах работ в грунтах пониженной плотности и прочности.

Бурение шпуров ручными машинами и инструментом. Для бурения шпуров применяют ручные машины -- перфораторы и электросверла.

Перфораторы используют для бурения в твердых породах и мерзлых грунтах. Они работают с помощью сжатого воздуха, полученного от компрессорной установки. Сжатый воздух через распределительное устройство в корпусе воздействует на поршень-ударник попеременно с двух сторон. Совершая возвратно-поступательные движения, поршень наносит удары по хвостовику рабочего органа--бура. После каждого удара бур с помощью поворотного устройства поворачивается на некоторый угол (рис. 1,а).

Перфораторы делят на три группы: ручные массой 10... 35 кг; колонковые массой 35...100 кг, закрепляемые на колонках, треногах или передвижных мачтах-дерриках; телескопные массой 25...50 кг, применяемые для бурения восходящих шпуров и устанавливаемые на раздвижных колонках.

Рабочий орган перфоратора -- бур состоит из головки, стержня, хвостовика (рис. 1,6).

Головки (коронки) бура бывают съемные и несъемные. Выполняют их из высокопрочных металлов или сплавов. Они могут быть однодолотчатыми, двухдолотчатыми, крестовыми, звездчатыми (рис.1,г). Съемные головки со стержнем соединяют с помощью резьбы, клина, штыка.

Однодолотчатые головки используют при бурении монолит-ных пород; двухдолотчатые -- в трещиноватых породах средней прочности; крестовые и звездчатые -- в прочных породах.

При бурении шпуров применяют ступенчатый профиль, что способствует уменьшению сил трения, возникающих между стенкой шпура и буром, а следовательно, уменьшению износа бура и трудоемкости разработки.

Наибольший диаметр имеет первый короткий бур -- забур-ник. Диаметр каждого последующего бура на 3 мм меньше предыдущего, а длина -- больше на 30 см для прочных и на 60 см для мягких пород (рис. 1д).

Рис.1. Ударно-вращательный механизм и инструмент, применяемый для бурения шпуров:

а -- схема ударно-вращательного механизма; б -- бур; в -- буровое сверло- г -- буровые головки перфораторов; а --схема образования шпуров перфоратором; е -- наконечники ручных буров; / -- цилиндр перфоратора; 2 -- храповик; 3 -- винтовой стержень; 4 -- поршень-ударник; 5 --поворотная букса; 6 -- хвостовик рабочего органа перфоратора; 7 -- головка; 8 -- штанга; 9 -- хвостовик; 10 -- захват для соединения с патроном шпинделя электросверла; 11 -- резец; 12, 13, 14, 15 -- однодолотчатая, крестовая, двухдолотчатая и звездчатая головки; 16 -- вертикальный разрез шпура; 17 -- комплект буров; 18, 20 -- ложкообразный и спирально-ложечный наконечники; 19 -- змеевик- 21 -- желонка; 22 -- шариковый клапан

Породу удаляют, продувая шпур сжатым воздухом или промывая его водой.

Электросверла предназначены для бурения шпуров в нетвердых горных породах и мерзлых грунтах. Они бывают легкими (для работы вручную) и тяжелыми с автоматической подачей. Последние устанавливают на колонки. При проходках в твердых породах применяют электросверла со сверхвысокими скоростями бурения.

Рабочий орган электросверла -- резец, закрепляемый с помощью хвостовика в отверстии буровой штанги (рис. 1, в), которую соединяют с патроном шпинделя электросверла. Породу из шпура удаляют в процессе сверления по винтовой поверхности штанги и при извлечении сверла. Ввиду быстрого затупления резцов их наплавляют или делают съемными из легированной или углеродистой сталей с впайкой пластинок из твердых сплавов.

Ручное бурение применяют при глубине выработок до 5 м. Ручной бур состоит из штанги и наконечника, закрепляемого в его нижней части. Вверху штанга заканчивается рукоятью, с помощью которой вращают и извлекают бур из выработки. Вид наконечника, его форма зависят от физико-механических характеристик грунта, в котором ведется ручное бурение. Так, наконечник в виде змеевика предназначен для бурения вязких глинистых и суглинистых грунтов; ложкообразный -- сухих неосыпающихся грунтов; спирально-ложечный -- твердых грунтов; желонка--плывунов; патрон -- песчаных (малосвязных) грунтов (рис.l.e). Для подъема и опускания бура можно использовать треноги, вышки, лебедки.

Бурение скважин станками. Физические способы бурения. Бурение скважин при механическом воздействии на грунт производят ударным, ударно-вращательным, вибрационным способами. Выбор того или иного способа зависит от глубины бурения, диаметра выработки, физико-механических характеристик породы, целевого назначения бурения, технических возможностей строительной организации.

Ударное бурение используют для получения скважин глубиной до 50 м, диаметром до 900 мм. Работы ведут станками ударно-канатного действия (БС-1М, БУ-20-2М, УБП-15М, УКС-ЗОМ и др.), оборудованными различным буровым инструментом. К технологическому инструменту относят ударное долото, забивной стакан, желонку, ударную штангу, раздвижную штангу, канатный замок, канат. К вспомогательному -- обсадные трубы; инструмент для работы с обсадными трубами; инструмент аварийного назначения -- ловильный колокол, ловильный ерш, канаторезку и др. (рис. 2, г).

Станки ударно-канатного действия состоят из станины, смонтированной на ходовой тележке, мачты и силовой установки (рис..2, а). Мачтой поднимают буровой инструмент. Принцип действия станка заключается в нанесении определенной серии ударов (40...60 в мин) в месте образования скважины. Первую серию ударов наносят при натянутом канате, чтобы исключить рывки и вибрацию. Так пробуривают скважину на глубину 1...1.5 м (устье скважины). В мягких породах устье закрепляют обсадной трубой. В процессе бурения в скважину периодически подают воду (20...30 л на 1 м скважины); образовавшийся шлам удаляют желонкой через каждые 0,4...0,8 м проходки.

Станки ударно-канатного бурения обслуживают два бурильщика IV и V разрядов. Управляет станком, забуривает скважины бурильщик V разряда. Бурильщик IV разряда выполняет вспомогательную работу: раскладывает буровой инструмент, чистит желонку, подтягивает тяжелый буровой инструмент к станку.

Ударно-вращательное бурение применяют в твердых породах для получения выработок 30…50 м, диаметром 75…200 мм.

Рис. 2. Буровые установки для бурения скважин и ловильный инструмент: а --схема станка ударно-канатвого бурения; б --то же, ударно-вращательного бурения; в -- самоходная установка колонкового бурения; г -- ловильный инструмент; / -- долото; 2 -- штанга; 3 -- натяжной замок; 4 -- канат; 5 -- блок; б -- мачта; 7-- барабан; Я --шатун; 9 --ролик; 10 -- пневмоударник; //-- обеспыливатель; 12 -- шланг для воздуха; 13 -- злектрокабель; 14 -- вращатель; 15--станина; 16 -- лебедка; 17 -- салазки; IS -- автомобиль; 19 -- канат; 20 -- вертлюг; 21 -- ротор; 22 -- буровой снаряд: 23, 24 -- двурогий и однорогий ерши; 25 -- канаторезка; 26 -- ловилъный колокол; 27 --вилка

При этом используют станки УБР-1, УБР-2М и другие которые устанавливают на салазки, автомобильные шасси или гусеничную ходовую часть. Они состоят из станины, пневмоударника, обеспыливателя, буровой штанги, вращателя (рис 2 б). Пневмоударник снабжен коронками, армированными твердыми аплавами. В процессе бурения наращивают штангу к которой прикреплен пневмоударник. Породу удаляют сжатым воздухом или водой, подаваемой под давлением.

На станках ударно-вращательного бурения работают бурильщики VI и V разрядов. Бурильщик VI разряда управляет машиной, следит за работой приборов и двигателя, V разряда -- включает механизм подачи бурового станка на забой, помогает рабочему VI разряда.

Вращательное бурение бывает трех видов: колонковое, шнековое, роторное.

Колонковое бурение применяют при бурении скважин диаметром 75...230 мм, глубиной до 100 м. При таком способе бурения керна структура напластования пород не нарушается. Для колонкового бурения используют самоходные установки УРБ-1В2, УГБ-50М, МБУ-1 и др. (рис. 2,e).

В качестве бурового инструмента используют колонковую трубу, буровую коронку, бурильную колонку, ведущую трубу, трубные переходы. При инженерно-геологических работах колонковое бурение можно проводить с промывкой скважины водой (продувкой воздухом) или глинистым раствором (с целью предотвращения обрушения стенок выработки). В прочих глинистых породах работы можно вести сухим способом, но это отрицательно влияет на буровой инструмент. При промывке скважины водой получают ненарушенный керн и улучшаются условия работы.

Шнековое бурение используют при проходках глубиной до 100 м, получая скважины диаметром 67...230 мм. Для этого применяют станки вращательного бурения БУЛИЗ-15, УРБ-1В2, УГБ-50М и др. (рис.3, а). Шнековое бурение можно проводить двумя способами -- сплошным и кольцевым забоем.

Бурение сплошным забоем осуществляют завинчиванием шнековой колонки, которую постепенно по мере нагружения наращивают дополнительными шнеками. Частота вращения бурового снаряда 250...300 мин^-1.

При кольцевом забое используют буровые снаряды в виде колонковых шнеков. Это позволяет получить информацию о естественной структуре породы в процессе бурения.

При работе в прочных породах дополнительно к основному рабочему инструменту применяют долота, которые могут быть двух-, трех-, многолопастными. Выполняют их из высокопрочного металла или с включениями в виде пластинок из твердых сплавов.

Шнековое бурение ведут в такой последовательности: забуривание скважины начинают с проверки совпадения оси бурового шнека с осью скважины, затем опускают его до соприкосновения с грунтом и начинают бурение на минимальных оборотах вращения, переходя постепенно на рабочее бурение. бурение грунт перфоратор электросверло

Шнековые бурильные станки обслуживают два бурильщика IV и V разрядов. Бурильщик IV разряда управляет ручной лебедкой, помогает передвигать станок и проводить его ремонты, подает к месту работы необходимые материалы и инструменты. Бурильщик V разряда устанавливает станок, контролирует совпадение оси бурового шнека с осью скважины, забуривает скважину и ведет бурение, очищает скважину от шлама.

Рис. 3. Самоходные и специализированные установки для бурения скважин: а --самоходная для бурения ям под фундаменты; б -- самоходная вибрационного бурения; в -- термическое бурение; / -- гидроцилиндр подъема буровой штанги; 2 -- гидроцилиндр подъема и поворота рамы совместно со штангой; 3 -- гидроцилиндр подачи штанги в направлении бурения; 4 -- буровая штанга с буровым снарядом; 5 -- электродвигатель; 6 -- блок; 7 -- вибропогружатель; 8 -- пульт управления; 9 -- труба для отвода продуктов горения; 10 -- разрезная муфта; 11 --лебедка; 12 -- гибкий рукав; 13 -- баллон с кислородом; 14 -- бак с керосином; 15 -- бак для воды; 16 -- горелка

Роторное бурение применяют при устройстве скважин диаметром 200...230 мм, глубиной 50...100 м. (Выработки с такими параметрами характерны для геологических изысканий, проводимых в строительстве.) При этом используют станки БУМЛЗ-15, ЛБУ-50, УГБ-50М и др. Бурильная установка имеет ведущую (рабочую) трубу, бурильные трубы, которые в нижней части заканчиваются шарошечными или л о п а с тн ы м и долотами. Вращение от двигателя через ротор передается рабочей трубе, а от нее к бурильным трубам и долоту. В процессе бурения для удаления породы в скважину подают глиняный раствор или воду, которые выносят на поверхность шлам и вместе с тем создают лучшие условия работы бурового инструмента.

Основные преимущества вращательного бурения: высокая производительность (более чем в 3 раза превышающая производительность станков ударного бурения); высокая скорость бурения; сравнительно низкая стоимость бурения: возможность получения горизонтальных, наклонных и вертикальных скважин.

Станки обслуживают рабочие-бурильщики VI и V разрядов. Бурильщик VI разряда включает муфту сцепления и приводит в действие гидросистему, включает рабочую скорость, ведет бурение. Бурильщик V разряда включает насос, устанавливает рабочие трубы и т. д.

Вибрационное бурение позволяет получить скважины глубиной 15...40 м, диаметром 108...219 мм. Для этого используют установки АВБ-2М, АВБ-3, БУЛИЗ-15 и др. Транспортной базой для этих установок являются автомобили (рис. 3, б).

В качестве бурового инструмента применяют зонд, стакан, желонку и бурильные колонки. Наиболее распространенным является зонд, который может быть с одним или несколькими клапанами.

Вибрационное бурение ведут в песчаных и глинистых породах. В первом случае используют собственно вибрационное бурение, а во втором -- виброударное.

Сущность вибрационного бурения состоит в том, что в процессе вибрации бурового снаряда резко снижается сопротивление породы. Это позволяет ему быстро погружаться в грунт. При виброударном бурении буровой снаряд погружается в грунт под действием частых ударов, наносимых по его верхнему концу. Поэтому его применяют в грунтах со значительным лобовым сопротивлением.

По сравнению со станками ударно-канатного действия процесс бурения ускоряется примерно в 10 раз.

Физические способы бурения. Из физических способов применяют термическое и гидравлическое бурение. Остальные -- электрогидравлический, ультразвуковой и другие способы находятся в стадии разработки или производственных испытаний.

Термическое бурение применяют для пробуривания шпуров и скважин диаметром до 400 мм, глубиной до 22 м, в кремнеземистых породах с использованием термобуров (рис.3, в).

Рабочий орган термобура -- горелка, в которую поступает керосин и газообразный кислород под давлением до 0,7 МПа. Можно использовать сжатый воздух вместо кислорода. Пламя из горелки выбрасывается со скоростью до 2000 м/с при температуре около 2000 °С. Для охлаждения горелки в процессе работы подают воду под давлением до 1,35 МПа. Превращаясь в пар, она выносит из скважины продукты разрушения породы. Преимущества термического бурения: высокая производительность и надежность в работе.

При гидравлическом бурении, которое применяют в легких суглинках, водонасыщенных грунтах, бур в виде трубы с насадкой погружается за счет подачи через рабочий орган воды яод большим давлением со сверхзвуковой скоростью. Полученная пульпа выжимается вдоль рабочего органа. Глубина разрабатываемой выработки -- 8 м.

Размещено на Allbest.ru