Определение скорости проходки горизонтальной скважины грунтопроходчиком

Definition of time well creation in soil in the combined way of ground-drifter

УДК 629.113

28.06.2016

942

Выходные сведения:
Воронцов Д. С., Ткачук А. П. Определение скорости проходки горизонтальной скважины грунтопроходчиком // СтройМного, 2016. №2 (3). URL: http://stroymnogo.com/science/tech/opredelenie-skorosti-prokhodki-gori/

Авторы:
Воронцов Д. С., к.т.н., кафедра «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», ФГОУ ВО Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск, Российская Федерация, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, e-mail: osen86@ngs.ru

Ткачук А. П., к.т.н., кафедра «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», ФГОУ ВО Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск, Российская Федерация, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

Authors:
Vorontsov D. C., PhD, Department «Lifting and transport, construction and road machines», Siberian State University of Railway Transport, Novosibirsk, Russian Federation, 630049, Russia, Novosibirsk, st. Dusi Kovalchuk, 191, e-mail: osen86@ngs.ru

Tkachuk A. A., PhD, Department «Lifting and transport, construction and road machines», Siberian State University of Railway Transport, Novosibirsk, Russian Federation, 630049, Russia, Novosibirsk, st. Dusi Kovalchuk, 191

Ключевые слова:
грунтопроходчик, скважина, комбинированный способ, скорость, цикл, показатель производительности

Keyword:
ground-drifter complex, a well, the combined way, speed, a cycle, productivity indicator

Аннотация:
В статье освещается вопрос определения скорости проходки горизонтальной скважин непроходного сечения. Приведено описание грунтопроходческого комплекса и технологии создания скважин грунтопроходческим комплексом. Предложена математическая модель взаимодействия кольцевого рабочего органа грунтопроходчика – рассекателя с массивом, основанная на известном решении задачи взаимодействия расширителя конического типа с грунтом. Определены основные факторы, определяющие скоростные характеристики процесса проходки скважины предложенным способом. Предложен несложный алгоритм расчета параметров влияющих на скорость проходки скважины.

Annotation:
The article highlights the issue of determining the speed of the horizontal wells sinking-Go section. The description ground-drifter complex and the technology of wells ground-drifter complex. A mathematical model of the interaction of the annular working member ground-drifter — divider with an array based on a known solution of the problem of interaction of the expander cone type with the ground. The main factors determining the performance characteristics of the process of penetration wells proposed method. A simple algorithm for calculating the parameters affecting the penetration rate of the well.

В практике подземного строительства при прокладке коммуникаций прокол часто используется для проходки скважин малого (до 0,2 м) диаметра.

Этому способствует то, что энергоемкость процесса находится в пределах возможностей существующих в настоящее время простых и надежных технических средств, используемых для его реализации – пневмопробойников [1] или установок статического действия [2].

Пройденные таким способом скважины имеют прочные стенки, способные выдерживать механическое воздействие при последующих технологических операциях, связанных с размещением в скважине различных коммуникаций.

Иным образом обстоит дело с прокладкой скважин диаметром более 300 мм. Единственным способом снижения энергоемкости процесса до приемлемых значений является разрушение грунта и удаление его из скважины. При этом, необходимо обеспечить устойчивость слоя грунта на стенках скважины. В противном случае, вероятно, её разрушение.

Анализ современных технологий проходки скважин в грунте свидетельствует о том, что альтернативным «проколу» может быть комбинированный способ, сочетающий в себе удаление основной массы грунта из буримой скважины и уплотнение незначительной его части в грунтовый массив [3, 4]. Привлекательность такого решения заключается в появлении новых потенциальных возможностей, главными из которых являются достижение прочности и временной устойчивости стенок скважин без потери фильтрационных свойств при сравнимых с традиционным бурением значениями энергоемкости, но значительно меньшими габаритными размерами и массой оборудования [5].

Комбинированная технология проходки горизонтальных протяженных скважин в приповерхностном слое грунта основывается на относительно несложных технических решениях, уже в значительной мере испытанных и отработанных в инженерной практике при создании пневмопробойников.

Для её реализации сотрудники ИГД СО РАН) и СГУПСа разработали грунтопроходческий комплекс, основанный на динамическом разрушении грунта в забое и создание уплотненных стенок скважины грунторазрабатывающим устройством ударного действия – грунтопроходчиком при постоянно приложенном статическом усилии подачи, обеспечиваемым силовым тяговым органом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Технологическая схема проходки скважины грунтопроходчиком

1 – грунтоприемная капсула, 2 – ударный привод, 3 – стартово-разгрузочная конструкция, 4 – тяговый привод двустороннего действия (гидравлическая или пневматическая лебедка), 5, 6 – источник энергоносителя (компрессор, насосная станция для питания гидравлической лебедки), 7 – якорное устройство

Процесс проходки скважины носит циклический характер и требует проходки пионерной скважины в которой размещается трос тягового привода. После подтяжки грунтопроходчика к забою, ударный привод обеспечивает забор грунта в грунтоприемник, при этом грунтопроходчик продвигается на шаг l. Затем грунтопроходчик с керном извлекается из скважины и на стартово-разгрузочной платформе освобождается от грунта. После чего цикл повторяется. Разработанный комплекс сочетает в себе достоинства пневмопробойника и буровых установок, при практически полном отсутствии присущих им недостатков.

В основу расчетной схемы взаимодействия грунтопроходчика с массивом для определения скорости движения грунтопроходчика в грунте положено известное решение задачи о расширении грунтовой полости (рисунок 4.1) с радиусом R₀ до радиуса R₁ коническим расширителем с углом при вершине при ударном нагружении конического расширителя.

Эта задача решена А. Л. Исаковым [6] в рамках плоской модели равновесного состояния кольцевого слоя грунта с нагруженной изнутри полостью.

Условия работы грунтопроходчика отличаются от картины, представленной на рис. 4.1. Перед рассекателем грунтопроходчика не полость, а сплошной массив. При внедрении в массив грунт не только вдавливается в стенки скважины, но и проникает внутрь рассекателя.

Рисунок 4.1 – Расчетная схема движения конического расширителя

Грунтопроходчик забирает керн, который соответствует вырезанному из массива цилиндру с диаметром, равным внутреннему диаметру рассекателя, а весь грунт, расположенный перед кольцевым сечением рассекателя вдавливается в стенки скважины. Это дает основание условно считать, что перед грунтопроходчиком находится массив с цилиндрической полостью, соответствующей внутреннему диаметру рассекателя, в которой размещен грунтовый керн того же диаметра. При движении вперед наружная коническая поверхность рассекателя расширяет эту полость, и работает по схеме [6, 7], а внутренняя цилиндрическая поверхность взаимодействует с принимаемым керном, т. е. схема должна быть дополнена лишь схемой взаимодействия с керном. Рассмотрим, как может быть представлено это дополнение.

Керн, «лежащий» в гипотетической полости в массиве, обжат давлением:

, (4.1)

где – плотность грунта, кг/м² ( = 1850 кг/м³); g – ускорение свободного падения, м/с² (g = 9,81 м/с²); h – глубина залегания скважины, м; P_atm – атмосферное давление, Па (P_atm = 101325 Па). Если принять, что керн перемещается в полость рассекателя, имеющую одинаковый с ним диаметр в первозданном виде, то упругая реакция керна, ранее воспринимавшаяся массивом, теперь должна восприниматься внутренними стенками рассекателя. Соответственно, сила сопротивления продвижению керна на этом внутреннем калибрующем участке рассекателя будет определяться силой трения, обусловленной давлением упругого керна на стенки.

Естественно, это упрощенная картина. Здесь не фигурируют такие факторы, как частичная разгрузка керна, обусловленная наличием свободной торцевой поверхности, нарастание распора керна по мере продвижения в результате действия сил трения о стенки и т.д. Упрощение оправдано тем, что длина внутреннего калибрующего участка рассекателя незначительна. За калибрующим участком следует непосредственно грунтоприемник, диаметр которого заметно больше. В грунтоприемнике происходит полная упругая разгрузка керна и можно принять, что сила трения здесь определяется только весом керна.

Более детальный учет всех факторов оправдан при большой протяженности керна. Это имеет место, например, при забивке трубы открытым концом, где можно выделить несколько фаз развития процесса продвижения керна. В нашем случае усложнение не оправдано. Учтен главный фактор, причем вносимая погрешность не приводит к завышению расчетной скорости, т. е. реальные показатели грунтопроходчика окажутся не хуже расчетных. Это заведомо предпочтительней ситуации, когда реальные результаты оказываются ниже ожидаемых.

Таким образом, расчет взаимодействия грунтопроходчика с грунтом будет строиться на использовании соотношений [7, 8], полученных при решении задачи о расширении грунтовой полости с внесением в них минимальных дополнений, связанных с рассмотренными выше особенностями внедрения кольцевого рассекателя. Расчетная схема представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Расчетная схема взаимодействия грунтопроходчика с массивом

Грунтопроходчик имеет рассекатель 1 с наружным диаметром 2R₁ и углом при вершине стенки скважины формируются цилиндрической калибрующей частью рассекателя. К грунтопроходчику, вдоль оси образуемой скважины, приложена сила Ν натяжения троса механизма подтяжки. Движение грунтопроходчика происходит в результате повторяющихся с частотой n ударно-импульсных воздействий с энергией A₀, возбуждаемых ударным приводом.

Давление p(R), приложенное к стенкам полости радиусом R,
находится из решения системы уравнений, описывающих в соответствии с принятыми допущениями, равновесное состояние массива с нагруженной изнутри полостью:

Граничные условия: при r = R и при r
= R_ф, где k = 2c cos φ и m
= sin φ– коэффициенты пластичности, φ – угол внутреннего трения; – величина объемного уплотнения грунта в кольцевом слое: ρ₀ – исходная плотность грунта; ρ₁ – плотность грунта в уплотненном слое; с – сцепление грунта; R – текущий радиус; R_ф
– радиус уплотненного кольцевого слоя грунта в плоскости радиуса R; R₀
– внутренний радиус наконечника грунтопроходчика.

Решение системы (4.1) для p(R) имеет вид:

(4.3)

Выражение для определения лобового сопротивления при внедрении в грунт осесимметричного тела вращения имеет вид [7, 9]

, (4.4)

где k₁ – коэффициент трения «металл-грунт»;

β – угол наклона образующей конуса к оси симметрии внедряемого тела.

В процессе послеударного движения грунтопроходчика в массиве (рисунок 4.2) на него действует равнодействующая сил сопротивления F₀,
которая определяется выражением:

, (4.5)

Здесь F_л – равнодействующая сил лобового сопротивления; F_б – равнодействующая сил трения по внешней поверхности рассекателя; F_в – равнодействующая сил трения по внутренней поверхности рассекателя; F_вес – сопротивление, обусловленное весом керна в грунтоприемнике и грунтопроходчика; Ν – сила натяжения подающего троса.

Боковое сопротивление:

, (4.6)

где R₁ – внешний радиус наконечника грунтопроходчика, м; L₁ – длина калибрующей части рассекателя, м; p₁ – пассивное давление, действующее на цилиндрическую часть наконечника, Па: , — коэффициент ( = 0.15 – 0.30) [4, 5].

В нашем случае внутренняя поверхность грунтопроходчика, его калибрующая часть L₂, достаточно короткая. Как было сказано выше, это позволяет представить силу трения в виде линейной функции от упругого давления керна и площади внутренней поверхности, на которую это давление действует:

, (4.7)

Сопротивление, возникающее от веса грунтового керна и грунтопроходчика, определяем по зависимости:

, (4.8)

где m – масса керна в капсуле; М
– масса грунтопроходчика.

Зная величины всех сил, действующих на внедряемый в массив грунтопроходчик, можно определить максимальное перемещение его за один удар:

, (4.9)

где A₀ – величина энергии удара пневмоударного привода грунтопроходчика, переданная непосредственно на рабочий инструмент – рассекатель.

Энергия, полученная наконечником при ударе, определяется коэффициентом передачи энергии k_п, который в свою очередь зависит от масс соударяющихся тел, их скоростей в момент удара и коэффициента восстановления скорости k_в. При k_в = 0,45 [10] в первом приближении коэффициент передачи энергии для испытуемых моделей грунтопроходчика находится в пределах 0,3 – 0,4. В соответствии с вышесказанным переданная энергия A₀
= k_пА, где А – энергия удара.

Второй фазой рассматриваемого процесса является обратное перемещение грунтопроходчика вследствие упругой реакции грунтового массива. Согласно [7] величина перемещения в обратном направлении определяется выражением:

, (4.10)

где F_упр^’ – величина упругой реакции грунта ; K
– модуль объемного сжатия, , G – модуль сдвига, , Е – модуль упругой разгрузки, – коэффициент Пуассона [11].

Таким образом, остаточное перемещение грунтопроходчика за один удар равно:

, (4.11)

а скорость движения грунтопроходчика

, (4.12)

где n – частота ударов привода грунтопроходчика.

В конечном итоге, соотношения, представленные в табл. 4.1, позволяют рассчитать скорость продвижения грунтопроходчика на стадии внедрения в массив при заданных значениях параметров грунта и грунтопроходчика.

Таблица 4.1 Алгоритм расчета

Таким образом, предложенная схема расчета скорости внедрения грунтопроходчика в массив, построенная на использовании известного решения задачи о расширении грунтовой полости конусом и дополненная учетом сил взаимодействия керна с внутренней поверхностью грунтозаборника, обеспечивает получение приемлемых для практических целей формул для определения скорости проходки скважин грунтопроходчиком комбинированного типа.

Библиографический список

1. Гурков К.С., Климашко В.В., Костылев А.Д., Плавских В.Д., Русин Е.П., Смоляницкий Б.Н., Тупицын К.К., Чепурной Н.П. Пневмопробойники. – Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 1990. – 217 с.
2. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий // М.: Пресс Бюро № 1, 2005. – 304 с.
3. Смоляницкий Б.Н., Репин А.А., Данилов Б.Б. и др. (всего 15 чел.). Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах // отв. Ред. Б.Ф. Симонов; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела им. Н.А. Чинакала, СКТБ «Наука» КНЦ, Ин-т химии твердого тела и механохимии и др. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. – 204 с. (Интеграционные проекты СО РАН; вып. 43).
4. Данилов Б. Б. Пути совершенствования технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций // ФТПРПИ. – 2007. – № 2. – С. 69-76.
5. Данилов Б.Б., Смоляницкий Б.Н. Определение относительной плотности стенок грунтовых скважин при сооружении их комбинированным способом // Изв. ВУЗов. Строительство. – 2004. — № 1.– С. 49-53.
6. Григоращенко В. А. Укрепление оснований пневмопробойниками [Текст] / В. А. Григоращенко, А. Е. Земцова, А. Л. Исаков, Ю. Б. Рейфисов // Новосибирск. ИГД СО АН СССР, 1990.
7. Исаков А. Л. Задача о расширении грунтовой полости при бестраншейной замене подземных коммуникаций Текст / А. Л. Исаков, А. Е. Земцова // ФТПРПИ. – 1998. – №3.
8. Земцова А. Е. Исследование процесса взаимодействия конического расширителя с грунтом и разрушаемой трубой при бестраншейной замене коммуникаций [Текст] / Кандидатская диссертация. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 1998.
9. Сагомонян А. Я. Проникание [Текст] / А. Я. Сагомонян // МГУ, М., 1974.
10. Гилета В. П. Исследование и создание пневмоударного самодвижущегося грунтозаборного устройства для очистки кожухов от грунта при бестраншейной прокладке коммуникаций [Текст] / Кандидатская диссертация. – Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1981.
11. Гилета В. П. Исследование и создание пневмоударного самодвижущегося грунтозаборного устройства для очистки кожухов от грунта при бестраншейной прокладке коммуникаций [Текст] / Кандидатская диссертация. – Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1981.

References

1. Gurkov K.P., Klimashko V.V., Kostylev A.D., Plavskih V.D., Rusin E.P., Smoljanickij B.N., Tupicyn K.K., Chepurnoj N.P. Pnevmoprobojniki. – Novosibirsk: Izd-vo IGD SO RAN, 1990. – 217 P.
2. Rybakov A.P. Osnovy bestranshejnyh tehnologij M.: Press Bjuro No 1, 2005. – 304 P.
3. Smoljanickij B.N., Repin A.A., Danilov B.B. i dr. (vsego 15 chel.). Povyshenie jeffektivnosti i dolgovechnosti impul’snyh mashin dlja sooruzhenija protjazhennyh skvazhin v porodnyh massivah otv. Red. B.F. Simonov; RoP. akad. nauk, Sib. otd-nie, In-t gornogo dela im. N.A. Chinakala, SKTB «Nauka» KNC, In-t himii tverdogo tela i mehanohimii i dr. – Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2013. – 204 P. (Integracionnye proekty SO RAN; vyp. 43).
4. Danilov B. B. Puti sovershenstvovanija tehnologij i tehnicheskih sredstv dlja bestranshejnoj prokladki kommunikacij FTPRPI. – 2007. – No 2. – P. 69-76.
5. Danilov B.B., Smoljanickij B.N. Opredelenie otnositel’noj plotnosti stenok gruntovyh skvazhin pri sooruzhenii ih kombinirovannym sposobom Izv. VUZov. Stroitel’stvo. – 2004. — No 1.– P. 49-53.
6. Grigorashhenko V. A. Ukreplenie osnovanij pnevmoprobojnikami [Tekst] . V. A. Grigorashhenko, A. E. Zemcova, A. L. Isakov, Ju. B. Rejfisov Novosibirsk. IGD SO AN SSSR, 1990.
7. Isakov A. L. Zadacha o rasshirenii gruntovoj polosti pri bestranshejnoj zamene podzemnyh kommunikacij Tekst . A. L. Isakov, A. E. Zemcova FTPRPI. – 1998. – No 3.
8. Zemcova A. E. Issledovanie processa vzaimodejstvija konicheskogo rasshiritelja s gruntom i razrushaemoj truboj pri bestranshejnoj zamene kommunikacij [Tekst] . Kandidatskaja dissertacija. – Novosibirsk: IGD SO RAN, 1998.
9. Sagomonjan A. Ja. Pronikanie [Tekst] . A. Ja. Sagomonjan MGU, M., 1974.
10. Gileta V. P. Issledovanie i sozdanie pnevmoudarnogo samodvizhushhegosja gruntozabornogo ustrojstva dlja ochistki kozhuhov ot grunta pri bestranshejnoj prokladke kommunikacij [Tekst] . Kandidatskaja dissertacija. – Novosibirsk: IGD SO AN SSSR, 1981.
11. Gileta V. P. Issledovanie i sozdanie pnevmoudarnogo samodvizhushhegosja gruntozabornogo ustrojstva dlja ochistki kozhuhov ot grunta pri bestranshejnoj prokladke kommunikacij [Tekst] . Kandidatskaja dissertacija. – Novosibirsk: IGD SO AN SSSR, 1981.