Бурение
К бурению прибегают в следующих случаях: при исследовании свойств и качеств грунтов, определении уровня грунтовых вод, устройстве скважин водоснабжения и водопонижения грунтовых вод, выполнении земляных работ с применением взрывчатых веществ, разработке и дроблении твердых пород, устройстве свайных фундаментов, искусственном закреплении грунтов и т.п. В этих случаях сооружают вертикальные, наклонные или горизонтальные цилиндрические выработки. Буровые выработки делаются ввиде шпуров и скважин. Шпуры – это цилиндрические выработки диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, скважины – более глубокие выработки большего диаметра. Верхнюю часть шпура или скважины называют устьем, нижнюю (дно выработки) – забоем, боковые поверхности – стенками. Разрушенная при бурении порода в забое скважины называется буровой мелочью
По характеру образования буровых выработок различают бурение сплошным забоем и колонковое. При бурении сплошным забоем всю породу в скважине разрушают и в разрушенном виде удаляют. При колонковом бурении породу разрушают по кольцевой поверхности забоя, а внутреннюю часть породы ввиде цилиндра (керна) извлекают из скважины целиком. Еще один специальный термин – буримость. Это сопротивляемость конкретного грунта бурению. Буримость характеризуется временем бурения 1 м скважины (шпура). Для этого надо обычно от 3 мин (для мягких пород) до #15-25 мин (для крепких). При бурении породу разрушают механическим или физическим воздействием.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ БУРЕНИЯ
Процесс механического бурения складывается из следующих технологических операций: разрушения породы, транспортировки породы на поверхность, обеспечения устойчивости стенок буровых выработок, вспомогательных операций. Грунт разрушают резанием, истиранием, ударами, сколом и комбинированным воздействием. Измельченный грунт подают на поверхность двумя методами: гидравлическим (путем вымывания водой, направленной в выработку под давлением) и сухим (сжатым воздухом или шнеком). В основном механическое бурение ведут тремя способами: вращательным, ударно-вращательным и ударным. Для работы используют буровые станки и машины, а при незначительных объемах работ – ручные механизмы. При вращательном способе бурения порода забоя истирается, породу режут или откалывают буровым инструментом, закрепленным на нижнем конце вращающейся штанги. Основные виды вращательного способа бурения – шнековое и роторное. Они выполняются с помощью самоходных установок или станков, применяются также электрические сверлильные машины.
Способ шнекового бурения применяется для скважин глубиной до 30 м диаметром 125-160 мм в грунтах средней крепости и в мягких. Шнековые буровые станки представляют собой металлическую раму, которая состоит из двух направляющих стоек, установленных на передвижной платформе или на полозьях. По направляющим стойкам рамы движется электродвигатель с редуктором, в шпиндель которого вставлены рабочие буровые штанги длиной 2 м. Штанги представляют собой трубы, на поверхности которых по винтовой линии наварены стальные полосы – реборды. По мере углубления скважин штанги наращивают, соединяя их между собой специальными патронами. Звенья заканчиваются рабочей частью ввиде долота или лопастного резца. Грунт с помощью шнека выдается на поверхность. Производительность станков шнекового бурения – 15-100 м в смену.
Роторное бурение чаще применяется для устройства скважин диаметров от 200 мм и глубиной до 50 м в грунтах большой и средней крепости. Роторная бурильная установка состоит из ротора, сборной вышки и оборудования для промывки скважины глинистым раствором. Рабочая (ведущая) труба проходит через вкладыши круглого стола ротора, который предназначен для передачи вращения от двигателя к бурильным трубам, присоединенным к рабочей трубе. Размеры вкладышей ротора соответствуют наружному диаметру рабочей трубы, что позволяет ей одновременно с вращением перемещаться вверх и вниз. Нижний конец бурильной трубы имеет шарошечные и лопастные долота, которые разрабатывают грунт по всей площади забоя скважины. Верхним концом рабочая труба соединена с вертлюгом. К вертлюгу присоединен шланг от насоса, подающий в бурильные трубы глинистый раствор. Рабочие и бурильные трубы поднимают и опускают канатом.
Электрическими сверлильными машинами бурят шпуры в мягких породах и породах средней крепости, а также в мерзлых грунтах. Различают электрические сверлильные машины легкие (с ручной подачей) и тяжелые (колонковые). В ручной сверлильной машине осевое давление создается за счет мускульной энергии бурильщика. Колонковые электросверлильные машины имеют автоматическую подачу. Буровую штангу закрепляют в патроне шпинделя. К нижнему концу электрической ручной сверлильной машины при помощи замка присоединяют резец из твердого сплава. Буровые штанги подбирают комплектно в соответствии с глубиной шпура.
При бурении ручной электрической сверлильной машиной для удаления буровой мелочи быстро извлекают сверло, не прекращая его вращения. При работе с колонковыми сверлильными машинами шлам удаляют промывкой. Ударно-вращательное бурение применяют для бурения скважин диаметром 100-200 мм и глубиной до 30 м в труднобуримых породах. Производительность станков – 10-35 м в смену. Главная особенность этого способа состоит в том, что вращение и ударное действие инструмента выполняется двумя независимыми механизмами: вращателем и пневмоударником. Пневмоударник представляет собой пневматический молоток, в котором движущийся возвратно-поступательный поршень со штоком наносит бойком удары по хвостовику коронки. Коронка при бурении может передвигаться вдоль оси пневмоударника на 20 мм. Сжатый воздух поступает к пневмоударнику по буровым штангам. При работе станка вращатель, состоящий из электродвигателя и редуктора, приводит во вращение буровую штангу и Пневмоударник, внедряющийся в грунт.
Ударное бурение ведут пневматическими бурильными молотками – перфораторами, которые бывают ручными (массой до 24 кг) и станковыми (массой до 40 кг). Последние обеспечивают бурение шпуров глубиной до 5 м. Воздух (2-4 м3/мин) подводится к перфоратору от компрессора. Рабочий орган перфоратора – буровая головка. При бурении нетрещиноватых пород мягкой и средней крепости применяют головку с одним долотом, армированную твердыми сплавами. Двухдолотчатыми головками бурят вязкие и трещиноватые породы. Головки крестообразной формы используют для бурения пород средней крепости с незначительной трещиноватостью, а также вязких пород. Крепкие и трещиноватые породы бурят с применением крестообразных и звездообразных головок. Перфораторные молотки по характеру очистки каналов от пыли и каменной мелочи подразделяются на «сухие» и «мокрые». Перфораторы «мокрого» типа имеют устройства для промывки канала водой, в перфораторах «сухого» типа канал продувается воздухом. Предпочтительнее мокрое бурение, так как применение воды снижает сопротивляемость породы и увеличивает стойкость головки бура из-за ее охлаждения водой и уменьшения трения о стенки канала.
Физические способы бурения
Основные физические способы бурения – термический и гидравлический. Есть также электрогидравлический, плазменный, ультразвуковой и некоторые другие. При термическом способе бурения горные породы разрушаются высокотемпературными источниками тепла – открытым пламенем. Рабочим органом станка для такого бурения является термобур с огнеструйной горелкой, из которой со сверхзвуковой скоростью на забой скважины направляется газовая струя с высокой температурой. В камеру сгорания через форсунку подают смесь тонкораспыленного керосина с газообразным кислородом. Образующиеся внутри камеры газообразные продукты горения с температурой до 2000 гр. С под действием давления внутри камеры вылетают через отверстия в днище горелки со скоростью около 2000 м/с и воздействуют на забой скважины. Горелка охлаждается водой.
Ручной термобур представляет собой металлическую штангу-кожух диаметром 30 мм, в котором имеется горелка с системой охлаждения.Керосин и газообразный кислород поступают в горелку под давлением 0,7 МПа, а вода для охлаждения – под давлением 1 – 1,3 МПа. Ручными термобурами можно бурить шпуры диаметром 60 мм и глубиной 1,5 – 2 м, передвижными станками термического бурения – шпуры и скважины диаметром до 130 мм и глубиной до 8 м. По сравнению с механическим термический способ бурения шпуров более эффективен и при бурении пород кристаллической структуры превышает его по производительности в 10 – 12 раз.
Гидравлический способ бурения используется для разработки скважины в легких суглинках и плывунах. При этом способе воду нагнетают в забой скважины через колонну труб и специальную струйную насадку, прикрепленную к нижней части колонны. Вода размывает забой, а трубы погружаются в грунт. Гидромасса, образованная размывом грунта, под давлением воды выжимается вдоль наружных стенок обсадной трубы, извлекаемой из грунта лебедкой. Этим способом бурения можно проходить скважины глубиной до 8 м со скоростью 1 м/мин.
Разработка грунта взрывом
К взрывам строители прибегают для рыхления скальных пород с последующей разработкой землеройными и скалоуборочными механизмами. С помощью взрывов возводят насыпи и перемычки, устраивают выемки для котлованов, дорог и т.п. Взрывным способом дробят мерзлые грунты, валуны, валят деревья, корчуют пни, уплотняют грунты и т.д. В строительстве используются взрывчатые материалы, к которым относятся взрывчатые вещества (ВВ) и средства взрывания (СВ). Взрывчатые вещества – это химические соединения или смеси, способные с помощью средств взрывания изменять свое состояние с последующим образованием сильно сжатых газообразных продуктов и выделением энергии. По характеру действия ВВ бывают метательные, бризантные и промежуточные. Метательные ВВ характеризуются незначительной скоростью взрывчатого разложения (400 – 2000 м/с), при взрыве они дают медленное образование газов с постепенным нарастанием давления, которое раскалывает окружающую породу на куски и отбрасывает в стороны. Строители в качестве метательных ВВ применяют дымный и бездымный порох. Бризантные ВВ (динамит, тол) характеризуются высокой скоростью взрывчатого разложения (2000 – 8500 м/с) и способностью дробить породу без ее разброса. Промежуточные ВВ – аммонит, динамон, оксиликвит – обладают как свойствами метательных, так и бризантных ВВ.
Перечисленные ВВ называют основными, так как их закладывают в качестве зарядов, заранее рассчитанных по массе и форме размещения зарядной плоскости. Чтобы произошел взрыв основных ВВ, необходим начальный импульс – внешнее воздействие некоторого количества энергии взрыва. Для этого служат инициирующие взрывчатые вещества – детонаторы, которые подразделяются на первичные и вторичные. Первичные инициирующие ВВ (гремучая ртуть, азид свинца, тринитрорезорцинат свинца) легко взрываются от огнепроводного шнура или электровоспламенителя. Вторичные инициирующие ВВ (тетрил, гексоген) взрываются, как правило, от воздействия первичных.
В зависимости от средств для начального разложения ВВ (пламени, искры, удара) различают три основных способа взрывания: огневой, электрический и при помощи детонирующего шнура. Пламя, искра или удар передаются ВВ через средства взрывания, к которым относятся капсюль-детонатор, электродетонатор, огнепроводный и детонирующий шнуры, средства зажигания, а также источники и проводники электрического тока. При огневом способе средством взрывания служат капсюль-детонатор и огнепроводный шнур. Капсюль-детонатор представляет собой открытую с одного конца гильзу, в которую запрессованы первичные (в чашечку) и вторичные (в капсюль) инициирующие ВВ. В свободную часть гильзы помещают конец огнепроводного шнура, вызывающего взрыв первичного инициирующего ВВ через отверстие в чашечке. Этот взрыв передается вторичному инициирующему веществу, а от него основному заряду ВВ.
Огнепроводный шнур состоит из заключенной в изоляцию мастики, слабо спрессованной сердцевины, выполненной из зерен дымного пороха. Средствами для зажигания огнепроводного шнура могут служить: фитиль, зажигательная свеча или зажигательный патрончик. Из капсюля-детонатора и огнепроводного шнура изготавливают зажигательную трубку, которая в соединении с патроном ВВ образует патрон-боевик. Последний вводится в заряд ВВ и взрывает его при воспламенении зажигательной трубки. Огневой способ применяется при взрывании одиночных зарядов или разновременного взрывания группы зарядов. При электрическом способе в качестве средств взрывания используют электродетонаторы, электоропроводные шнуры и источники тока. Электродетонатор состоит из смонтированных в одной гильзе капсюля-детонатора и электровоспламенителя. Электровоспламенитель состоит из мостика накаливания и капли воспламеняющегося состава. При прохождении электрического тока мостик накаливается и воспламеняет капельную головку, что вызывает взрыв первичного инициатора, от него – взрыв вторичного инициатора, а затем и взрыв основного заряда ВВ. Есть электродетонаторы мгновенного и замедленного действия.
Источник тока (электрическая сеть или взрывные машинки, аккумуляторы, гальванические элементы и др.) соединяется с электродетонатором последовательным, параллельным, пучковым или параллельно-последовательным способами. Более экономично последовательное соединение, но оно наименее надежно, так как при неисправности мостика накаливания одного электродетонатора сеть разрывается. Параллельное соединение применяется при сильных источниках тока. Параллельно-последовательное соединение целесообразно использовать в тех случаях, когда число и сопротивление собираемых в группы электродетонаторов одинаковы. Электрический способ взрывания применяют при необходимости взорвать большую серию зарядов одновременно или с необходимым замедлением.
С помощью детонирующего шнура взрывают без введения капсюля-детонатора в заряд ВВ. Взрыв заряда вызывают детонирующим шнуром, состоящим из сердцевины, выполненной из высокобризантного ВВ, и проходящих по ее оси направляющих нитей. Изоляция детонирующего шнура позволяет применять его для взрыва в обводненных условиях. Детонирующий шнур передает детонацию со скоростью 6500 м/с, т.е. практически мгновенно. Детонирующий шнур применяют для одновременного взрыва серии зарядов, соединенных в общую сеть, а также для обеспечения полноты взрыва удлиненных зарядов (в этом случае шпур пропускают через весь заряд).
Заряды по месту расположения могут быть наружными (накладными), располагаемыми на поверхности разрушаемого объекта, и внутренними, располагаемыми внутри разрушаемого объекта (в шпурах, скважинах, камерах, щелях и др.). По действию на окружающую среду (взрываемую породу) различают заряды выброса, рыхления и камуфлеты. При взрыве на выброс в грунте образуется конусообразное углубление – воронка. Грунт, выброшенный взрывом, падает частично в воронку и частично вокруг нее. Различают следующие элементы воронки взрыва: r– радиус верхнего основания воронки взрыва, W– линия наименьшего сопротивления (л. н. с.), т.е. кратчайшее расстояние от центра заряда до свободной поверхности. Действие взрыва характеризуют величиной отношения n = r / W, называемой показателем действия взрыва (показателем выброса). При n = 1 – заряд и воронка нормального выброса; при nбольше 1 – усиленного выброса и при nменьше 1 – уменьшенного выброса.
При n = 0,35 – 0,75 не происходит выброса породы, а только рыхление в объеме воронки и выпучивание на поверхности, а при nменьше 0,35 происходит разрушение ограниченной части породы вблизи заряда. Масса заряда определяется по эмпирическим формулам, которые в большинстве случаев являются функциями удельного расхода ВВ, объема взрываемой породы и назначение взрыва (выброс, рыхление или камуфлет). По форме заряды ВВ бывают сосредоточенными (в форме куба, шара или цилиндра), плоскими и удлиненными. Удлиненные заряды располагают по отношению к свободной поверхности подрываемого массива породы параллельно или под углом. Форму заряда ВВ выбирают в зависимости от назначения взрыва и методов выполнения взрывных работ.
В зависимости от формы, величины и способа размещения заряда по отношению к объекту, подлежащему разрушению, различают методы шпуровых, скважиновых, котловых, камерных и щелевых зарядов. Метод шпуровых зарядов заключается в том, что в породе выбирают шпуры, в которых помещают заряды ВВ. По глубине шпуров различают мелкошпуровый метод и метод глубоких шпуров. Мелкошпуровый метод используется при вторичном взрывании больших камней, корчевке пней, рыхлении смерзшегося грунта и др. Глубина шпура в этих случаях не превышает 2 м. Метод глубоких шпуров применяется при взрывных работах с высотой уступа до 10 м для сброса и обрушения грунта, а также на открытых работах при небольшой мощности пластов или при послойной разработке грунтов.
Метод скважинных зарядов от шпурового отличается тем, что заряды размещаются в скважинах диаметром до 300 мм и глубиной до 30 м. скважины бурят ниже подошвы забоя на глубину 1-2 м, что повышает эффект действия взрыва. Обычно заряды применяют удлиненные. Расстояние скважины от забоя зависит от высоты забоя. Скважинные заряды взрывают электрическим способом, сеть обязательно дублируют. Благодаря большому объему взрываемой породы, приходящемуся на 1 м скважины, при применении метода скважинных зарядов значительно снижаются расходы на бурение. Метод котловых зарядов заключается во взрыве сосредоточенных зарядов, размещаемых в котлах, образованных простреливанием шпуров или скважин. Этот метод резко увеличивает объем породы, разрушаемой взрывом заряда, и снижает расход буровых работ по сравнению с методом шпуровых и скважинных зарядов.
Метод малокамерных зарядов (зарядов в рукавах) применяют в нескальных грунтах при высоте забоя 3-5 м. Длина рукава (0,2х0,2 – 0,5х0,5 м) должна составлять 2/3 высоты забоя. Взрыв выполняют сосредоточенным зарядом. Этот метод успешно применяют, если в подошве уступа есть прослойка слабой породы и образование рукавов в них не представляет трудностей. При методе камерных зарядов рыхление породы производится взрывом сосредоточенных зарядов большой массы, помещаемых в специальные горные выработки – камеры. Для размещения камерных зарядов во взрываемом массиве проходят вертикальные шурфы или горизонтальные штольни. Метод применяют для обрушения значительных массивов породы и образования котлованов, траншей или устройства насыпей, дамб, выемок или других инженерных сооружений взрывом на выброс.
Для массового обрушения породы на высоте уступа до 8 м применяют шурфы, свыше 8 м – штольни. Метод используется с двух или трехрядным расположением камер. При устройстве нешироких траншей для рыхления мерзлых грунтов применяют метод щелевых зарядов. При этом методе с двух сторон будущей траншеи в мерзлом грунте прорезают щели – рабочую и компенсационную. Первая щель предназначена для закладки по высоте двух или трех удлиненных зарядов ВВ. Нижний ряд укладывают по всей длине щели, верхние – с промежутками. При взрыве нижний ряд как бы подрезает основание призмы грунта, а верхние дробят его. Энергией взрыва грунт смещается в сторону компенсирующей щели, затем разрыхленный мерзлый грунт выбирается. Щелевые заряды ВВ могут применяться при рыхлении грунтов и на больших площадях. Тогда всю площадь прорезают параллельными щелями и производят рыхление последовательными взрывами зарядов ВВ, расположенных в смежных щелях.
При щелевом методе рыхления мерзлых грунтов производительность труда по сравнению со шпуровым методом возрастает в 4-5 раз. При разработке котлованов, траншей, выемок и др. рыхлением породы с одновременным выбросом в зависимости от их поперечного профиля и ширины избирают одно-, двух- или трехрядное расположение зарядов. Если нужно получить поперечный профиль треугольного сечения, прибегают к однорядному взрыву сближенных зарядов. Для получения трапециевидного сечения заряды располагают в два или три ряда. Располагать заряды больше, чем в три ряда не рекомендуется, так как в этом случае значительное количество грунта попадает обратно в выемку. При трехрядном взрывании заряды среднего ряда располагают в шахматном порядке и вес ВВ увеличивают на 25-50% по сравнению с весом зарядов крайних рядов. Заряды среднего ряда взрывают с замедлением на 2-4 с после взрыва крайних рядов. Чтобы произвести направленный выброс грунта в одну сторону, необходимо, по меньшей мере, двухрядное расположение зарядов. Взрыв начинается с зарядов со стороны направленного выброса, а через 2-4 с выполняют взрыв зарядов другого ряда. При этом грунт, поднятый при взрыве первого ряда, перемещается в сторону выброса энергией взрыва второго ряда.
Производство взрывных работ связано с опасностью, требует правильных расчетов зарядов, опыта. В строительстве взрывными работами занимается специально обученный персонал специализированных организаций.