CC BY
10
УДК 621.23.05
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА ПОВОРОТА КОРПУСА ПНЕВМОПРОБОЙНИКА В ГРУНТЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ОТКЛОНЯЮЩЕГО УСИЛИЯ
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Дмитрий Олегович Чещин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
В работе предложена принципиальная конструктивная схема механизма изменения траектории движения пневмопробойника. Приведены результаты испытаний макета управляемого пневмопробойника и данные по нахождению центра поворота.
Ключевые слова: скважина, пневмопробойник, бестраншейные технологии, скважины криволинейной траекторией, корректировка траектории пневмопробойника.
LOCATING CENTER OF TURN OF AIR HAMMER UNDER DIVERTING FORCE IN SOIL
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Underground Construction Equipment and Technology Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Dmitry O. Cheshchin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher of Underground Construction Equipment and Technology Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
The authors propose structural layout of mechanism intended to change mechanical trajectory of air hammer in soil. The paper describes tests of a guided model air hammer and reports data on locating center of turn of the air hammer body in soil.
Key words: hole, air percussion machine, trenchless technology, curved trajectory hole, air percussion machine trajectory alignment.
В настоящее время метод бурения можно отнести к одному из основных методов образования вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин в грунте. Широкое развитие получило так называемое направленное бурение, в процессе которого осуществляется корректировка направления скважин. Этот метод применяется при бурении направленных скважин в угольных пластах (например, для отвода метана), при разработке нефтяных месторождений, при строительстве коммуникаций различного назначения [1]. Применение направ-
ленного бурения в строительстве позволяет сохранить благоустройство территории, зеленые насаждения, и особенно важно, исключить остановку транспортных потоков на авто и железнодорожных магистралях.
В свою очередь существует альтернативный метод образования скважины - метод прокола. Он характеризуется наибольшей простотой процесса и компактностью применяемого оборудования. Этот метод позволяет проходить скважины небольшого диаметра (до 300 мм) в прочных грунтах, а также применяется для проходки пионерной скважины с последующим ее расширением. Увеличение длины скважин свыше 30 метров сопровождается уменьшением вероятности его выхода в проектную конечную точку вследствие возрастающего действия случайных отклоняющих факторов [2]. Существенно расширить технологические возможности этого метода возможно за счет обеспечения возможности движения рабочего органа по заданной траектории, в том числе и криволинейной, и выхода скважины в заданную область подземного пространства.
В настоящее время в ИГД СО РАН разработан и испытан управляемый пневмопробойник по схеме изменения его внешней формы за счет отклонения хвостовой части (рис. 1). Такое решение продиктовано несколькими обстоятельствами. Во-первых, заднее расположение отклоняющего элемента позволяет в полной мере использовать для ударного механизма отработанные и выверенные конструктивные решения, применяемые в серийных машинах. Во-вторых, диаметр корпуса в рассматриваемой конструктивной схеме равен диаметру образуемой скважины, что позволит сохранить величину удельной мощности машины. В-третьих, заднее расположение отклоняющего элемента позволяет упростить конструкцию механизма управления за счет использования воздухоподводящего рукава для передачи управляющих команд.
1 2 3 4
Рис. 1. Схема механизма управления траекторией пневмопробойника
(при отклоненном хвостовике)
Механизм (рис. 1) представляет собой отклоняющий хвостовик 4, который шарнирно соединяется с задней гайкой 1 пневмопробойника 8 посредством гайки 2 и втулки 3. Для создания отклоняющего усилия в устройство вмонтирована эластичная камера 7, управляемая с помощью клапанного механизма 6. Выбор направления, в котором необходимо отклонить пневмопро-бойник, осуществляется поворотом воздухоподводящего шланга (рукава) 5.
Для отклонения корпуса пневмопробойника в эластичную камеру через клапанный механизм подается давление. Камера создает усилие, которое поворачивает хвостовик относительно втулки 3 и корпуса пневмопробойника 8 на некоторый угол а.
Испытания пневмопробойника в грунте естественного сложения производились на территории инженерно-технического комплекса ИГД СО РАН «Зеленая Горка». Проходка скважины производилась без остановок до выхода пневмопробойника в приемный котлован. Для определения пространственной ориентации оси сооруженной скважины использовалось серийное электронное устройство для определения местоположения и пространственной ориентации рабочего органа установки направленного горизонтального бурения. В соответствии с полученными данными построены траектории движения пневмопро-бойника в естественном грунте при различной плотности (рис. 2).
Рис. 2. Траектория движения пневмопробойника: а - в грунтовом массиве №1 с числом ударов ударника ДорНИИ С=3-5 при угле отклонения хвостовой части - 4,2°; Ь - в грунтовом массиве №2 с числом ударов ударника ДорНИИ С=6-8 при угле отклонения хвостовой части 2,5°
Для оптимизации параметров отклоняющего механизма и более точной оценки возможностей управляемых пневмопробойников различного типоразмера было принято провести исследования на математической модели. Ее построение началось с определения точки поворота корпуса пневмопробойника при действии силы, возникающей при повороте хвостовой части.
Для этого был сконструирован стенд (рис. 4), представляющий собой бункер 1 с закрывающейся крышкой 2, в которой имеются отверстия для стержней 3 и 4.
Стержни 3 и 4 используются для определения перемещений образца в грунте, а также для передачи силового воздействия на один из концов образца. На каждый стержень крепится шкала с градуировкой 5, позволяющая проводить замеры перемещений с точностью до 0,5 мм.
В бункер 1 с заданным уплотнением загружается грунт до определенного уровня, после чего снимаются геометрические размеры образца 6 и укладывают его на грунт. Устанавливают проводящую трубку 7 на один конец образца и
стержень 3 на другой конец и засыпают оставшийся грунт с послойным уплотнением. Закрыв крышку 2, вставляют нагрузочный стержень 4 в проводящую трубку 7 и закрепляют шкалы с градуировкой 5 на стержни. После этого устанавливают на крышку неподвижные метки 8 около каждой шкалы.
Рис. 3. Схема стенда для определения перемещений концов образца
Перед приложением нагрузки отмечают показания отметок на каждом стержне, считая их нулевыми. После чего на нагрузочный стержень 4 постепенно увеличивают нагрузку, устанавливая гири определенной массы, и после стабилизации образца записывают показания отметок на стержнях. На собранном стенде был проведен ряд экспериментов на образцах различного диаметра и длины.
Измерив перемещения и зная длину трубы ЬТ, расстояние до точки поворота от переднего конца рассчитывается по формуле:
х = ---—
кх + к2
(1)
Рассчитав значение «х» при различной нагрузке, для каждого образца установлена зависимость изменения положения точки поворота «ЬТ/х» по отношению к нагрузке F (рис. 4).
Анализ этих зависимостей позволяет сделать вывод, что при различных размерах образца, среднее значение LТ/x будет находиться в пределах значений 3^5. Скачки на графиках вызваны, скорее всего, чередующимся уплотнением грунта в верхней и нижней части образца.
Рассчитав среднее арифметическое всех значений LТ/xCp, установлено, что в среднем, точка поворота х будет находиться на расстоянии LТ/5 от ненагру-женного конца образца. Полученные результаты представлены в табл. 1.
3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Ьт/х
Рис. 4. Зависимость положения точки поворота образца от нагрузки при различных размерах образца
Таблица 1
Расчет усредненного значения отношения длины образца к расстоянию до точки поворота
номер испытания № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
диаметр образца мм 21 21 30 30 42 42 57 57 57 76 76 90 90
длина образца Цт, мм 275 275 242 242 385 385 286 286 286 418 418 520 520 усред. Цт/хср
среднее значение Цт/х Цт/хср 4.30 3.91 5.77 4.05 6.11 5.83 6.26 4.49 6.20 5.48 4.26 4.90 3.91 5.04
Полученный результат позволяет составить расчетную схему и провести расчет распределения реакций грунта на корпус пневмопробойника в первом приближении с последующим уточнением, а показания деформаций послужат для проверки правильности построения математической модели. Исследования на полученной, в дальнейшем, математической модели позволят провести оптимизацию параметров отклоняющего механизма и более точную оценку возможностей управляемых пневмопробойников различного типоразмера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Потапенко А. Особенности горизонтального бурения [Электронный ресурс] / А. Потапенко. - Режим доступа: http://www.tehsovet.ru /агйс1е-2012-12-3-1468
2. Суднишников Б.В., Костылев А.Д., Тупицин К.К. Пневмопробойники в строительстве и горном деле // ФТПРПИ. - 1970. - № 2. - С. 44 - 49.
© Б. Б. Данилов, Д. О. Чещин, 2016
