CC BY
167
УДК 621.23.05
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КРИВОЛИНЕЙНЫХ СКВАЖИН МЕТОДОМ ПРОКОЛА
Борис Борисович Данилов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лаборатории подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Дмитрий Олегович Чещин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
В работе представлен обзор и анализ существующих способов управления траекторией движения пневмопробойника. Предложена принципиальная конструктивная схема механизма изменения траектории движения пневмопробойника. Приведены результаты испытаний макета управляемого пневмопробойника.
Ключевые слова: скважина, пневмопробойник, бестраншейные технологии, скважины криволинейной траекторией, корректировка траектории пневмопробойника.
METHOD AND TOOL FOR CURVED HOLE MAKING BY PUNCTURING
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 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, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect,Postgraduate, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
The paper gives a review and analysis of the existing methods of air percussion machine motion trajectory control. The authors propose general layout of a tool for changing the motion trajectory of air percussion machines. The steerable air percussion machine test data are presented.
Key words: hole, air percussion machine, trenchless technology, curved trajectory hole, air percussion machine trajectory alignment.
В современном мире одним из основных методов образования вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин в грунте является метод бурения. Интенсивное развитие получило 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 направленного бурения в строительстве позволяет сохранить благоустройство территории, зеленые
насаждения, и особенно важно, исключить остановку транспортных потоков на авто и железнодорожных магистралях.
Распространенный в данное время метод гидравлического бурения имеет ряд недостатков, которые не позволяют его использовать в определенных условиях строительства [2]. Сухое бурение (с помощью штанг со шнеками) имеет ограничение по длине прокладываемой скважины, обусловленное высокой вероятностью чрезмерного отклонения оси скважины от проектной в связи с невозможностью корректировки траектории рабочего органа.
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 [3]. 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.
Через некоторое время, после создания в ИГД СО РАН надежно работающих пневмоударных машин (пневмопробойников), началась разработка управляемых пневмопробойников. Этой проблемой в разное время занимались и зарубежные производители пневмопрбойников (Trakto-Technik , Vermeer (Германия), Allied Steel, Ditch Witch (США)) [4]. Несмотря на то, что были достигнуты определенные успехи и созданы достаточно работоспособные машины и механизмы, в своем большинстве они остались, или техническим предложением, или опытным образцом.
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.
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 пневмопробойник, осуществляется поворотом воздухоподводящего шланга (рукава) 5. Для отклоне-
ния 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.
1 2 3 4
Рис. 1. Схема механизма управления траекторией пневмопробойника
(при отклоненном хвостовике)
Действующая модель такого управляемого пневмопробойника была изготовлена и испытана в стендовых и полевых условиях. В процессе испытаний угол отклонения хвостовика составлял а ~ 4°, длина корпуса пневмопробойника Ь1=1380 мм, длина хвостовой части L2=280 мм. Стендовые испытания проводилась в специальном грунтовом канале. В соответствии с полученными данными построена траектория движения пневмопробойника в грунтовом канале (рис. 2).
0 2 3 , X. м Ь
1 г
¥=2.68" ¥=4.16° у=5,40° /=5.56°
Г базовое направление — траектория скважины
Рис. 2. Траектория движения пневмопробойника в грунтовом канале
На рисунке по оси Х измеряется длина полученной скважины (в горизонтальной проекции), а по оси Y - изменение положения пневмопробойника в вертикальной плоскости. Угол у - наклон продольной оси пневмопробойника к горизонту.
Испытания пневмопробойника в грунте естественного сложения производились на территории инженерно-технического комплекса ИГД СО РАН «Зеленая Горка», где были сооружены стартовый и приемный котлованы. 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. Электромагнитный излучатель устройства протягивался по скважине. Сигнал излучателя принимался
и обрабатывался приемником на поверхности. В соответствии с полученными данными построена траектория движения пневмопробойника в естественном грунте (рис. 3).
Рис. 3. Траектория движения пневмопробойника в грунтовом массиве
Оценка результатов испытаний показала, что отклоняющее устройство предложенной конструкции позволяет достигать отклонения оси скважины на величину в среднем до 80 мм на метр длины. Анализ результатов исследований прямолинейности скважин, проводившиеся в ИГД СО РАН Костылевым А.Д., Чепурным Н.П. и другими исследователями показал, что для скважины такого же диаметра ее отклонение от первоначального направления на длине 25 метров в различных типах грунтов в среднем составляет величину около 150 миллиметров или 6 миллиметров на метр [5].
Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что выбранный способ корректировки траектории и предложенное конструктивное решение механизма корректировки направления пневмопробойника позволит компенсировать воздействие большинства случайных отклоняющих факторов и обеспечить выход скважины в заданную область подземного пространства. Кроме того, появляется возможность прокладки скважин методом прокола с заведомо криволинейной траекторией для коммуникаций диаметром как до 300 мм, так и более (путем расширения с помощью сухого бурения). В настоящее время ведется разработка математической модели устройства с целью оптимизации параметров отклоняющего механизма и более точной оценки возможностей управляемых пневмопробойников различного типоразмера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Потапенко А. Особенности горизонтального бурения [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tehsovet.ru /агйс1е-2012-12-3-1468
2. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий. / М.: Пресс Бюро № 1. - 2005.
3. Суднишников Б.В., Костылев А.Д., Тупицин К.К. Пневмопробойники в строительстве и горном деле. // ФТПРПИ. - 1970. - № 2, С. 44 - 49.
4. Костылев А.Д. Опыт создания управляемых пневмопробойников // ФТПРПИ. - 1996. - № 6, С. 77 - 82.
5. Пневмопробойники. / Под ред. К.С. Гурков, В.В. Климашко, А.Д. Костылев и др. -Новосибирск: Институт горного дела СО АН СССР. - 1990.
© Б. Б. Данилов, Д. О. Чещин, 2015
