Выбор рациональных геометрических параметров головного снаряда при направленной проходке скважин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СЕМИНАР 20

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001 МОСКВА,яМГТУ,я29яянваряя-я2 я—е враляя2001яг.

© В.В. Ленченко, Е.А. Меньшенина, С.Е. Меньшенин, 2001

УЛК 622.243.2

В.В. Ленченко, Е.А. Меньшенина, С.Е. Меньшенин ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОЛОВНОГО СНАРЯЛА ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ ПРОХОЛКЕ СКВАЖИН

Недостатком известных наконечников для проходки скважин способом статического ^прокола является невозможность обеспечить плавность искривления скважины в процессе управления ее проходкой путем переориентации носовой части относительно оси скважины, за счет большой площади поверхности контакта образующих наконечника с проходимым грунтом. Проведенные исследования показали, что управляемость головного снаряда зависит от соотношения сил сопротивления грунта уплотнению, действующих на противолежащие поверхности трения внедряемого конуса. Силы сопротивления, в свою очередь, прямо пропорциональны эксцентриситету - величине отклонения оси наконечника от оси головного снаряда грунтопрокалывающего устройства (ГСГУ).

Предлагается выполнить наконечник с переменным сечением для направленной проходки скважин в виде тела вращения с круглым основанием и гиперболической образующей, причем максимальный радиус тела вращения не совпадает с основанием (основа-ние меньше максимального радиуса). Такая форма обеспечивает снижение трения наконечника о стенки скважины при управлении.

Схемы взаимодействия наконечника с грунтом показаны на рис. 1. При расположении наконечника соосно с осью разрабатываемой скважины нижняя поверхность контакта с грунтом РБ и верхняя РО одинаковы (рис. 1, положение 1), но при переориентации наконечника в скважине (отклоне-нии его оси от оси скважины) (рис. 1, положение 2) и дальнейшем продвижении (разработке скважины) происходит некоторое увеличение ее диаметра. Верхняя поверхность контакта наконечника с грунтом ЕГ становится больше, чем нижняя поверхность контакта - КГ (рис. 1, положение 3), силы сопротивления грунта по верхней и нижней части наконечника будут раз-

Рис. 1. Схемы взаимодействия наконечника с грунтом при проходке скважин

личны, и даже при незначительном отклонении оси наконечника от оси проходки происходит искривление скважины при меньших величинах требуемых осевых усилий.

Проведенные расчеты по определению объемов вытесненного и уплотненного грунта при внедрении наконечников с различным эксцентриситетом, а также экспериментальные замеры необходимого для этого осевого усилия подтверждают правильность выбранного технического решения.

Суть эксперимента заключалась в следующем. В грунт с известными физико-механическими свойствами производилось внедрение наконечников, геометрические параметры которых были заранее определены. По ходу внедрения наконечника через каждый сантиметр проходки (шаг внедрения) производился замер необходимого осевого усилия. Контроль шага внедрения и показаний манометра осуществлялся при помощи видеосъемки. Перед внедрением наконечнику задавалось некоторое значение эксцентриситета, или угла отклонения оси наконечника от оси става - Д. Шаг из-

положение 1

положение 2

положение 3

Рис. 3. График зависимости отношения объемов вытесненного и уплотненного грунта с разных сторон конуса от величины эксцентриситета при внедрении наконечника:

1 - зависимость, построенная по результатам внедрения наконечника, имеющего форму прямого круглого конуса; 2 - зависимость, построенная по результатам внедрения нового наконечника, с гиперболической боковой поверхностью

V / V

Величина эксцентриситета, град

менения вк в эксперименте принимался равным 1 ° в диапазоне от 0° до 10° В эксперименте зовались две формы наконечников одинаковой длины - 100 мм. Схема внедрения наконечников в грунт представлена на рис. 2. Проведенные расты показали,

Рис. 2. Внедрение наконечников различной формы в грунт

что для предлагаемого наконечника отношение объемов уплотненного и вытесненного грунта противоположными сторонами конуса в плоскости действия эксцентриситета будет значительно выше, чем у аналогичных наконечников, имеющих форму прямого круглого конуса при тех же значениях эксцентриситета.

В ходе эксперимента производился замер осевого усилия, полученные значения которого оказались сопоставимы с результатами расчетов объема вытесненного грунта. График зависимости отношения объемов вытесненного и уплотненного грунта с разных сторон конуса от величины эксцентриситета при внедрении наконечников представлен на рис. 3.

Следовательно, отношение сил сопротивления грунта внедрению на боковых противоположных поверхностях предлагаемого наконечника выше, по сравнению с применяемыми ранее конусами. Таким образом, при незначительном отклонении оси наконечника от оси проходки будет происходить целенаправленное изменение положения оси скважины, что улучшает управляемость головного снаряда.

дним из основных направлений совершенствования конструкций и технических средств для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций является разработка средств направленного прокола скважин и изменения (корректировки) траектории движения исполнительного органа с целью выхода его в заданную точку пространства. Исследования методов управления движением буровых ставов, выполненные в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ), показали перспективность применения управляемых буровых снарядов с изменяемой геометрией рабочей части, испыта-

© В.В. Ленченко, С.Е. Меньшенин, 2001

УАК 622.243.2

В.В. Ленченко, С.Е. Меньшенин

РАСЧЕТ ТРАЕКТОРИИ АВИЖЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯАА ПРИ ПРОКАЛЫВАНИИ ГРУНТОВ

О

ния опытных образцов которых подтвердили возможность создания значительного разворачивающего момента на инструменте и изменения оси скважины в заданной плоскости.

Существенное отличие управляемого прокола от известных систем направленного бурения скважин, разработанных для вращающих буровых снарядов, заключается в том, что при продавли-вании происходит уплотнение грунта, которое препятствует перемещению снаряда, а высокая податливость грунта от действия рабочих нагрузок приводит к вдавливанию бурового става в грунт, т.е. изменению заданного положения оси скважины.

Таким образом, траектория перемещения головного снаряда в податливом грунте зависит не только от геометрических параметров инструмента, но, в значительной мере, от физико - механических и структурных свойств грунта (состава, плотности, водонасыщения и т. п.), существенно влияющих на сопротивление вдавливанию, сжимаемость, контактную сопротивляемость сдвигу [1], а также от жесткости става, головного снаряда и осевого усилия, развиваемого податчиком установки.

Исходя из специфики прокола, буровой став можно рассматривать как длинную балку на упругом основании, нагруженную сосредоточенной силой на конце балки (рис. 1). В этом случае балка длиной Ь представлена тремя участками: 11 - на котором отсутствует упругий контакт с грунтом и прогиб става; 12 - участок упругих деформаций балки от действия отклоняющей силы Ру 13 - участок, на котором влияет только распределенная сила от собственного веса става (может быть бесконечной).

В соответствии со схемой, траектория перемещения конца балки от воздействия отклоняющего усилия определяется упругими деформациями става на участке 12.

Полагая, что став может вдавливаться в грунт до половины диаметра С/2, смещение оси става составит С /2, где С - диаметр скважины, а длина участка 11 зависит от угла установки рабочей части снаряда ^//(рис. 2):

d

2tg/

Величина отклоняющего усилия на головном снаряде Ру определяется из условия равновесия сил реакций на конусе с углом при вершине у и основанием диаметром ё установленном под углом / к оси скважины, от действия осевого усилия Рос (рис. 3).

Силы сопротивления грунта вдавливанию асимметрично установленного конуса на поверхностях контакта инструмента и породы пропорциональны объему сжатия грунта, поэтому при перемещении инструмента на АХ создается отклоняющее усилие, за счет разности сил Р1 и Р2.

Е«=1

В

> =1,5

хм

Рис. 1. Расчетная схема и эпюра прогиба става

и

Рис. 2. Смещение оси скважины при повороте головного снаряда

УІ

I---

Рис. 3. Равновесие сил сопротивления на рабочей части головного снаряда

Величина усилий от воздействия осевого усилия Рос по осям Xi, Yi [2, с. 180].

PX1 = Poc c°S^ ,

= Pxt8^^~~ tg 2

отклоняющее усилие, нормальное оси скважины,

2 . 1 - Poc . „ 1

PY = Рое cos /tg/---------, или PY = -ое-sin2/

2

Учитывая, что величина осевого усилия пропорциональна сопротивлению вдавливанию грунта, которое может определяться методами зондирования (СниП 11-15-74), отклоняющее усилие зависит от характеристик и свойств грунта, геометрии рабочей части и угла установки инструмента.

Для инструментов - тел вращения с параболической или произвольной образующей расчет отклоняющего усилия производится по частям с последующим суммированием. Для этого образующая разбивается на п участков с постоянной конусностью у, соответствующих изменению радиуса инструмента от г до г+1, тогда

Рис. 4. Схема к расчету радиуса поворота става

Р _n І

PY = —2 sin 2/Z (гг2 - Г+1)------------------------------

2г 2

і=І

Величина деформаций става на участке 12 в любом сечении х может быть определена как прогиб балки у в этом сечении.

Уравнение изогнутой оси балки на упругом основании по Шведлеру [3, с. 23] имеет вид

у = (Лувф + Був_^)со8^ + (Схеф + Був_ф^іпф ,

где А1, В1, С1, Э1 - постоянные интегрирования; ф

- условная ордината точки х на балке; ф = хт , где

т - коэффициент жесткости балки.

Величина коэффициента жесткости балки зависит от коэффициента податливости грунта к, ширины балки, которая при условии возможного вдавливания става в грунт может быть принята равной диаметру става ё1, модуля упругой податливости материала Е и момента инерции I бурового става:

- = 41

Мі

4E7

Коэффициент податливости грунта зависимт от типа грунта [3, с. 27]:

Грунт малой плотности ■ Грунт средней плотности Грунт плотный Грунт весьма плотный

- k=(0J - 0,5) І04 кН/м3;

- k=(0,5 - 5,0) І04 кН/м3;

- k=(5,0 - І0) І04 кН/м3;

- k=(!0 - 20) І04 кН/м3.

Момент инерции штанги диаметром С1 с внутренним диаметром С2:

пй4 4 йо

I =—М1 - с ), где с = -±.

64 й1

Для расчета прогиба става от действия отклоняющего усилия применим решение Фрейнда для длинной балки на упругом основании, нагруженной сосредоточенной силой [3, с. 24, 25, 109]. Прогиб упругой линии зависит от величин реакции р на единицу площади контакта става с грунтом и коэффициента податливости грунта к : р Рут РуШ „ „

У = ~Т , Р = -У~2Eр, иёи У = -ТГ2EP, к й1 кй1

где Ер- функция Фрейнда [3, с. 335].

Эпюра прогиба става в относительных координатах Ер= Др) приведена на рис. 1. Учитывая, что величина максимального прогиба конца става незначительна в сравнении с длиной участка става 12, можно принять эпюру прогиба линейной, что существенно упрощает расчеты и дает возможность определить параметры участка изгиба става 12 по характерным точкам эпюры. Максимальный прогиб става в начале участка 12 в точке А (х = 0, Ер= 1)

2Рут

Уо =~мГ ;

длина деформируемого участка става 12 определяется по координате точки В (р= 1,5; Ер= 0)

1 = = 1,5 ;

12 Х0 ;

т

угол отклонения конца става

а0 = аг;

lo =

длина начального хода става

xo , 1,5

или

cos ao

lo =

m cos(aretgao)

Таким образом, параметры отклонения оси скважины от воздействия сосредоточенной нормальной силы ( x0 , y0 , 10 , а0 ) зависят от свойств грунта и геометрических параметров става и инструмента (головного снаряда).

Траектория движения головного снаряда с асимметричной рабочей частью упрощенно может быть представлена как последовательный ряд отклонений оси става от воздействия нормальной силы PY (рис. 4). В этом случае положение снаряда в плоскости поворота става зависит от величины хода става, кратной 10:

Координаты точки выхода снаряда А ( xi при величине хода става 1x=i10: xi = l0(cosao + cos2a0 + cos3ao +... + cosiao), yi = lo(sinao + sin2ao + sin3ao +... + siniao),

n n

или xi = lo^cosiao , yi = lo^siniao , i=1 i=1

где n — кратность хода (целое число).

Учитывая решение для сумм тригонометрических функций [4, стр. 82], координаты положения головного снаряда:

yi )

sin

nao

x• = l •

лг lo

2

sin

ao

n + І -cos-------ao

sin

nao

уг = lo

2

sin

ao

. n +1 -sin-----------ao

x

o

2

2

2

2

В случае произвольной длины хода става

lx = nlo + lx , координаты положения головного

lx lx

снаряда x = x, + xo , у = у, + ^^Уo .

lo lo

Радиус поворота оси става может быть определен ка координата точки xi из условия nao = 90°, тогда

R = lo—1—sin2 — , или R = 0,5———.

o ao 4 ao

sin^- sin—-

22

Таким образом, головные снаряды с изменяе мой геометрией рабочей части обеспечивают от клонение оси скважины по радиусу, величина ко торого зависит от свойств грунта, жесткости ста^ ва, диаметра скважины, геометрии и угла откло нения инструмента.

1. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). Учебник для строит. вузов. - М.: Высшая школа, 1983.

2. Сафохин М.С, Катвнов Б.А., Тарасенко В.Е, Алейников

А.А. Машины и инструмент для бурения скважин в угольных шахтах. - М.: Недра, 1973.

3. Корневищ Э.Ф., Эндер Г.В. Формула для расчета балок на

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

упругом основании. - Л.: Гос-стройиздат, 1932.

4. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. - М.: Наука, 1973.

© В.В. Ленченko, ЕЛ. Меньшенина, С.Е. Мєньшєнин, 2GG1

УАК 622.243.2

В.В. Ленченko, ЕЛ. Мeньшeнина, С.Е. Мєньшє-

нин

СИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ВНЕЛРЕНИЯ ГОЛОВНОГО СНАРЯЛА ПРИ СТАТИЧЕСКОМ ПРОКОЛЕ

С

уществует частичная аналогия между процессами резания мерзлого грунта и динамическим внедрением клиновидного рабочего органа, которая подтверждается образованием тел скольжения [1]. При внедрении в мерзлый грунт перед рабочим органом образуется стабильное уплотненное ядро (тело повышенной прочности и плотности). Хотя средняя плотность ядра приблизительно равна плотности грунта при гидростатическом взвешивании, распределение ее по высоте неравномерное, о чем свидетельствуют разные скорости распространения упругой продольной волны при ультразвуковом прозвучивании ядра [2,3]. Работа, затрачиваемая на создание уплотненного ядра, пропорциональна его объему [4]. Уплотненное ядро образуется как на поверхности клина, обра-

щенной к открытой стороне забоя, так и на противоположной поверхности. Отличие состоит в том, что при первом ударе грунт оказывает наибольшее сопротивление внедрению клина, при последующих ударах - сопротивление снижается, особенно интенсивно при малом удалении клина от забоя [5].

Изучению процесса образования уплотненного ядра под различными штампами посвящена работа [6]. Характер распределения эпюр давления на подошве круглого штампа не зависит ни от глубины погружения штампа, ни от скорости его перемещения (от 0,1 до 4,5 м /с) и отличается по форме распределения: параболическая (несвязные грунты) и седлообразная (связные грунты). Уплотненное ядро образуется не только под подошвой штампа, но и на боковых его поверхностях. Известно [7, 8], что статическая характеристика материалов при внедрении в них угловых штампов практически не отличается от динамической при скоростях до 30 м /с.

Проведенные исследования показали, что действие сил сопротивления грунта внедрению зависит от длины боковой поверхности внедряемого наконечника (поверхности контакта ядра уплотнения с наконечником). При внедрении наконеч-

ника с некоторым эксцентриситетом противоположные поверхности контакта в плоскости отклонения наконечника различны по длине, определяемой зависимостью (рис. 1): Рис. 1. Расчетная схема для определения объема вытесненного и уплотненного грунта при внедрении конуса с некоторым эксцентри-ситетом

и =-

жоні

Рис. 2. График зависимости осевого усилия Рос и объема вытесненного и уплотненного грунта а ,Лри внедрении

00^К2 ±51ПксКОа^вкекоторым у ' 2 эксцентрисиУетом от

глубины внедрения ■Н

$таъ

2в

•К* сти, действующий Ун?

где Кк

1 + С08

радиус конуса,

сти, действующий У\ поверхности ВЭ внедряемого конуса; 2 -график зависимости, действующий на поверхности ВС внедряемого конуса

внедряемого в грунт, в плоскости, перпендикулярной его оси вращения при шаге продвижки I, мм; Ц - длина поверхности контакта при этом же шаге продвижки I, мм; вк - угол отклонения оси вращения конуса относительно перпендикуляра к плоскости грунта, град.; а к - угол при вершине внедряемого конуса, град.

Таким образом, даже при небольшом значении эксцентриситета создаются условия для искривления скважины, степень которого зависит от соотношения длин поверхностей контакта противолежащих сторон внедряемого наконечника в плоскости проявления эксцентриситета.

Отношение осевого усилия Рос, необходимого для внедрения конуса в грунт, к объему вытесненного при этом грунта ^Тр представляет собой линейную зависимость для каждого типоразмера наконечников и изменяется в зависимости от угла аконуса при вершине конуса и площади основания конуса 5коН (рис. 2).

Для получения зависимости осевого усилия от геометрических параметров внедряемых наконеч-

ников и физико-механических свойств проходимых грунтов был проведен эксперимент, сущность которого состояла в следующем.

В грунт с известными физико-механическими свойствами производилось внедрение наконечников, имеющих различные геометрические параметры, но одинаковую высоту Н, равную 90 мм. При этом производился замер осевого усилия Рос при внедрении наконечников на контрольную глубину, равную его удвоенной длине (180 мм). Внедрение производилось в грунт с естественной степенью уплотнения, после снятия его верхней, неуплотненной части.

Быстрый рост осевого усилия Рос при проходке скважины наблюдается в начальной стадии внедрения при глубине внедрения на величину, равную 2Н, что объясняется формированием ядра уплотнения.

Ориентировочное значение осевого усилия для условий проходки скважин методом статического прокола [9]:

п?скв°упл Тг

ос =---+ Чт Ш ,

и о

где Кскв - радиус сечения скважины, см; Зупл - коэффициент сопротивления грунта уплотнению, Мпа; иО - пористость грунта до прокалывания, щт - масса 1 метра прокладываемого става, кг; Ц -длина проходки, м; Д- коэффициент трения стали о грунт.

Согласно приведенной зависимости, осевое усилие линейно зависит от длины проходки скважины, так как не учтен процесс формирования ядра уплотнения.

Полученные экспериментально данные доказывают, что Рос находится в прямой зависимости от объема вытесненного и уплотненного грунта и площади боковой поверхности конуса, поверхности трения <5бок или диаметра головного снаряда - О

грРгр10^8 + ^боК^упл?, [^

- объем уплотненного и вытесненного грунта, мм3; ргр - плотность проходимого грунта, г/см3; д - ускорение свободного падения, м/с2; 5бок - площадь боковой поверхности конуса, поверхность трения, мм2; Д - коэффициент трения стали о грунт; Зупл - коэффициент сопротивления грунта уплотнению, МПа.

Объем суммарного уплотненного и вытесненного грунта Угр при проходке скважины на глубину 2Н:

4 2 3

^ = -л?2квН , [мм3],

Рос =У:

где

Угр

гр

где Яскв - радиус скважины, равный диаметру основания наконечника - О, мм.

Площадь боковой поверхности внедряемого конуса:

е =

°бок

пНБ , [мм3]

2со8а

2

Окончательный вид уравнения для определения Рос:

Р = Є Н

1 ос °осн11

^10°+2-

(2)

где §,сн - площадь основания внедряемого конуса или площадь поперечного сечения скважины, мм2.

Таким образом, осевое усилие внедрения конуса в грунт пропорционально сумме веса вытесненного грунта и сопротивления среды внедрению за счет уплотнения с учетом потерь на трение.

Расхождения действительных и расчетных значения Рос колеблются в пределах 15-20 %, что находится в пределах допустимой погрешности эксперимента. Зависимость Рос = ДН) (после углубления скважины более 2Н) является прямолинейной, с небольшой степенью роста осевого усилия по сравнению с длиной проходки скважины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3

1. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. - М.: Машиностроение, 1968.

2. Цытович Н.А. Основы механики грунтов. - Ленинград, Москва: Главная редакция строительной литературы, ОНТИ, 1934. - 307 с.

3. Петухов П.З, Гурин М, Киселев Б.Н. Выбор рациональных параметров клина для разрушения мерзлоты / Строительные и дорожные машины, 1967.

4. Музгин С.С. К теории разрушения мерзлых грунтов /

Труды Института горного дела АН Каз. ССР, 1957.

5. Ващук И.М., Аранзон М.И. Сопротивление мерзлых грунтов динамическому внедрению клиновидного рабочего органа / Труды ВНИИСтройдормаш. № 65.

- М.: 1974.

6. Киселев Б.Н. Некоторые закономерности статического внедрения клина в мерзлый грунт / Труды Уральского политехнического института. Вып. 128. -Свердловск: 1963.

7. Захаров В.А., Ващук И.М., Аранзон М.И. Аналитическое исследование процесса внедрения

клиновидного рабочего органа ударных машин в мерзлый грунт / Тр. ВНИИСтройдормаш. Вып. 71. - М.: 1976.

8. Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.В, Федосов А.А. Инженерные методы исследования ударных процессов. - М.: Машиностроение, 1977.

9. Руководство по проходке горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций / ЦНИИ-ОМТП Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1982. - 96 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ленченко В.В, Е.А. Меньшенина, С.Е. Меньшенин - Шахтинский институт филиал Южнороссийского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).