В строительном производстве буровые работы выполняют при геологических изысканиях, при установке опор средств связи и контактной сети, при взрывных работах, при сооружении свайных фундаментов (набивные сваи), при горизонтальной проходке и последующей прокладке коммуникаций и т. д. Бурение заключается в образовании в грунте цилиндрических скважин 75мм. Процесс бурения состоит из разрушения породы на дне скважины (шпура) и извлечения этой породы.
Оборудование, применяемое для бурения, зависит от физических свойств грунта, в котором производится бурение, а также от размеров требуемых скважин, их диаметра и глубины.
Бурение осуществляют механическим и физическим способами.
Бурение механическим способом является наиболее распространенным, оно разделяется на: вращательное сплошным забоем, вращательное кольцевым забоем, ударное бурение, виброударное бурение.
Бурение физическим способом осуществляется разными методами: внедряется термический метод, другие методы — электрогидравлический, взрывной пока находятся в стадии экспериментирования.
При вращательном бурении разрушение породы на дне скважины происходит под воздействием осевого и окружного усилий, приложенных к режущим (дробящим) зубцам рабочего инструмента.
При вращательном шарошечном бурении твердая порода разрушается зубцами шарошек, вращающихся вокруг собственной оси и перекатываемых по дну забоя вокруг вертикальной оси штанги при одновременном осевом давлении на штангу.
При ударном бурении (ударно-канатном) порода разрушается ударами по забою тяжелого инструмента — бурового долота. После каждого удара долота оно поворачивается на некоторый угол относительно своей оси и, снова ударяя по забою, разрушает породу равномерно по всей его площади. Ударное бурение применяет в основном в скальных грунтах.
При виброударном бурении разрушение грунта происходит под воздействием большого числа ударов трубчатого бура, связанного с вибратором.
Огневое бурение заключается в разрушении породы струями газа высокой температуры, выходящими из сопел горелки со сверхзвуковой скоростью. Разрушенный грунт из скважины извлекается непрерывно винтовой поверхностью шнека, водяной струей, сжатым воздухом, отходящими газами или периодически при извлечении на поверхность бурового снаряда.
§ 97. Машины для бурения шпуров и скважин
Буровые машины для образования шпуров в мерзлых грунтах при рыхлении их взрывным способом изготовляются на базе колесных или гусеничных тракторов. Рабочим органом этих машин является составной винтовой бур (шнек) с резцами из твердых сплавов на торце. При вращении бурового инструмента происходит разрушение породы по дну шпура с одновременным его извлечением на поверхность. Привод рабочего инструмента осуществляется гидромоторами, электродвигателями или механической передачей от вала отбора мощности. Основными частями машины (рис.194) являются трактор, два винтовых бура И механизм привода рабочего инструмента.
Рис. 194. Буровая машина для образования шпуров в мерзлом грунте
Диаметр шурфов 60 — 100 мм, глубина до 2,5 м.
Буровая машина на базе автомобильного шасси (рис, 195) имеет значительное преимущество перед другим и буровыми машинами благодаря своей маневренно-универсальности. Такого типа машины широко применяют в строительстве, особенно линейном, и сосредоточенных работах. Буровой инструмент на этих машинах приводится или от основного двигателя автомашины или же от дополнительного двигателя, устанавливаемого на раме шасси. Для устойчивости при работе машины оснащаются выносными опорами.
Рис. 195. Буровая машина на шасси автомобиля
Универсальная буровая машина МПМ на базе шасси автомобиля КрАЗ-2НБ обеспечивает бурение скважины диаметром 0,3, 0,4 и 0,65 м, глубиной до 6 м. Скорость проходки составляет от 8 до 10 м в 1 ч. При наличии в грунте определенных твердых включений винтовой бур применяют долотом ударного действия.
Буровая машина БТС-150 (рис. 196) смонтирована на базе гусеничного трактора Т-100 (Т-130). Бурение твердой и скальной породы машина выполняет шарошками, укрепленными на конце буровой штанги. При проходке скважин в мягких и мерзлых грунтах шарошка заменяется штангой-шнеком.
Буровое навесное оборудование на тракторе / состоит Из буровой рамы 4 с двумя гидроцилиндрами 11, верхней 6 и нижней 8 траверсами и ротора 5, приводимого во вращение от вала, отбора мощности трактора через коробку передач 9 и карданный вал 3. Через штангу-вращатель 7 ротор приводит во вращение буровой став 10 с частотой 60 или 120 мин-1. Верхний конец штанги крепится в опорном подшипнике.
Гидравлическая система, осуществляющая подачу бурового инструмента на забой, состоит из насоса, масло-распределителя, бака и маслопроводов.
Рис. 196. Буровая машина БТС-150 на гусеничном тракторе
Для выравнивания машины в рабочем положении служат гидравлические домкраты 2.
При шнековом бурении применяют буровой снаряд, который состоит из отдельных шнеков, соединяемых муфтами с замковой резьбой; при бурении шарошечным инструментом — из труб с приваренными муфтами с такой же резьбой. В этом случае шлам из скважин удаляется сжатым воздухом, подаваемым в полость штанги вращателя, который охлаждает при этом рабочий инструмент. Расход сжатого воздуха составляет 5 — 9 м3/мин.
Машины ударно-канатного бурения. При ударно-канатном бурении скважин для взрывных работ в карьерах с твердыми горными породами (рис. 197) применяют буровой снаряд, состоящий (рис. 197, а) из долота /, ударной штанги 2 и канатного замка 3, подвешенного на канате 4, переброшенном через головной канатный блок 5 мачты 12 станка. Канат огибает снизу оттяжной канатный блок 7 балансира 6 станка и, проходя через вспомогательный блок 8, наматывается на инструментальный барабан 11.
При вращении ударного вала приходит в движение кривошип 10, который через шатун 9 сообщает колебательное движение балансиру 6 и блоку 7. При нижнем положении оттяжного блока 7 буровой снаряд в скважине поднимается над забоем, при достижении верхнего положения он быстро падает в скважину, внедряется в горную породу и разрушает ее. По мере углубления скважины канат с инструментального барабана свивают на необходимую величину.
Рис. 197. Машина ударно-канатного бурения
а — схема механизма; б — общий вид машины
Круглая форма сечения скважины получается за счет поворота долота во время его подъема над забоем. Поворот долота происходит в канатном замке благодаря свойству стальных канатов раскручиваться под нагрузкой и вновь скручиваться как только нагрузка исчезает. Для обеспечения свободного падения бурового снаряда на забой подъем оттяжного ролика 7 балансира станка происходит быстрее, чем его опускание. Это достигается соответствующим расположением оси вращения кривошипами по отношению к балансиру станка.
Производительность бурения зависит от массы бурового инструмента; высоты его подъема над забоем и скорости падения; формы и качества заправки лезвия долота; крепости и абразивности пород; числа ударов долота о забой в единицу времени; количества шлама в забое.
При бурении пород средней твердости и вязких применяют долота с однодолотчатой головкой. Долота с крестовой головкой применяют при бурении твердых трещиноватых пород и валунно-галечных отложений. Высота подъема долота при бурении скважин обычно 0,9 — 1,1 м, число ударов 50 — 60 в 1 мин.
Показанный на рис. 197, б буровой станок состоит из следующих основных сборочных единиц: главного вала 18, который передает вращение от электродвигателя всем рабочим механизмам; инструментального барабана 13, служащего для подъема и опускания бурового снаряда; ударного механизма 14, 16, преобразующего вращательное движение кривошипного вала в возвратно-поступательное движение бурового снаряда; желоночного барабана 17, предназначенного для подъема и спуска желонки при чистке скважины и для опускания и подъема обсадных труб; станины с установленными на ней механизмами; мачты 15 и ходового оборудования 19. При работе станок опирается на домкраты.
Ударно-канатные станки имеют невысокие показатели, однако они все еще находят применение при бурении скважин в скальном грунте.
Для устройства скважин под набивные сваи большого диаметра 600 — 1200 мм применяют навесное оборудование СО-600 и СО-1200 на одноковшовом экскаваторе (рис. 198).
Основными видами бурового инструмента являются винтовой бур, ударно-поворотное долото и шарошечное долото. Винтовой бур (рис. 199,а) представляет собой буровую штангу / с наваренной на ней винтовой спиралью 2, нижняя кромка которой, имеющая контакт с забоем, оснащена зубками 3. Торец штанги заправлен под перо 4. Ударно-поворотное долото (рис. 199, б) представляет собой массивный цилиндрический стержень 6 с внутренним каналом для прохода воды или воздуха. Па торце стержня размещена рабочая часть долота 5 или одноперая или крестообразная (для трещиноватых пород). Рабочую часть долота изготовляют из легированной стали.
Шарошечное долото (рис. 199, в) состоит из корпуса 7 с тремя лапами 8, в которых вделаны цапфы с роликовыми опорами 9. На цапфах насажены конические шарошки 10, удерживаемые против смещения на цапфе штифтами 11.
Рис. 199. Основные виды бурового инструмента
а — винтовой бур; б — ударно-поворотное долото; в — шарошечное долото
Шарошки делаются цельными из одного куска легированной стали с фрезерованием зубков или из поделочной стали с вставками зубков из твердого сплава.