Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 9
1.1. Способы и механизмы для проходки горизонтальных скважин в грунтах 9
1.1.1. Классификация способов проходки скважин для прокладки подземных коммуникаций 10
1.1.2. Бурение 13
1.1.3. Прокалывание 15
1.1.4. Продавливание 18
1.1.5. Комбинированный способ проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта 20
1 1.6. Устройства для экскавации грунта из скважин 23
1.2. Обзор исследований основных закономерностей деформации грунтов рабочими органами статического и ударного действия 27
1.2.1. Взаимодействие с грунтом различных тел внедрения 28
1.2.2. Резание грунта 23
1.2.3. Точность движения в грунтовых массивах самоходных пневмоударных устройств 34
2. Выбор и обоснование комбинированного способа проходки скважин и средств его реализации 38
2.1. Принципиальная технологическая схема способа проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта 38
2.2. Оборудование для проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта 41
Выводы 50
3. Условия и методика экспериментальных исследований 51
3.1. Оборудование для лабораторных исследований 51
3.1.1. Модель грунтопроходчика 52
3.1.2. Моделирование грунта 60
3.2. Постановка экспериментов по проходке скважин комбинированным способом 63
3.3. Обработка результатов экспериментов 67
Выводы 68
4. Результаты экспериментальных исследований 69
4.1. Скорость перемещения забоя грунтопроходчиком 69
4.2. Выемка грунта из скважины 75
4.3. Точность проходки скважин 80
5. Обоснование основных параметров, разработка и полевые испытания опытного образца грунтопроходческого комплекса 90
5.1. Методика упрощенного расчета 90
5.2. Конструкция оборудования для проходки скважин комбинированным способом 101
5.3. Условия проведения и результаты полевых испытаний 107
Выводы 112
Заключение 113
Список литературы 115
- Классификация способов проходки скважин для прокладки подземных коммуникаций
- Обзор исследований основных закономерностей деформации грунтов рабочими органами статического и ударного действия
- Оборудование для проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта
- Постановка экспериментов по проходке скважин комбинированным способом
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из этапов строительного цикла при возведении новых и реконструкции существующих промышленных и гражданских сооружений является прокладка инженерных коммуникаций различного назначения. Указанные работы выполняются двумя основными методами: открытым и закрытым ( бестраншейным ). Первый сопровождается большими объемами трудоемких земляных работ и требует значительных издержек на последующее восстановление транспортных магистралей, зеленых и благоустроенных зон. Закрытый метод позволяет проводить работы без нарушения поверхностного слоя грунта, что приводит к снижению трудовых и материальных затрат, сокращению сроков строительства. Поэтому бестраншейные технологии прокладки подземных коммуникаций находят все более широкое распространение в строительстве и в развитых странах становятся преобладающими.
В настоящее время при устройстве подземных переходов широко применяют пластиковые, керамические, асбоцементные и другие неметаллические трубы, которые обычно используются в качестве рабочих, а при необходимости и в качестве обсадных. В последнем случае труба выполняет только защитную функцию, предотвращая разрушение скважины при долговременной эксплуатации. Современные зарубежные буровые установки позволяют полностью отказаться от металлических обсадных и рабочих труб. Однако выбуривание грунта по всему сечению скважины, а так же необходимость обеспечения циркуляции и регенерации бурового раствора предопределяют высокие энергозатраты, сложность и дороговизну комплексов. Кроме того, гидравлический принцип поддержания временной устойчивости стенок скважины резко усложняет проведение работ при низких температурах.
В мировой практике подземного строительства при сооружении переходов длиной до 40 м и диаметром 40...250 мм значительные объемы работ выполняются с использованием пневмоударной техники, представленной в основном пнев-мопробойниками. Многолетний опыт их эксплуатации показывает, что скважины,
полученные путем уплотнения грунтового массива, не разрушаются длительное время, в некоторых случаях - несколько лет. Это позволяет укладывать рабочую и обсадную трубы после завершения проходческих работ. Однако процесс уплотнения грунта характеризуется значительной величиной деформации массива, поэтому таким способом получают скважины диаметром не более 300 мм.
Наличие отмеченных ограничений делает актуальным создание более простых и надежных устройств, позволяющих осуществлять в уплотняемых грунтах эффективную проходку скважин диаметром 300...600 мм, применять трубы из любого материала, исключить из технологии использование буровых закрепительных растворов.
Целью работы является обоснование принципиальной схемы и создание оборудования для реализации комбинированного способа проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.
Идея работы заключается в оснащении пневмоударного механизма кольцевым рабочим органом для разделения грунта на уплотняемую и извлекаемую части и соединении его с тяговым устройством посредством гибкой связи, направление которой ориентировано по проектной оси перехода.
Задачи исследований:
Выбор и обоснование варианта комбинированного способа проходки скважин и средств его реализации.
Выявление характерных особенностей управляемой проходки скважин в связных уплотняемых грунтах предлагаемыми техническими средствами.
Определение влияния основных конструктивных и технологических параметров на процесс взаимодействия грунтопроходчика с грунтовым массивом.
Методы исследований - стендовые эксперименты на физической модели устройства, анализ экспериментального материала, полевые испытания опытного образца грунтопроходческого комплекса.
Основные научные положения, защищаемые автором:
Предложен вариант комбинированного способа проходки с перепуском грунта, осуществляемый грунтопроходчиком, имеющим соосно установленный в средней части пневмоударного механизма кольцевой рабочий орган и соединенным по проектному направлению скважины гибкой связью с тяговым устройством двустороннего действия.
При недопустимом отклонении пионерной скважины от заданной трассы перехода необходимая коррекция профиля скважины достигается смещением ее оси путем образования нового прямолинейного связующего канала прорезанием грунта гибким органом с режущими элементами.
Внедрение грунтопроходчика за один цикл проходки сопровождается уменьшением объема извлекаемой части грунта, снижением скорости продвижения забоя, которая становится постоянной по достижению отношения величины перемещения к длине рабочего органа равного двум, а с дальнейшим его ростом до трех при извлечении устройства из скважины возникает анкерный эффект.
Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений подтверждена необходимым объемом экспериментальных исследований на физической модели, сопоставимостью полученных результатов с данными испытаний натурного образца.
Новизна научных положений:
Предложен вариант реализации комбинированного способа проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта, защищенный патентом РФ; на его основе разработана принципиальная технологическая схема управляемой проходки скважин; определены конструктивные особенности проходческих установок.
Применительно к решению задачи управления траекторией движения грунтопроходчика исследовано резание грунта гибким режущим органом, найдено его исполнение, выявлена степень влияния силы предварительного натяжения инструмента и угла его охвата разрезаемого грунтового блока на основные показатели процесса.
3. Получены зависимости изменения скорости перемещения грунтопроходчика в процессе разработки забойной зоны для исследуемого диапазона частоты работы его ударного привода, установлены соотношения между уплотняемой и извлекаемой частью грунта для различных технологических режимов проходки.
Личный вклад автора заключается: в разработке технологической схемы управляемой проходки скважин комбинированным способом и проектировании отдельных функциональных узлов комплекта оборудования; в постановке и проведении стендовых экспериментов по исследованию взаимодействия грунтопроходчика с грунтовым массивом; в обработке экспериментальных данных и их интерпретации; в полевых испытаниях опытного образца грунтопроходческого комплекса.
Практическая ценность. Предложен вариант управляемой проходки скважин комбинированным способом. Экспериментальным путем получены данные, необходимые для проектирования грунтопроходчика. Создан опытный образец грунтопроходческого комплекса.
Реализация работы в промышленности. Часть полевых испытаний опытного образца грунтопроходческого комплекса проводилась на объектах ООО "Сибкомстрой", г. Новосибирск. Пройдено около 200 м промышленных скважин различного назначения диаметром 325...426 мм.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на международных конференциях "Современные проблемы машиностроения и приборостроения" ( Томск, 2002 ), "Динамика и прочность горных машин" ( Новосибирск, 2003 ); обсуждались и получили одобрение на семинарах лаборатории "Механизации горных работ" ИГД СО РАН.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, включая 2 патента РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Содержит 124 страницы машинописного текста, включая 39 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 115 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ИГД СО РАН к.т.н. В. В. Червову, вед. инж. В. В. Трубицину, вед. инж. И. П. Леонову, вед. инж. О. М. Даниловой, к.т.н. Д. С. Воронцову, техническим работникам И. Э. Веберу, А. Н. Щеглову за ценные советы, практическую помощь по созданию необходимого экспериментального оборудования, содействие в организации и проведении полевых испытаний, методическую помощь по оформлению и редактированию материалов диссертации, а так же всем сотрудникам лаборатории «Механизации горных работ» за оказанную всестороннюю поддержку.
Классификация способов проходки скважин для прокладки подземных коммуникаций
Известно несколько классификаций способов и устройств для бестраншейной прокладки коммуникаций [ 4 - 12 ], отражающих многообразие методов проходки скважин в грунте и применяемых для этой цели механизмов и устройств. В основу разработанной в ИГД СО РАН классификации ( рисунок 1.1 ) положены пять квалификационных признаков [ 13 ]: 1 - принцип проходки; 2 - принцип осуществления защиты скважины; 3 - принцип получения скважины; 4 - способ проходки; 5 - разновидность способа проходки.
В практике проходок скважин различного технологического назначения их защита от разрушения осуществляется при долговременном использовании скважины или при проходках в слабых и неустойчивых породах. Обычно для этой цели применяют обсадные трубы. Процесс их погружения в технической литературе называется обсадкой [ 14, 15 ].
По принципу проходки способы разбиты на две группы: с лидирующей разработкой грунта или лидирующей обсадкой. При проходках с лидирующей разработкой обсадная труба не испытывает значительных нагрузок, т. к. прокладывается в подготовленное пространство. Можно для защиты скважины использовать не только металлические трубы, но и менее прочные и дефицитные: асбоцементные, керамические, пластмассовые и т. д. Указанное обстоятельство является существенным преимуществом способов с лидирующей разработкой грунта. Вторая группа объединяет способы проходки скважин, при которых обсадная труба является рабочим инструментом и испытывает значительные нагрузки при обсадке.
По принципу осуществления защиты скважины от обрушения способы разбиты также на две группы, при которых проходка скважины и ее защита производятся одновременно (проходка с обсадкой) или неодновременно (безобсадоч-ная проходка). Безобсадочная проходка основана на том, что скважина, образованная посредством уплотнения грунта, может сохраняться, не разрушаясь, довольно значительное время. Это позволяет защитные мероприятия проводить после завершения процесса образования скважины.
По третьему признаку способы разделены на способы проходки без экскавации или с экскавацией грунта из скважины. К первым относятся способы, использующие возможность образования скважины посредством уплотнения грунтового массива, ко вторым - с полной или частичной экскавацией грунта из скважины.
Принцип получения скважин предопределяет четвертый классификационный признак, в соответствии с которым существует два основных способа проведения проходческих работ: бурение и прокалывание.
При бескерновом бурении [ 16 ] забой разрушается по всему сечению скважины (проходка с лидирующей разработкой грунта). При проходках с лидирующей обсадкой разрушение грунта происходит только по внешнему контуру скважины, поэтому бурение относится к колонковому. В технической литературе по устройству подземных переходов бескерновое бурение называют просто бурением, а колонковое бурение - продавливанием [ 17 ]. Рассмотрим способы проходки горизонтальных скважин бурением. Вследствие экскавации грунта и практического отсутствия деформирования грунтового массива, они менее энергоемки, чем прокалывание, поэтому применяются для получения скважин диаметрами свыше 300 мм.
Как ранее отмечалось, бурение относится к методам проходки с лидирующей разработкой грунта [ 5 ]. Этот способ широко используется в мировой практике устройства подземных переходов, т. к. позволяет достигнуть высоких уровней производительности и механизации процессов получения скважин.
По пятому классификационному признаку различают механическое и гидравлическое бурение. Другие разновидности бурения не используются для устройства бестраншейных переходов и поэтому не рассмотрены.
В нашей стране и за рубежом широко применяют механическое вращательное бурение, позволяющее достигнуть скоростей проходки до 25 м/смену. У нас применяют установки УГБ, БГ (табл.1.1) [ 6, 18 - 23 ], за рубежом - "Автобур", "Ричмонд", "WIR" и другие [ 1, 24 - 27 ]. Например, немецкая машиностроительная фирма "Herrenknecht" выпускает 11 типов буровых установок модели "AVN" для получения скважин диаметрами 368...2200 мм [ 28 ]. Принципиально отечественные и зарубежные машины одинаковы: имеют вращательный режущий орган, шнековый транспортер и приводы подачи режущего органа и обсадной трубы. К недостаткам буровых установок следует отнести: значительный вес и размеры оборудования; высокая вероятность поломок транспортера ввиду попадания твердых включений в зазор между шнеком и обсадной трубой [ 29 ]; низкая эффективность работы в водонасыщенных грунтах; возможность проходок только в связных грунтах из-за опасности обрушения надзабойного пространства впереди обсадной трубы; значительные размеры технологического пространства для производства проходческих работ, обусловленное необходимостью размещения оборудования и его обслуживанием. Установки гидравлического бурения горизонтальных скважин основаны на разрушении массива грунта высоконапорными струями жидкости.
Преимущества гидравлического бурения: высокая скорость (15-30 м/смену) проходок и гидротранспорт разрабатываемого грунта. Недостаток - высокая вероятность чрезмерных разрушений массива грунта впереди обсадной трубы, предопределяющая возникновение каверн и обвалов по трассе перехода [ 30, 31 ]. Поэтому способ используется только при устройстве переходов под водными препятствиями [ 5, 6 ].
Способ горизонтального прокола является одним из наиболее простых и давно применяемых. Он характеризуется наличием обширной зоны деформации грунта и, как следствие, значительной энергоемкостью. Зоны значительных деформаций составляют 3-4 диаметра [ 4 ] , а ощутимых - до 30 диаметров скважины [ 32 ] . Радиальные деформации грунта, зависящие от размеров скважины, могут повредить коммуникации, проходящие вблизи проходки, а также послужить причиной выпучивания и разрушения дневной поверхности над трассой перехода. Поэтому таким способом целесообразно проходить скважины диаметром до 300 мм [4,33 ]. В зависимости от применяемых технических средств прокалывание по пятому классификационному признаку подразделяется на статическое, раскатыванием, вибрационное и виброударное. При статическом прокалывании рабочий орган внедряется в грунт за счет приложения к нему постоянного во времени усилия. Реакцию нажимного устройства воспринимает упорная стенка, установленная в рабочем котловане Существует много конструкций установок горизонтального прокола, характеристики некоторых из них приведены в таблице 1.2. [ 34, 35 ] . Серийного производства таких установок в России нет. Большинство установок создавались непосредственно в строительных организациях.
Обзор исследований основных закономерностей деформации грунтов рабочими органами статического и ударного действия
Накопленный опыт по разработке и использованию желонок с приводом от пневмоударного механизма позволил перейти к созданию на их базе грунтораз-рабатывающих устройств для проходки скважин комбинированным способом -грунтопроходчиков. Практическое осуществление комбинированного способа проходки скважин требует изучения следующих процессов: -разработки забоя с разделением грунта на уплотняемую и извлекаемую фракции устройством ударного действия с кольцевым режущим рабочим органом; - экскавации излишков грунта из скважины; - управления траекторией движения грунтопроходчика с целью получения скважины заданного направления. Для обоснования задач исследований целесообразно рассмотреть результаты имеющихся научных работ по обозначенному кругу проблем. Вопросам взаимодействия различных тел внедрения с грунтом посвящены работы Вазетдинова А. С. [ 58 ], Васильева Н. В. [ 59, 60 ], Кершенбаума Н. Я. и Минаева В. И. [ 6 ], Савинова О. А. и Лускина А. Я. [ 61 ], Тернецкого Л. Н. [ 62 ], Баркана Д. Д. [ 63 ], Спектора М. Б. [ 64 ], Блехмана И. И. [ 65 ], Шехтера О. Я. [ 66 ] и других. В ИГД СО РАН процесс взаимодействия пневмопробойников с грунтом изучался Тупицыным К. К. [ 67 ], Чередниковым Е. Н. [ 68 ], Бабаковым В. А. [ 69 ], Ткачем X. Б. [ 70 ], Исаковым А. Л. [ 112 ] и другими. В работе [ 58 ] приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса внедрения в грунт конусообразных и плоских тел под действием статических нагрузок, в [ 6, 61, 62 ] исследованы процессы виброударного внедрения в грунт расширителей, перемещение которых описывается в виде системы дифференциальных уравнений, характеризующих колебание погружаемого в грунт корпуса с ударником.
В указанных работах на основе анализа теоретических и экспериментальных данных приведены расчетные зависимости, позволяющие для статического или виброударного режима внедрения определить усилия, действующие на проникающее тело, и скорость проходки скважин в зависимости от геометрических параметров расширителей и свойств грунта. В работе [ 63 ] установлено, что при ударном погружении расширителей в грунт наблюдаются две зоны деформации: упругая и пластическая. Впервые зафиксирована так называемая пороговая энергия удара, идущая на преодоление упругой деформации грунта. В работах [ 64- 67 ] рассмотрены некоторые вопросы взаимодействия пнев-моударной машины с грунтом и характер его деформации при пробивании скважин. Силы сопротивления грунта, действующие на тело внедрения, представляют собой сумму сил лобового сопротивления R и внешнего трения F. При исследовании процессов погружения сваи, уплотнения, резания и разрушения грунтов большинство авторов принимает, что сила лобового сопротивления R является равнодействующей всех сил, приложенных к заостренной части тела внедрения, а сила внешнего трения F является равнодействующей сил трения, приложенных к его цилиндрической части. На основе экспериментальных данных в работе [ 68 ] получена формула для определения скорости движения пневмопробойника: А0 - величина, зависящая от свойств грунта, размеров корпуса и ряда других факторов. Принятый в работе энергетический подход позволил оценить влияние силы трения, ударной мощности, энергии удара на скорость движения пневмопробойника в грунте. Кроме того, было установлено, что под действием ударных импульсов корпус передвигается в грунте циклично. При движении вперед он расходует приобретенную при соударении с ударником кинетическую энергию на преодоление сил трения и деформацию грунта.
Затем под действием упругих сил грунта он движется в обратном направлении и после некоторой паузы процесс повторяется. Перемещение пробойника вперед превышает перемещение в обратном направлении, а их разность равна перемещению за один цикл. Экспериментально-теоретическому исследованию сил трения расширителя о грунт посвящено значительное число работ: Баркана Д. Д. [ 63 ], Блехмана И. И. [ 65 ], Перлей Е. М. [ 71 ], Преображенской Н. А. [ 72 ], , Шехтера О. Я. [ 66 ] и других. В этих работах основное внимание уделялось определению сил трения тела внедрения о грунт и изучению свойств грунта при вибрационном приложении нагрузки. Исследованию деформаций грунта при его уплотнении телами внедрения посвящены работы Бирюкова А. Л. [ 73 ], Галицкого В. Г. [ 74 ], Лебедева А. Ф. [ 15 ], Рахматулина X. А. [ 76 ] и других авторов. Этими работами установлено, что процесс проходки скважин сопровождается образованием в окружающем грунте уплотненной зоны. Процесс уплотнения характеризуется повышением объемного веса грунта и перераспределением влаги около скважины, а так же зависит от характера действующих нагрузок, размеров тел внедрения и скорости их внедрения, свойств грунта и некоторых других факторов.
Оборудование для проходки скважин с частичным уплотнением и экскавацией грунта
Для реализации описанного способа проходки скважин можно использовать оборудование различной конструкции, содержащее рабочий орган для разрушения грунта в забое, механизм для перемещения устройства и выноса излишков грунта из скважины, систему, обеспечивающую взаимодействие основных функциональных узлов и ориентирование по проектной трассе перехода [ 103 ].
На рисунке 2.2 представлена схема установки для циклической проходки скважин комбинированным способом.
Установка включает пневмоударный механизм 1 с кольцевым рабочим органом 2, которые являются основными функциональными узлами грунторазрабаты-вающего устройства, подаваемого в прокладываемую скважину 3, и силовой тяговый орган двустороннего действия 4, устанавливаемый в рабочем приямке 5. Соединение грунторазрабатывающего устройства и силового тягового органа осуществляется посредством подающего 6 и извлекающего 7 стальных канатов и обводного блока 8, размещенного в выходном приямке 9.
Пневмоударный механизм состоит из корпуса 10 и расположенного внутри ударника 11, который во время работы совершает возвратно-поступательное движение, нанося удар по переднему торцу корпуса и сообщая ему ударный импульс, передаваемый в дальнейшем на рабочий орган грунторазрабатывающего устройства. Кольцевой сменный рабочий орган представляет собой наружную обечайку 12, соединенную посредством ребер 13 с втулкой 14, установленной на корпусе пневмоударного механизма с возможностью вращения и ограниченного продольного перемещения. Сдвиг рабочего органа относительно корпуса пневмоударного механизма ограничивается передним 15 и задним 16 упорами. Длина обечайки и расположение упоров на корпусе пневмоударного механизма должны обеспечивать устойчивость грунторазрабатывающего устройства так, чтобы при горизонтальном положении его центр тяжести проецировался на цилиндрическую поверхность обечайки, независимо от местоположения ударника и рабочего органа. Для формирования стенок скважины передний торец обечайки выполнен в виде уплотняющего конуса 17.
Силовой тяговый орган выполнен в виде двухбарабанной реверсивной лебедки и представляет собой механизм двустороннего действия, имеющий основной 18 и дополнительный 19 барабаны, позволяющие осуществлять как подачу грунторазрабатывающего устройства к забою, так и его извлечение с удаляемой частью грунта из скважины. Режим работы оборудования представляет собой совокупность повторяющихся промежуточных технологических циклов.
Цикл проходки скважины 3 начинают с доставки до забоя грунторазрабатывающего устройства силовым тяговым органом 4 с помощью основного барабана 18 и подающего каната 6. Пневмоударный механизм 1 выключен, а втулка 14 рабочего органа 2 расположена у заднего упора 16. По достижению устройством забойной зоны включают пневмоударный механизм, под действием которого происходит разрушение забоя обечайкой 12 и ребрами 13 рабочего органа. Силовой тяговый орган при этом должен развивать усилие подачи, необходимое для компенсации упругой реакции грунта и силы отдачи пневмоударного механизма. Перемещение грунторазрабатывающего устройства в забое сопровождается предварительным уплотнением грунтового массива оголовком корпуса 10, находящимся впереди рабочего органа и консолидацией части разрушенного грунта по периметру образуемой скважины с помощью уплотняющего конуса 17. Другая часть разрушенного грунта заполняет внутренние полости рабочего органа и перепускается за его пределы. Для дальнейшей экскавации выключают пневмоударный механизм и основной барабан силового тягового органа, ослабляя подающий канат. С помощью дополнительного барабана 19 и извлекающего каната 7 вначале отрывают от забоя пневмоударный механизм, перемещая его относительно неподвижного рабочего органа, а затем, после касания втулкой переднего упора 15, непосредственно и сам кольцевой инструмент. Этим достигается снижение
усилия силового тягового органа, требуемого для отрыва от забоя грунторазраба-тывающего устройства, которое затем извлекается из скважины в рабочий приямок 5 вместе с находящимся в рабочем органе и перепущенным грунтом.
Величина перемещения забоя за цикл проходки зависит от диаметра образуемой скважины, физико-механических свойств грунта и усилия, развиваемого дополнительным барабаном силового тягового органа.
На рисунке 2.3 изображена схема проходческой установки, в состав которой помимо пневмоударного механизма 1 с кольцевым рабочим органом 2, образующих грунторазрабатывающее устройство, и силового тягового органа двустороннего действия 3 входит желонка 4, предназначенная для эвакуации излишков грунта из образуемой скважины 5 в рабочий приямок 6.
Во время работы желонка, представляющая собой полый цилиндрический стакан 7 с фланцем 8 перемещается к находящемуся в забое грунторазрабаты-вающему устройству подающим канатом 9, запасованным через имеющийся на ней подвижный блок 10 и обводной блок 11, установленный в выходном приямке 12. При этом передняя кромка стакана входит в кольцевую проточку, выполненную на заднем торце обечайки 13 рабочего органа. Далее включают пневмоудар-ный механизм. Благодаря усилию подачи, развиваемому силовым тяговым органом, желонка начинает двигаться совместно с перемещающимся в забое грунто-разрабатывающим устройством, наполняясь грунтом, перепущенным через внутренние полости рабочего органа. После заполнения всей емкости выключают пневмоударный механизм и ослабляют подающий канат. Желонку с грунтом удаляют из скважины извлекающим канатом 14 для дальнейшей разгрузки.
В случае возникновения аварийной ситуации ( например, встреча с непреодолимым препятствием ) желонку закрепляют в рабочем приямке, стопоря при этом канат 14, а затем , натягивая канат 9, отрывают от забоя и извлекают из скважины грунторазрабатывающее устройство.
Постановка экспериментов по проходке скважин комбинированным способом
При проведении экспериментов на модели сохранялись основные технологические принципы проходки скважин оборудованием натуральных размеров, изложенные во второй главе данной работы. Подготовительные операции включали: формирование в грунтовом блоке 1 ( рисунок 3.6 ) продольных каналов диаметром 12лш, которые выполняли роль пионерных скважин для последующей укладки подающего каната 2; монтаж необходимых приспособлений и контрольно-измерительных приборов; присоединение пневмомагистрали к источнику энергии 3, которым являлся передвижной компрессор ЗИФ-55 производительностью 5,5м /мин. В ходе экспериментов избыточное давление сжатого воздуха контролировалось по манометру МН и поддерживалось на уровне 0,6±0,2МПА.. Проходка скважин велась циклически. Доставка модели грунтопроходчика 4 к забою осуществлялась под действием силы тяжести наборного груза 5, закрепленного на подающем канате и устанавливаемого в рабочее положение с помощью канатно-блочной системы и грузоподъемного механизма 6. Далее открытием воздушного крана Кр включался пневмоударный привод и начинался отсчет времени продвижения модели в грунтовом массиве на заданное фиксированное расстояние, по достижению которого устройство останавливалось. После снятия натяжения подающего каната, модель с удаляемой частью грунта извлекалась из скважины ручной лебедкой 7, усилия которой измерялись пружинным динамометром 8 типа ДПУ-01-2. Далее на стартовом устройстве 9 производился ее осмотр, фотографирование и разгрузка при включенном пневмоударном приводе. На лабораторных весах определялась масса грунта, извлеченного из скважины за каждый цикл проходки.
В ходе проведения экспериментов изменялись следующие параметры: - частота ударов пневмоударного привода модели; - усилие подачи силового тягового органа; - величина внедрения в забой за цикл проходки. Следующий этап экспериментальных исследований состоял в оценке факторов, влияющих на управление траекторией движения грунтопроходчика в грунтовом массиве. В соответствии с этим на стенде ( рисунок 3.7 ) имитировалась ситуация, когда выходное устье связующего канала, служащего для соединения модели грунтопроходчика 1 с подающей гибкой связью 2 отклонено от проектной оси на ве ичину а = 0,26-м на длине L = 4M. ДЛЯ коррекции траектории подающая гибкая связь смещалась в проектное положение с помощью обводного блока 3. Проходка скважины 4 велась в соответствии с описанной выше технологией. Дальнейшая серия экспериментов была направлена на изучение процесса резания грунта гибким режущим органом с целью образования прямолинейного связующего канала, предназначенного для управления грунтопроходчиком. Исследования проводились на экспериментальном стенде ( рисунок 3.8 ), представляющем собой грунтовый канал 1, в который предварительно укладывался гибкий режущий орган 2. Натяжение последнего осуществлялось с помощью набора сменных грузов 3, подвешиваемых на стреле 4. В качестве силового тягового органа использовался грузоподъемный механизм 5. Результирующие усилия измерялись пружинным динамометром 6 ( модель ДПУ-01-2 ).
С помощью канат-но-блочной системы осуществлялось смещение выходного устья трассы перехода, величина которого, как и в предыдущем эксперименте, составляла а = 0,26м на длине реза L = 4M. ДЛЯ контроля траектории движения гибкого режущего органа применялись электроды 7, последовательно вертикально погружаемые в грунтовый блок, и электрическая контактная цепь, состоящая из источника питания и контрольной лампы 8. Расстояние между электродами составляло tL=0„2M по длине канала и ta = 0,05м по его ширине. В качестве гибких режущих органов использовались: - стальной канат диаметром 6 мм; - стальной канат диаметром 2,5 мм; - стальной канат диаметром 2,5 мм с дополнительными режущими элементами в виде металлических шайб, количество которых было равно 50, наружный радиус составлял 3, шаг установки - 20 диаметров несущего каната. В процессе резания гибкий режущий орган совершал циклические возвратно-поступательные движения. При этом за один цикл происходило перемещение натяжных грузов на величину h = 2м и их возврат в первоначальное положение. Вес набора изменялся ступенчато от Рн 250Я до Рн = 1О0ОЯ с шагом 250//. При проведении экспериментов велся журнал, в котором регистрировались все данные о проводимом опыте. Опытные данные обрабатывались методами математической статистики на ЭВМ с помощью стандартного пакета программ статистического анализа, позволяющего получать математическое ожидание, дисперсию, коэффициент вариации, корреляционные функции, закон распределения случайной величины. Первичная обработка полученных данных проводилась в конце каждой серии опытов с тем, чтобы в случае необходимости можно было повторить эксперимент с сохранением прежних условий. Затем проводилась окончательная обработка результатов. Результаты обработки экспериментальных данных оформлены в виде таблиц и графиков. Число повторений одноименных измерений принималось в пределах от 3 до 12, что обеспечивало при коэффициенте вариации менее 15% и доверительном интервале не превышающем 15%, получение доверительной вероятности ( надежности результатов опытов ) от 0,85 и выше. Указанными значениями величин обычно задаются при исследовании грунторазрабатывающих машин [ 89, 90, 95 ]. В зависимости от характера проводимых опытов фактические значения коэффициента вариации колебались в пределах от 8% до 14%.
