CC BY
56
К РАСЧЕТУ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ
ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ШЛАМОПРОВОДЕ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ
ПРИ ПРОХОДКЕ ПРОТЯЖЕННЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
Борис Николаевич Смоляницкий
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, заместитель директора по научной работе, тел. (383)217-07-14, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Борис Борисович Данилов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, заведующий лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383) 220-12-11, e-mail: dissovet@misd.nsc.ru
Екатерина Владимировна Рубцова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383) 217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru
В статье рассмотрены вопросы, связанные с расчетом системы пневмотранспортирования бурового комплекса. Приведена методика расчета потерь давления при транспортировании разрушенного грунта сжатым воздухом по вращающемуся шламопроводу буровой установки, предназначенной для проходки протяженных горизонтальных скважин комбинированным способом.
Ключевые слова: бестраншейная технология, пневмотранспортная система, шламо-провод, потери давления.
CALCULATION OF PRESSURE LOSS IN ROTARY SLURRY PIPE OF DRILLING FACILITIES IN MAKING LONG HORIZONTAL HOLES IN SOIL
Boris N. Smolyanitsky
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Krasny Prospect 54, 630091, Russia, Novosibirsk, Deputy Director of Science, phone: (383)217-07-14, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Boris B. Danilov
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Krasny Prospect 54, 630091, Russia, Novosibirsk, Head of Underground Construction GeoEngineering Laboratory, phone: (383)220-12-11, e-mail: dissovet@misd.nsc.ru
Ekaterina Vl. Rubtsova
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Krasny Prospect 54, 630091, Russia, Novosibirsk, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, phone: (383)217-09-30, e-mail: rubth@misd.nsc.ru
The paper discusses issues relating to calculation of pressure feed system of drilling facilities. The authors describe calculation procedure for pressure loss in the compressed air conveying of broken soil in a rotary slurry pipe of drilling facility meant for combined drilling of long horizontal holes.
Key words: trenchless technology, air feed system, slurry pipe, pressure loss.
В настоящее время все большую актуальность приобретает разработка технологий сооружения протяженных подземных скважин с минимальным нарушением структуры геосреды, обеспечивающих безопасное ведение работ за счет снижения рисков обрушения породного массива и повреждения находящихся на поверхности объектов. Так, например, только для транспортировки жидких и газообразных полезных ископаемых на каждые 10 км магистральных трубопроводов под дорогами и иными сооружениями прокладывается в среднем до 100 м скважин. Средняя стоимость таких работ в 2 - 2,5 раза ниже средней стоимости выполненных открытым способом [1].
Наиболее широко используемым способом сооружения протяженных горизонтальных скважин в грунтовом масиве, как за рубежом, так и в РФ, является горизонтальное направленное бурение. Однако его использование сопряжено с риском разрушения дорог и других объектов, под которыми осуществляется проходка. Причиной этого является сам принцип гидравлического бурения, связанный с опасностью размывания каверн, вздутия дневной поверхности и другими последствиями использования бурового раствора, поступающего в скважину под большим давлением. Это сдерживает дальнейшее расширение сфер использования таких технологий и делает необходимым поиск принципиально новых технических решений.
Одной из инновационных разработок в этом направлении является предложенная в ИГД СО РАН технология "сухого" бурения комбинированным способом с транспортированием разрушенного грунта сжатым воздухом по вращающемуся трубопроводу [2]. Суть предлагаемого способа заключается в том, что часть грунта не извлекается из скважины, а уплотняется в радиальном направлении. Стенки скважины при этом приобретают дополнительную прочность и устойчивость, что позволяет во многих случаях обойтись без её обсадки. Необходимыми элементами бурового комплекса для реализации комбинированного способа, являются: буровой станок, создающий осевое усилие и крутящий момент; инструмент, формирующий скважину; буровая колонна, передающая на инструмент рабочие усилия; шламопровод, который является транспортным каналом для удаления из скважины разрушенного грунта.
Использование в качестве очистного агента сжатого воздуха существенно упрощает технологический процесс бурения и делает его более экологически чистым, поскольку устраняется проблема загрязнения рабочего котлована пульпой из отработанного бурового раствора и грунта. Кроме этого расширяется область использования буровых установок, так как отпадают климатические и технологические ограничения на их работу.
В ИГ Д СО РАН экспериментально установлено, что эффективность транспортирования породного материала воздушным потоком может быть сущест-
венно увеличена, если в качестве транспортного канала использовать шламо-провод, вращающийся вокруг своей горизонтальной оси.
Минимальная скорость воздушного потока, обеспечивающая надежное транспортирование сыпучего материала по трубам, должна быть больше скоростей трогания и подъема, под которыми понимают, соответственно, скорость воздуха, при которой частица начинает скользить вдоль трубопровода, преодолевая силу трения, и скорость воздуха, при которой частица отрывается от поверхности трубопровода [3]. Поэтому для получения требуемой скорости потока в неподвижном трубопроводе необходим значительный расход воздуха, что и является основной причиной высокой энергоемкости таких систем пневмотранспорта, особенно применительно к транспортированию в горизонтальном направлении.
В ИГД СО РАН установлено [4], что физическая сущность процесса движения частиц материала в неподвижном и вращающемся шламопроводе существенно различаются. При вращательном движении шламопровода появляется составляющая силы тяжести, действующая на частицу и направленная по касательной к окружности трубопровода. При этом сила нормального давления частицы на поверхность шламопровода уменьшается, соответственно, уменьшается и сила трения. При достижении определенного угла поворота частица начинает скользить вниз по стенке шламопровода в направлении нижней точки его внутренней цилиндрической поверхности и под действием силы лобового давления со стороны потока очистного агента двигаться вдоль его оси. Таким образом, при транспортировании по вращающемуся шламопроводу движение разрушенной грунтовой массы будет происходить при относительно меньшей скорости потока, по сравнению с традиционными транспортными системами, поскольку отсутствует необходимость удержания частиц во взвешенном состоянии. Это обеспечит снижение энергоемкости процесса горизонтального направленного бурения скважин в грунтах и повышение его производительности.
Непрерывное вращение шламопровода также исключает, или существенно затрудняет, возможность образования на дне транспортного канала неподвижного подстилающего слоя из частиц породы, выпадающих из транспортного потока, что повышает надежность транспортирования.
В [4] предложена методика расчета основных параметров системы пневмотранспортирования, учитывающая вращение шламопровода. Одной из составных частей этого расчета является определение перепада давления на входе и выходе пневмотранспортной системы. Оценка этого параметра имеет важное значение для расчетов динамики пневмоударных машин в тех случаях, когда для транспортирования разрушенной грунтовой массы используется отработанный ими воздух.
С целью уточнения расчетов предлагается общий перепад давления на входе и выходе шламопровода определять как сумму следующих составляющих потерь:
^ Н = нвх + Нр + нв + нг + нп ,
где Н5Х - сопротивление на входе шламопровода; Нр - сопротивление разгону воздуха и грунта; Нв - сопротивление движению чистого воздуха; Нг - сопротивление движению грунта; Ня - сопротивление подъему грунта.
Составляющие суммы Е Н можно определить следующим образом. Сопротивление на входе:
Нвх =£х-Нд, й = 0,1...0,7,
где £х- коэффициент потерь на входе в магистраль; Нд - скоростной напор. Сопротивление разгону:
НР = НРВ + НРГ = Нд + Нд 'Р'№ = Нд 'С1 + Р' ^,
где НР5, Нрг - сопротивление разгону воздушного потока и грунта, соответственно; л - концентрация грунта в воздушном потоке; р = (2,3 - 0,08) • оеит - коэффициент, учитывающий меньшую скорость частиц грунта, относительно скорости воздуха; ивит - скорость витания (скорость воздушного потока, при которой частицы грунта поднимаются со дна трубопровода).
Сопротивление разгону грунта Нр может составлять до 50 % от суммарных сопротивлений пневмотранспортной системы.
Сопротивление движению чистого воздуха:
Нв = -у • Нд + Нд• Ей + Нд ■£&,
а 1 1
где d - диаметр шламопровода; - - коэффициент сопротивления при движении чистого воздуха, который зависит от числа Рейнольдса и состояния поверхности шламопровода; 1 - длина шламопровода; й , - коэффициенты местных
потерь; N - количество участков шламопровода.
Величина — может быть определена по эмпирической формуле [3]:
- = 0,0125 + 00011.
в а
В предварительных расчетах эта величина может приниматься равной — = 0,02, поскольку её влияние на общую потерю давления невелико. Сопротивление движению грунта:
X N N
нг = — Нд<кг1г + кВ■#)•л + ЛНдНд, а 11
где кг,кв - эмпирические коэффициенты; /г - длина горизонтального участка шламопровода; к - высота подъема шламопровода.
Сопротивление подъему материала:
где рв - плотность воздуха.
Проведенные расчеты показывают, что величина потерь давления воздуха в пневмотранспортной системе с вращающимся трубопроводом диаметром 110 мм и длиной 60 м не превышает 0,1 МПа. Результаты исследований динамики пневмоударных машин свидетельствуют о том, что такая величина противодавления в выхлопном тракте вызывает снижение ударной мощности примерно на 25 - 30% и не приводит к потере работоспособности машины [5]. Следовательно, использование отработанного пневмоударными машинами воздуха для последующего транспортирования продукта бурения является возможным.
Выполненные в ИГД СО РАН экспериментальные исследования макетного образца бурового комплекса с вращающимся шламопроводом подтвердили правильность выбранного методического подхода, учитывающего взаимосвязь конструктивных размеров проходческого инструмента и пневмотранспортной системы с объемом транспортируемого грунта, расходом и давлением воздуха в ней. Доказана надежность транспортирования грунта, включая крупные фракции (до 0,5 диаметра транспортного канала) по горизонтальному вращающемуся трубопроводу при сниженной в 1,5 раза скорости воздушного потока по сравнению с известными пневмотранспортными системами при более высокой концентрации в нём твёрдой фазы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Караваев Н.П. Перспектива развития техники для бестраншейной прокладки трубопроводов / Н.П. Караваев, Г.П. Баландюк // Механизация строительства. - 1993. - № 7. -С. 16 - 19.
2. Пат. 2344241 Российская Федерация, МПК E02F5/18 С1. Способ бестраншейной прокладки коммуникаций в грунте (варианты) / Данилов Б.Б., Смоляницкий Б.Н.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела СО РАН. - № 2007121125/03; заявл. 05.06.2007; опубл. 20.01.2009. - Бюл. № 2. - 5 с.: 4 ил.
3. Малевич И.П. Пневматический транспорт сыпучих строительных материалов [Текст] / И.П. Малевич, А.И. Матвеев. - М.: Стройиздат, 1979.
4. Данилов Б.Б. Повышение эффективности бестраншейных способов подземного строительства за счет применения пневмотранспорта / Б.Б. Данилов // ФТПРПИ. - 2007. -№ 5. - С. 52 - 61.
5. Данилов Б.Б. Методика расчета параметров кольцевых геологоразведочных пневмоударников / Б.Б. Данилов, Б.Н. Смоляницкий, Л.И. Сухарева // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1987. - № 5. - С. 110 - 113.
© Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов, Е.В. Рубцова, 2013
