CC BY
22
УДК 621.23.05
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВОГО ТРАНСПОРТЕРА УСТАНОВКИ
ДЛЯ ОДНОСТАДИЙНОГО ШНЕКОВОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: bbdanilov@mail.ru
Борис Николаевич Смоляницкий
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)217-07-14, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Дмитрий Олегович Чещин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: dimixch@mail.ru
Представлены подходы к определению основных параметров шнекового транспортера установки для одностадийного направленного шнекового бурения скважин в грунте при подземном строительстве объектов инфраструктуры и коммуникаций. Приводятся установленные соотношения диаметров скважины и шнека и условия минимизации его диаметра, позволяющие определить геометрические параметры шнека для эффективного удаление грунта при заданной скорости бурения.
Ключевые слова: скважина, направленное бурение, рабочий орган, шнек, вращение, грунт, удаление.
DETERMINATION OF BASIC PARAMETERS OF SCREW CONVEYOR FOR SINGLE-STAGE AUGER DRILLING IN SOIL
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Head of Underground Construction Geotechnology and Equipment Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: bbdanilov@mail.ru
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of Mining and Construction Geo Equipment Department, tel. (383)217-07-14, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Dmitry O. Cheshchin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher of Underground Construction Equipment and Technology Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: dimixch@mail.ru
The paper surveys approaches to determining basic parameters of a screw conveyor within a facility intended for directional auger drilling in soil in underground construction of distribution
lines and other infrastructure. The relationships uncovered between the diameters of hole and screw conveyor and the minimization conditions for the screw conveyor diameter make it possible to estimate geometrical parameters of the screw conveyor for efficient removal of soil at the preset drilling velocity.
Key words: drillhole, directional drilling, working organ, screw, rotation, soil, removal.
Бурение скважин в породном массиве является важной составной частью технологий специальных работ в подземном строительстве, в частности связанных с бестраншейной прокладкой подземных коммуникаций.
Серьезное развитие благодаря решению проблемы управления траекторией скважины получили установки шнекового бурения. Современные буровые установки этого типа обеспечивают проходку скважин по заданной прямолинейной траектории без применения раствора бентонитовой глины для разрушения забоя скважины. Эти установки имеют буровой режущий инструмент вращательного действия для расширения пионерной скважины и шнековый транспортер для удаления грунта, приводы подачи рабочего органа, обсадной инвентарной и рабочей трубы [1-3]. Популярность шнекового бурения скважин объясняется значительными скоростями проходки и малыми временными затратами на монтажные, демонтажные работы. Благодаря высокой надежности и производительности, экологической безопасности и относительно низкой стоимости выполнения работ этот метод используют во многих вариантах строительства скважин.
Определение рациональных значений диаметра шнекового транспортера имеет важное значение при проектировании бурового комплекса, поскольку с ним связаны такие значимые параметры, как производительность, мощность приводных механизмов, габаритные размеры и масса оборудования. При этом возможно применение таких конструктивных схем буровой установки, которые позволяют существенно уменьшить диаметр шнекового транспортера по сравнению с диаметром прокладываемого трубопровода.
Представленная на рис. 1 установка, разработанная в ИГД СО РАН, обеспечивает проходку скважины за один проход с возможностью корректировки траектории [4, 5]. При этом незначительная часть грунта уплотняется в стенки скважины в радиальном направлении, обеспечивая её временную устойчивость, а большая часть удаляется из скважины шнековым транспортером.
Незначительные размеры зоны уплотнения грунта позволяют осуществлять проходку скважин вблизи имеющихся подземных коммуникаций. Ограничения по глубине заложения при таком способе минимальны и слабо зависят от диаметра скважин.
Для удаления разрушенного грунта от забоя скважины используется отдельный транспортный канал. Он состоит из шнеков меньшего диаметра, чем внутренний диаметр трубы-кожуха, которые располагаются в лотке. Такое решение позволяет использовать один и тот же транспортный канал для различных диаметров проходки, что уменьшает типоразмерный ряд применяемых шнеков.
Рис. 1. Установка для шнекового бурения скважин в грунте
1 - рабочий орган; 2 - подшипниковый узел; 3 - гидромотор с редуктором; 4 - шнековый транспортер; 5 - направляющая рама; 6 - гидравлический домкрат; 7 - упорная рама; 8 - дизельная маслостанция; 9 - упорная стенка
Для эффективного использования такого шнекового транспортера необходимо согласовать скорости проходки скважины с параметрами шнекового транспортера, и определить минимально необходимый диаметр шнека, обеспечивающего разработку грунта в достаточно широком диапазоне диаметров труб-кожухов.
Опыт конструирования и эксплуатации горизонтальных и незначительно наклоненных винтовых конвейеров свидетельствует о целесообразности их работы при частичном заполнении пространства между винтовой поверхностью и кожухом шнека [6]. Этот вывод подтверждает целесообразность технического решения, изображенного на рис. 1.
При сплошном заполнении наблюдаются снижение осевой скорости перемещения груза, увеличение мощности на транспортирование, повышение износа деталей транспортирующего устройства. Коэффициент заполнения шнекового пространства зависит в основном от угла наклона конвейера, скорости вращения шнека и свойств транспортируемого материала. Но при незначительных углах наклона заполнение шнека и скорость его вращения не оказывают влияние на транспортные свойства. Поэтому шнек может перемещать материал при любых значениях коэффициента заполнения и угловой скорости [6].
Рекомендации по расчету винтовых конвейеров предусматривают нормальный ряд чисел оборотов шнека в минуту n = 23,6; 30; 37,5; 47,5; 60; 75; 95; 118; 150; 190 и нормальные размеры диаметров винтов D= 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600 мм.
Производительность винтового конвейера рекомендуется определять по формуле [6]
q = ^snjoc = aid1 ^snjoc , (1)
где Q в т/ч; Б в м; Б в м; п в об/мин; у0 - объемный вес в т/м ; у - коэффициент наполнения желоба.
В данном случае у рассматривается в виде отношения средней площади насыпки материала в желобе к площади нормальной проекции винта.
с - коэффициент, учитывающий влияние угла 5 наклона оси шнека к горизонту на его производительность (табл. 1).
При 5 > 80 принимается Б = 0,8 Б, а при меньших углах рекомендуется Б = Б [6].
Таблица 3
Значение коэффициента учета наклона оси шнека к горизонту
Коэффициент Углы 5
00 50 10° 150 200
с 1,0 0,9 0,8 0,7 0,63
При - = 1 диаметр винта рекомендуется определять по формуле
£> = о,28 ;
фспу D
, м.
Максимальное число оборотов определяют по эмпирической формуле
Пщах = j= Об/Mm, Y.D
(2)
(3)
где A - коэффициент, в пределах 65 - 30, в зависимости от свойств материала;
D - в м.
Производительность шнекового транспортера должна соответствовать технической производительности установки по бурению. Она определяется по представленной ниже формуле [6]
77 = - Г)2 . wmax jn , и6 VS
(4)
где ßj - диаметр бурового инструмента;
■ - максимальная скорость проходки скважины. Исходя из условия согласования, которое записывается как
^ = S n Yo с, (5)
можно, учитывая, что D = S определить необходимый диаметр шнекового винта
или максимальную скорость проходки скважины
V,
тпах _
60Д -ф п ]>„с
Полученные выражения (6) и (7) позволяют определить диаметр шнека, необходимый для проходки скважины заданного диаметра с заданной скоростью или установить зависимость максимальной скорости проходки скважины от диаметра шнека при заданных диаметре скважины, типе грунта и при фиксированном значении частоты вращения шнека. Одна из таких зависимостей, полученная для суглинка с прочностью С = 5-8 по плотномеру ДорНИИ, частоте вращения шнека 50 об/мин и диаметре скважины 0,53 м представлена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость максимальной скорости проходки скважины
от диаметра шнека
Таким образом, используя полученные расчетные формулы и графики можно выбрать минимальный диаметр шнека, позволяющий в определенном диапазоне диаметров скважин осуществлять проходку скважины с приемлемыми скоростями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б., Абиров А.А., Госманов М.К., Жаркенов Е.Б.// Совершенствование перспективного способа бестраншейной прокладки трубопроводов: Аналитический обзор. - Астана: Министерство национальной экономики республики Казахстан. -2014.- 48 с.
2. Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н. Анализ тенденций развития современных технологий сооружения скважин в породном массиве. // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук (научный журнал) №1, т.2. - Новосибирск: ИГД им. Н.А. Чинакала СО РАН. -2014. - С. 104 - 113.
3. Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б. Пути совершенствования технологий горизонтального направленного бурения скважин в породном массиве// Политранспортные системы. Материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Рос-
сия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке».- Новосибирск 2015.- С. 718-724.
4. Данилов Б.Б., Смоляницкий Б.Н., Чещин Д. О. Обоснование принципиальных схем отклоняющих устройств в установках горизонтального направленного бурения скважин// ФТПРПИ. - 2015. - №3. С. 106-117.
5. Патент РФ на ПМ № 147887. Устройство для проходки криволинейных скважин в твердых грунтах. / Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б., Фетисов С.Ю., Чещин Д.О. - БИ № 32 от 20.11.2014.
6. Григорьев А.М. Винтовые конвейеры // Машиностроение.- М. - 1972. - 183 с.
© Б. Б. Данилов, Б. Н. Смоляницкий, Д. О. Чещин, 2016
