CC BY
81
УДК 622.644.076
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ
М.В. Гарипов, К. А. Головин, А.П. Назаров
Рассмотрен принцип работы прокалывающей установки для бестраншейной прокладки трубопровода с использованием струйной цементации, приведены его недостатки и предложен конструктивный вариант решения проблемы. Проведен анализ экспериментальных данных с представлением формул расчета основных параметров прокалывающей установки.
Ключевые слова: прокалывающая установка, риммер, вращатель, гидросъемник, струеформирующая насадка.
Анализ основных научно-исследовательских работ в отечественной и зарубежной нормативно-технической литературе по бестраншейному методу прокладки трубопроводов с одновременным струйным закреплением горного массива цементным раствором под высоким давлением позволяет утверждать, что на сегодняшний день данный метод прокладки инженерных коммуникаций является наиболее перспективным по сравнению с траншейным способом.
Комплект оборудования для реализации технологии прокола с закреплением горного массива цементным раствором под высоким давлением представлен на рис. 1.
1
Рис. 1. Установка УМТ- 0.6 производства
000 "Скуратовский машиностроительный завод" (г. Тула):
1 - рама; 2 - гидроцилиндр; 3 - гидросъемник; 4 - вращатель; 5 - штанга; 6 - расширитель; 7 - струеформирующая насадка
Домкратная станция состоит из одного гидроцилиндра 2, закреплённого на раме при помощи цапф, выдвижной рамы 1, оснащенной передним и задним упорами, и захвата, прикреплённого к штоку гидроцилиндра.
К дополнительному оборудованию относится прокалывающий став, включающий в себя следующие основные элементы: гидросъемник 3 вращатель 4, штанги 5 и расширитель 6 со струеформирующими насадками 7. Гидросъемник обеспечивает подачу высоконапорной водоцементной суспензии от насосного блока во вращающийся прокалывающий став. Штанги (линейные секции става) служат для подачи высоконапорной водоцементной суспензии к расширителю со струеформирующей насадкой и передачи осевого усилия и крутящего момента от вращателя к инструменту. Расширитель со струеформирующей насадкой предназначен для струйного разрушения грунтов и перемешивания продуктов разрушения. Он оснащается струеформирующей насадкой, которая служит для формирования высокоскоростной суспензионной струи.
Общим недостатком для всех установок бестраншейной прокладки трубопроводов с использованием ГСЦ является их конструкция (рис. 2). На всех прокалывающих установках с ГСЦ подача раствора к вращающемуся исполнительному органу происходит через гидросъемник, который в свою очередь часто выходит из строя. Вращение бурового става происходит при помощи двигателя, который требует дополнительного источника питания и в то же время усложняет конструкцию самой установки.
Вариантом решения данной проблемы является использование плоскоструйных струеформирующих насадок высокого давления.
Исследование процесса ГСЦ с использованием плоскоструйных струеформирующих насадок осуществлялся следующим образом: в струеформирующее устройство (эквивалентным диаметром d о, коэффициентом расхода ^) подавался водоцементный раствор (с плотностью р) под высоким давлением Р. После этого осуществлялось перемещение струеформирующего устройства со скоростью V по поверхности закрепляемого массива.
После затвердевания формировался закрепленный массив треугольного сечения глубиной к и углом в при вершине.
Все перечисленные факторы процесса ГСЦ можно разделить на следующие группы:
конструктивные: коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку ^, диаметр отверстия струеформируе-
щей насадки d о;
режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения инструмента V, давление водоцементной суспензии Р;
физико-механические свойства горных пород (на основе анализа данных литературных источников в качестве критерия, характеризующего сопротивляемость грунтов гидроструйному воздействию, принимаем С -коэффициент сцепления горной породы).
Рис. 2. Схема ГСЦ горного массива:
1 - закрепляемый горный массив; 2 - породобетон;
3 - струеформирующая насадка; И - глубина цементации, м;
в - угол при вершине породобетонного массива, град; dо - эквивалентный диаметр струеформируещей насадки, м;
^ - коэффициент расхода через струеформирующую насадку;
Р - давление водоцементного раствора, МПа; р - плотность водоцементной суспензии, кг/м3;
V - скорость перемещения струеформирующей насадки, м/с;
С - коэффициент сцепления горной породы, МПа
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета глубины закрепляемого массива И, м:
р1ЛЧ2
И = 0'55^04С025в05'. О)
Скорость приращения объема закрепляемого массива С0 (м /с) рассчитывалась как произведение скорости перемещения инструмента на площадь закрепляемого массива и определялась по формуле
= УН218 2, (2)
где И - глубина цементации, м; в - угол при вершине закрепляемого массива, град; V - скорость перемещения буровой колонны, м/с.
Удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород Е0 (МДж/м ) определялась по формуле
Ео = N, (3)
Ь0
где N - потребляемая гидравлическая мощность насосной установки, МВт.
В свою очередь, потребляемая гидравлическая мощность определяется по формуле
, (4)
\Р
где Р - давление цементного раствора перед насадкой, МПа; dо - диаметр струеформирующей насадки, м; ^ - коэффициент расхода через насадку (в данном случае ^ = 0,75); р - плотность водоцементной суспензии, кг/м (в данном случае р = 2000 кг/м ).
На основании выполненных исследований разработана инженерная методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки и энергетических характеристик насосного оборудования.
Установлено, что при ГСЦ неустойчивых грунтов давление водоцементной суспензии, скорость перемещения прокалывающего става и угол распыла жидкости, а также диаметр отверстия струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на глубину закрепляемого грунтобетонного массива. В частности, при увеличении давления от 40 до 60 МПа глубина закрепляемого массива линейно возрастает в 1,5 - 1,8 раза, а изменение диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает увеличение глубины закрепляемого массива также линейно в среднем в 1,6 раза, увеличение улга распыла жидкости от 4 до 30° приводит к уменьшению глубины закрепляемого массива в 2,5 раза. С увеличением скорости перемещения, а также коэффициента сцепления грунтов диаметр закрепляемого грунтобетонного массива уменьшается.
Список литературы
1. Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации: монография / К.А. Головин [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 206 с.
2. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород / В. А. Бреннер [и др.]. М.: Изд-во Академии горных наук, 2000. 343 с.
Гарипов Марсель Вояфисович, аспирант, garipov@list.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф.,
kagolovin@inbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Назаров Андрей Петрович, аспирант, nazarov-a@list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT METHOD OF CALCULATION OF PARAMETERS PLANTS PIERCE THE TRENCHLESS LAYING OF PIPELINES
M.V. Garipov, K.A. Golovin, A.P. Nazarov
The principle ofpiercing systems for trenchless pipeline using jet grouting, given its shortcomings and propose a constructive solution to the problem. The analysis of experimental data with the representation formulas for calculating the basic parameters of the piercing unit.
Key words: rod pusher, rimmer, boring head, nozzle.
Garipov Marsel' Voyafisovich, postgraduate, garipov@list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Golovin Konstantin Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, kagolovin@inbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Nazarov Andrey Petrovich, postgraduate, nazarov-a@list.ru, Russia, Tula, Tula State University
