автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Повышение эффективности использования специализированных установок для бурения скважин большого диаметра на строительстве инженерных объектов

■гг; о л

Рудаков Владимир Викторович На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ. ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ ИНЖЕНЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ.

пециальность 05.15.14. - 'Технология и техника геологоразведочных работ"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1998.

Работа выполнена в Московской Государственной Геологоразведочной акаде:

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, академик РАЕН, профессор Д.ПБаш катов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

A.Т.Киселев,

кандидат технических наук, профессор

B.И.Несмотряев.

Ведущая организация - ПГО "Центргеология"

Защита состоится .13..ча.й вауд./':/^6

на заседании специализированного Совета Д.063.55.01 по присуждению учено степени кандидата технических наук при Московской государственной геолог разведочной академии по адресу. 117485, Москва, ул. Миклухо-Маклдя д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московский государ венной геологоразведочной академии.

Автореферат разослан ". ........1998г.

Ученый секретарь специализированного Совета

д.т.н., проф. АШ1|1МШЮа

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Потребность в сооружении скважин большого диаметра характерна для различных отраслей народного хозяйства страны. В настоящее время большие объемы буровых работ выполняются при возведении подземных инженерных сооружений различного назначения, создании свайных фундаментов, ограждающих крепей и подпорных стен. Особенно это характерно для Москвы с ее плотной застройкой и крайне стесненными условиями строительства. Большинством подрядных строительных организаций применяются буровые установки западногерманской фирмы "Bauer", обеспечивающие бурение скважин в широком диапазоне горно-геологических условий. Однако, ряд проблем, связанных со спецификой работы этих установок в строительстве, требует дополнительного изучения.

Ежегодно в Москве и Подмосковье методом секущихся свай возводятся подпорные и ограждающие стены площадью 15 - 20 тыс.кв.м. и в ближайшей перспективе следует ожидать существенного увеличения объемов этих работ. Анализ технологии сооружения подпорных стен методом секущихся свай показывает, что в общем балансе затрат времени 79,73% приходится на бурение скважин. В этой связи поиск резервов, повышающих эффективность применения буровых установок при сооружении инженерных объектов является весьма актуальным. Это определило тему диссертационной работы и позволило сформулировать ее цель. Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности использования установок типа BG-9 фирмы "Bauer" путем разработки теоретических и технических положений, позволяющих рекомендовать режимы бурения, которые обеспечивали бы наиболее полную загрузку мощности привода установки и снижение энерго- и трудозатрат при бурении скважин большого диаметра. Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

• провести детальное исследование конструктивных и технологических особенностей установок серии "BG" и выпускаемого фирмой "Bauer" бурового

инструмента с учетом их применения в рассматриваемых условиях, определить затраты мощности в трансмиссии бурового станка;

• аналитически и экспериментально исследовать влияние осевого усилия и диаметра скважины на суммарные затраты мощности при бурении установкой "BG-9",

• аналитически оценить влияние размеров твердых включений на энергоемкость процесса бурения скважин этой установкой шнековым породораз-рушающим инструментом;

• разработать практические рекомендации по совершенствованию технологии бурения скважин большого диаметра установоками серии "BG" фирмы "Bauer".

Методика исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя обобщение и анализ фондовых и литературных источников, описывающих механизм разрушения некрепких пород при вращательном бурении скважин большого диаметра, теоретические расчеты затрат мощности, а также проведение аналитических и экспериментальных исследований. Правильность основных теоретических положений, возможность практической реализации предложенных решений проверялась постановкой экспериментальных наблюдений при работе в производственных условиях. При исследованиях применялась современная контрольно-измерительная аппаратура. Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена известными методами математической статистики с применением компьютерной техники.

Научные положения, защищаемые в диссертационной работе, сводятся к следующему.

1. Анализом горно-геологических условий бурения, распределения объемов буровых работ по диаметрам и глубинам скважин и технико-эхономических параметров существующего отечественного и зарубежного оборудования установлено, что при сооружении инженерных объектов в Москве и Подмосковье наиболее эффективным является применение буровых станков серии "BG " фирмы "Bauer" и отечественного породоразрушающего инструмента.

2. Существующая методика определения суммарных затрат мощности (SN) по величинам усилий на резание породы, её проталкивания в межвитковое пространство

шнека и трения о стенки при бурении скважин диаметром 0,5 - 1,5м не учитывает наличия в породе твёрдых включений, дает заниженные результаты и требует корректировки.

3. При встрече бурового инструмента с валунко-галечниковыми включениями увеличивается. В рассматриваемых условиях наличие включений размером <1, < 0,1 м. определяет увеличение силы резания в 1,5-3 раза, а общих затрат мощности - на 30-35% по сравнению с затратами мощности при бурении скважин в однородных породах.

4. Критерий технической эффективности является характеристикой, обеспечивающий качественную оценку параметров режима медленновращатеаьного бурения скважин большого диаметра. При использовании установок серии " ВО " наибольшая эффективность бурения достигается при максимально возможных осевых усилиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что автором впервые:

- исследованы условия бурения скважин большого диаметра при сооружении инженерных объектов в Москве и Подмосковье, определены характеристики город, пересекаемых скважинамч, размеры и количество встречающихся в них ваяунно-галечниковых включений;

- для обоснованного выбора режимов медленновращательного бурения предложена упрощенная методика расчета суммарных затрат мощности, учитывающая наличие в породе валунно-галечниковых включений;

- предложена методика, позволяющая, зная размеры <1В, установить максимальный диаметр скважины, при бурении которой затраты мощности не превысят возможностей привода установки, выбрать осевое усилие, при котором наиболее полно будет использоваться мощность привода, и уже на стадии проектирования буровых работ оценить энергоемкость процесса и рейсовую скорость бурения скважин различного диаметра.

Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждает ся сходимостью расчетных данных и экспериментальных исследований. Относительная погрешность при вычислении по предлагаемым формулам в сравнении с результатами натурных замеров составляет 3,17%, варьи-

руя для различных условий от +8,05% до -7,45%, что вполне приемлемо для инженерных расчетов.

Практическая ценность. На основании теоретических и экспериментальных исследований подтверждено, что в рассматриваемых условиях наиболее эффективно использование установок серии "BG" фирмы "Bauer". В натурных условиях определены фактическая производительность этих установок и трудозатраты на бурение 1м. скважины, предложены формулы расчета затрат мощности для выбора параметров режима бурения. Анализ конструктивных особенностей бурового инструмента, предлагаемого фирмой "Bauer", показывает, что по своим эксплуатационным параметрам он практически не.отличается от имеющегося отечественного, поэтому из экономических соображений при импорте буровых установок целесообразно отказаться от комплектующего их породоразрушающего инструмента. Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научной конференции профессорско-преподавательского и аспирантского состава Московской Государственной геологоразведочной Академии в' 1995 г. и на международных конференциях "Новые достижения в науках о Земле" в 1996 и 1997 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 117 страниц машинописного текста, 18 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 83 наименований.

Диссертация выполнена на кафедре Разведочного бурения Московской Государственной геологоразведочной Академии.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору, академику РАЕН Д.Н.Башкатову за постоянное научное и методическое руководство в процессе выполнения работы. Автор глубоко признателен всем сотрудникам кафедры Разведочного бурения МГГА за постоянную помощ ь и ценные замечания. В процессе исследований автор пользовался советами и консультациями докторов технических наук Калинина А.Г., Ребрика Б.М, кандидатов технических наук Булгакова Е.С., ЗиненкоВ.П., Назарова А.П., Павлова А.Б., Яшина В.П., за что автор им искренне благодарен.

Автор приносит глубокую благодарность руководству и инженерно-техническим работникам АО "ВИЗБАС" за помощь при проведении исследований в производственных условиях.

П. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Одним из наиболее трудоемких видов работ в промышленном и гражданском строительстве является сооружение фундаментов. В настоящее время до 70% жилых зданий и 40 - 50% промышленных сооружаются на свайных фундаментах, при этом наряду с забивиыми сваями широко применяются и сваи, создаваемые в требуемом месте заливкой бетона в специально пробуренные скважины большого диаметра.

Кроме сооружения свайных фундаментов большая потребность в бурении скважин диаметром 0,5 - 1,5 м. существует при строительстве подземных инженерных сооружений различного назначения.

Первое защищаемое положение. При сооружении инженерных объектов в Москве и Подмосковье наиболее эффективным является применение буровых станков серии "BG" фирмы "Bauer" и отечественного псродоразру-шагощего инструмента. В Москве н Подмосковье при возведении ограждающих или несущих стен подземного сооружения большое распространение получил способ "секущихся свай", заключающийся в устройстве непрерывного ряда пересекающихся (или касающихся друг друга) свай, формируемых запивкой бетона в скважины, пробуренные с использованием обсадных труб. Анализ практических данных показывает, что в общем объеме бурения 80% приходится на скважины глубиной от 5 до 15 м. (средневзвешенная глубина скважин 9,64 м), а диапазон наиболее часто применяемых диаметров скважин под устройство свай составляет 600 -1000 мм. Распределение общего объема работ по категориям грунтов СНиП следующее: 1 катег ория - более 30% от общего объема бурения, П категория - около 60%, III категория и выше - менее 10%. По результатам исследований горно-геологических свойств грунтов, выполненных в лабораториях Мосгоргеогреста и Мосинжстроя, определенны средневзвешенные расчетные значения их физико-механических характеристик и для грунтов с такими характеристиками рекомендованы режимы бурения.

Расчетные значения физико-технических характеристик фунтов.

1. Предел прочности на одноосное сжатие, МПа..........................1С, О

2. Предел прочности на сдвиг, Мпа.............................................1,0

3. Объемная масса, К!/м3 ................................................... 2700,0

4. Угол сдвига, град.......................................................................35,0

5. Коэффициент трения породы по породе.....................................0,4

6. Коэффициент трения породы по стали.......................................0,2

7. Коэффициент бокового распора................................................0,5

8. Угол внутреннего трения, град................................................19,5

9. Удельное сцепление, 103Па....................................................0,193

10. Модуль деформации грунта, 105Па..........................................298,5

Проведен сравнительный анализ существующего отечественного и зарубежного оборудования, обеспечивающего бурение неглубоких скважин большого диаметра. Установлено, что наиболее эффективным является применение буровых станков серии "BG" фирмы "Bauer", которые характеризуются повышенной безопасностью обслуживания, относительно высокой степенью автоматизации процесса бурения и приемлемыми санитарно-гигиеническими условиями труда обслуживающего персонала. Коэффициент уровня механизации вспомогательных операций, определяемый по методике Ю.В.Воронова, для станков этой серии варьирует в пределах 0,63 - 0,83, составляя в среднем 0,729, т.е. существенно выше, чем у отечественных. С фирмой "Bauer" имеются прочные торговые связи, ее установки дешевле японских и итальянских, а в настоящее время установки выпускаются на кооперационной основе: в качестве ходовой части применяется гусеничная база отечественного экскаватора ЭО - 5224, изготавливаемая на заводе "Тяжэкс" в г. Воронеже. Достаточно большое количество этих установок уже работает на объектах Москвы и Подмосковья.

Бурение осуществляется медленновращательным способом шнековым породораз-рушающим инструментом различных конструкций. Наиболее широко (около 65% всего объема бурения) применяются шнековые буры открытого типа. Известная формула Д.Н.Башкатова для определения минимальной частоты вращения штрека, при которой порода перемещается от забоя вверх по виткам, с учетом конструктивных параметров инструмента и значений коэффициентов трения породы о породу "f," и сталь "С в соответствии с табл.1, принимает вид:

Г i

n™,= 2,2 J---------,с ,

\ 3,14 • D - 0,05

где D - диаметр шнека, м.

Расчеты, выполненные по этой формуле, показывают, что с увеличением диаметра инструмента из-за возрастания трения породы в межвитковом пространстве о стенки скважины транспортирующая способность шнека увеличивается. Однако, даже при бурении скважин диаметром 1,5 м_ минимальное число оборотов шнека, при котором осуществляется вертикальное перемещение породы, составляет 1,41 с"' , что значительно выше возможностей установки серии "BG". Таким образом, при бурении скважин большого диаметра установками фирмы "Bauer" шнек не может использоваться в качестве винтового транспортера для удаления разрушенной породы на поверхность, а играет роль аккумулирующей емкости, которая при заполнении породой периодически поднимается из скважины для разгрузки. На практике бурение скважин установками серии "BG" осуществляется при угловых скоростях 0,5 - 1,0 рад/с (5-г10 об/мин). Различными организациями накоплен большой опыт в создании шнековых буров для скважин большого диаметра. Изучение технических характеристик и результатов отработки шнекового бурового инструмента показывает, что в целом по конструктивным и эксплуатационным параметрам инструмент, предлагаемый фирмой "Bauer", практически не отличается от имеющегося отечественного, поэтому из экономических соображений установки серии "BG" целесообразно приобретать без комплектующего бурового инструмента, ориентируясь на шнекобу-ры отечественного производства, тем более, что сегодня, например. Люберецким машиностроительным заводом производится буровой инструмент по технической документации фирмы "Bauer".

Фактическая производительность установки "BG - 9" определялась при бурении скважин диаметром 0,75 м. в производственных условиях. Бурение осуществлялось однозаходными шнеками с осевым усилием в 40 - 50 кН и скоростью вращения 0,125 об/с. Установлено, что затрата времени на бурение 1 м. скважины в данных условиях составляют:

60 7,5 + 0,03 Н 32 . ...

q-—-;-+ — + 5 62, мин/м, (2)

V6 1р Н

где - рейсовая скорость бурения, м/с, Н - глубина скважины,м, - длина рейса, м.

Фактические затраты мощности фиксировались при бурении скважин установкой, оборудованной взамен дизельного привода электродвигателем мощностью 75 кВт. По разнице в показаниях счетчика перед началом и в конце рейса определялся фактический расход электроэнергии, по которому и рассчитывались суммарные затраты мощности по каждому рейсу.

Скважины бурились в породах с валунно-галечниковыми включениями; при разгрузке шнека на поверхности приблизительно с середины его отбиралась проба объемом около 0,02 м3 , по каждой пробе определялся относительный объем твердых включений и их средний диаметр 4, м Частота вращения инструмента в процессе опытных работ составляла п = 0,125 с1 .

Как следует из формулы (2) с увеличением рейсовой скорости и длины рейса повышается производительность процесса, однако это определяет возрастание затрат мощности на бурение, поэтому актуальной становится задача выбора методики аналитического расчета ее значений для данных условий и таких режимов бурения, при которых достигалась бы наиболее полная загрузка привода установки.

Второе защищаемое положение. Существующие методики определения суммарных затрат мощности при бурении сквалсин дииметром 0,5-1,5м дают заниженныерезультаты и требуют корректировки. Вопросы оценки затрат мощности при бурении рассматривались в трудах В.В.Алексеева, ВН. Алексеева, С.А.Арифулина ДИ.Башкатова, М.Ю.Богачева, А.О.Бухарова, Б.И.Воздвиженского, Л.Г.Грабчака, В.П.Зиненко, В Г.Кардыша, Б.А.Катанова, Ю.А.Олоновского, А.С.Окмянского, Б.М.Ребрика, Ф.А.Шамтева, Е.Ф.Эпштейна и др. Кольпита во исследований посвящено определению затрат мощности в условиях. отличных от условий эксплуатации установки "ВС - 9". При анализе существующих методик особое внимание обращено на те, которые могут быть экстраполированы на интересующие нас условия.

Одна из таких методик разработана проф. ЛГ.Грабчаком применительно к проходке буровым способом разведочных шурфов шнековым породоразрушающим инструментом. Достоинством этой методики является то, что кроме физико-механичсских свойств пород она учитывает и конструктивные параметры шнека,

но при этом в расчетные формулы вводится ряд коэффициентов, значения которых для конкрет ных условий определить оказывается затруднительным.

В соответствии с этой методикой, мощность, расходуемая на забое скважины N, определяется произведением суммарного момента М^ и угловой скорости вращения шнека ю . Мц, зависит от усилия резания Fpo, перемещения в бур разрушенной породы и трения тела волочения о стенки скважины Fe. Практика бурения скважин установками "BG - 9" на объемах Москвы и Подмосковья показывает, что при использовании однозаходных шнеков величина углубки за оборот составляет:

hc=5^-10-4-F«!.D',M (3)

где F«: и D- соответственно осевая нагрузка (кН) и диаметр шнека (м). Для рассматриваемых условий эксплуатации этих установок усилия, определяющие значения Мф, могут быть вычислены по выражениям:

F^-, = 1576-FocD"1 + 1,8-Fk 1 -D'3 + 32360 н/м, (4)

F,„ = 505 • D1 + 98,3 • F„ - D ' - 69,5 , h/m, (5)

F6 = 280■ D + 6 - F^ + 37.6-F., +44,8 ,н/м (6) (число оборотов бурового снаряда как при расчете, тах и в процессе опытных работ принималось равным п=7,5 об/мин). Суммарный крутящий момент на шнеке будет равен:

= 0,I5-(D -0,16)-(F^ + F4>) +0,6-D • F6. (7)

Для шнеков разного диаметра при различных осевых нагрузках наибольшее значение имеет сила резания: по абсолютным величинам она превышает силу проталкивания в бур разрушенной породы в 10 - 30 раз и силу трения породы о стенки скважины в 20 - 100 раз. Чем меньше диаметр инструмента и больше осепос усилие, тем больший удельный вес занимает она в общем балансе сил, определяющих М^. Зависимость силы проталкивания в бур разрушенной породы от F,*; при фиксировашюм диаметре инструмента выражается уравнением первой степени и с увеличением F,*. с 20 до 150 кН возрастает в 5,5 - 7,5 раз; с увеличением диаметра шнека интенсивность возрастания F,,, уменьшается. При фиксированной осевой нагрузке с увеличением диаметра шнека в диапазоне 0,5 - 1,5 м. Fop уменьшается, поскольку уменьшается угол наклона винтовой по-

верхности шнека. В целом на величину мощности, потребляемой в зоне работы породоразрушающего инструмента, увеличение диаметра инструмента сказывается в большей мере, чем увеличение осевого усилия.

Затраты мощности на холостое вращение бурильных труб На и в трансмиссии буровой установки определялись по формулам:

Ки = Кц-п+ 5104 Кс• и2 + 8 Ю^-Кп-п1, кВт, (8)

Кс=а - п° + Ь- п" + с • п2 + с!- п3, кВт, (9)

Значения коэффициентов К& Кс,.....с, (1, не зависящих от числа оборотов п

принимались то справочной литературе. Результаты расчетов показывают, что общие затраты мощности, ЕЙ=N3 +>)„ + оказываются существенно ниже фактических, замеренных в процессе эксплуатационных работ. Одной из причин этого является то обстоятельство, что рассматриваемая методика определяет породу как однородную среду, без твердых включений. Третье защищаемое положение. При встрече бурового инструмента с еа-лунно-галечннковими включениямиЕЫ увеличивается. В рассматриваемых условиях наличие включений размером ¿,<0,1 м. определяет увеличение силы резания в 1,5-3раза, а общих затрат мощности - на 30-35% по сравнению с затратами мощности при бурении скважин в однородных породах. Процессы, происходящие при встрече инструмента с твердыми включениями при бурении скважин исследованы в работах А.О.Бухарова и Б.М.Ребрика. Ими предложена аналитическая зависимость силы резания пород с валунно-галечниковыми включениями от диаметра включений <5в и отмечается, что при встрече с валуном диамет ром 0,08 м. сопротивление резанию возрастает в 10 раз по сравнению с сопротивлением разрушению однородной среды. Аналитическая зависимость Г,',^ = Г(с1в) выражается сложной формулой, коэффициенты которой учитывают свойства пород параметры режима бурения и конструктивные особенности инструмента, поэтому для рассматриваемых условий эксплуатации установок серии 'ВС нами предлагается более простое выражение:

Ргез+0,835-4-0, Н,

(10)

где о - сопротивление породы разрушению, МПа и I-'n i - усилия резания породы при отсутствии в ней твердых включений, Н. Расчеты показывают, что при бурении пород средней плотности с а = 10 • 104ГТа шнеками диаметром 0,5 -1,5 м. с осевыми усилиями в 25 -150 кН увеличение силы резания при встрече с валуном диаметром 0,1 м. не превышает 300% от силы резания тех же пород без твердых включений. Суммарные затраты мощности на бурение с увеличением диаметра включений также увеличиваются, но не столь значительно, как предполагалось ранее. При увеличении размеров включений с 0,02 до 0,1 (т.е. в 5 раз) IN возрастает в среднем на 30 - 40% для шнеков любого диаметра. В целом расчетные значения XN оказываются существенно ниже по сравнению с фактическими затратами мощности при бурении в реальных условиях. Это может быть вызвано тем, что при встрече инструмента с валуном рассматривается увеличение только Fpgз, в то время как одновременно с Fj-ез увеличиваются и другие составляющие формулы (7) Таким образом, данная методика расчета затрат- мощности применительно к бурению скважин буровыми установками фирмы "Bauer" в исследуемых горно-геологических условиях требует определенной корректировки.

В соответствии с методикой, разработанной проф. Б.М.Ребриком, забойная мощность рассматривается как сумма затрат мощности на срезание стружки породы, преодоление сил трения, сопротивления породы при вовлечение её в движение, на смещение валуна диаметром da и преодоление динамических сопротивлений. Забойная мощность (кВт) для рассматриваемых условий определяется по формуле:

N3 = 549,25- Fœ • D-t-0,01 • Fw, • D3 + + 106,6-10J-D-d1)-^^-(dj>-5^-10-4-&-) +108,8-I0'-D2-dB3 (11)

(здесь Foc в килоньютонах, a D и d, - в метрах)

Суммарные затраты мощности IN в соответствии с (8), (9) и (11) дают значения достаточно близкие к результатам замеров в реальных условиях.

Анализ результатов расчетов показывает, что зависимость затрат мощности от осевой нагрузки для различных диаметров скважин в первом приближении может быть аппроксимирована прямыми, т.е.:

Интенсивность увеличения затрат мощности (тангенс угла наклона прямых к горизонтали) возрастает с увеличением размера твердых включений, т.е. к = = ((ёв), причем и эта функция с достаточным приближением может быть представлена уравнением 1-ой степени. Численные значения коэффициента "Ь" определяются также размерами твердых включений и практически не зависят от диаметра породоразрушающего инструмента. Зависимость Ь={(йв) графически представлена на рис.1 пунктирной линией и может быть описана уравнением

1Ы = кРос + Ь, кВт,

(12)

Ь = 1253,6 (1иб+13,3 (сплошная линия на рис. 1 )

(13)

Рис.1. Зависимость коэффициента 8 от диаметра твердых включений с/в.

I - при расчете по ме-

тодике Б.М.Ребрика. 2 - по предлагаемой

зависимости.

ОМ 0.08 0,12 О, <6

Подставляя в выражение (12) значения к и Ь, получим формулы для определения суммарных затрат мощности при бурении станком "Вй - 9"

скважин различного диаметра в рассматриваемых порно- геологических уело-

виях:

О = 0,5м 2> = (1,4ьав+0,1).^+1253,6-<1в2,в+ 13,3

О = 0,65м £№-(0,67-с1в + 0,29)-Р<х. +1253,6-<1„г" +13,3

О = 0,8м. £N=(1,08-6, + 0,33)ТОС +1253.6 •<!„2,6 +13,3 (14)

Б = 1,0м. £N=(2,17-^ +0,45)- Г«, +1253,6-с1п +13,3

О = 1,2м. £N=(3,17-с1в +0,47)-Рос + 1253,6 «С'" +13,3

О = 1,5м. £N=(3,0-(!„ + 0,65) • Бос + 1253,6-сС" + 13,3

Слагаемое 13,3 в формулах (14), величина которого не зависит ни от режимов бурения, ни от свойств пород характеризует, видимо, затраты мощности в приводе бурового станка. Значения Хс, вычисленные ранее по формуле (9), составили 9,05 кВт; несовпадение значений объясняется во-первых тем, что имеющиеся в справочной литературе величины коэффициентов соответствуют отечественным, а не зарубежным буровым станкам, во-вторых, не известен характер изменения коэффициентов, что затрудняет интерполяцию их значений, и в-третьих, не представляется возможным достоверно оценить степень износа бурового оборудования, от чего в значительной мере зависят затраты мощности. С учетом этих замечаний сходимость значений N0 в формулах (9) и (14) следует признать удовлетворительной.

В целом значения ЕМ, вычисленные по формулам (14) соответствуют фактическим: для шнеков диаметром 0,65 м. и 1,0 м. математическое ожидание абсолютной величины ошибки составляет соответственно 4,68 и 2,39, а дисперсия -4,06 и 2,47 кВт2.

Считая в первом приближении затраты мощности пропорциональными сопротивлению породы разрушению, формулы (14) можно представить в виде:

£N=10 7 а (т- Рк +1253,6-<1|,3") +13,3, кВт, (15)

где а - предел прочности породы на сжатие. Па, т - коэффициент, зависящий от О и с!,.

С учетом формул (14) для каждого диаметра инструмента построены графики зависимости расхода мощности £Ы, энергоемкости А и рейсовой скорости бурения Ун . В качестве примера на рис 2 приведен такой график для 0-0,8 м Зная размеры встречающихся в породе отдельностей, можно установить

Рис. 2. Ратттн мощности (сплошнне лиши) и удельная энергоемкость (пунктир) при бурении скважин диаметром м. б породах с твердями включениями размером:

е^-ОМ ; 2- Лв=0,0а; 5-с(6=О,!2 и к - 46^-0,1бм.

максимальный диаметр скважины, при бурении которой затраты мощности не превысят возможностей привода установки; для заданного диаметра выбрать осевое усилие, при котором наиболее полно будет использоваться мощность привода; по принятым параметрам бурения (Foc, D) ориентировочно оценить удельный расход энергии (хВт-ч/м) и рейсовую скорость (м/ч), а с учетом формулы (2) оценить и затраты времени на бурение 1 м. скважины.

Четяёртое защищаемое положение. Критерий технической эффектиено-стиявляется характеристикой, обеспечивающей качественную оценку па-

Рис. 3. Зависимость критерия технической эффективности д* от осевой нагрузки и диаметра скважины

раметро« релсилм медлеипоеращателъного бурения сквалсин большого диаметра. При использовании установок серии "ВО" наибольшая эффективность бурения достигается при максимально возможных осевых усилиях. Одна и таже рейсовая скорость может быть обеспечена либо при небольшой толщине стружки (т.е. при малом осевом усилии) и увеличенном числе оборотов, либо при увеличенной подаче за

оборот и сниженной частоте вращения. Большинство исследователей считают предпочтительным второй способ, однако теоретического обоснования этого утверждения не приводится. Е.А.Козловасий, Б.М.Ребрик и др. при сравнении между собой нескольких буровых установок рекомендуют использовать критерий технической эффективности ч* - обратную величину произведения времени бурения 1 м. скважины на затраченную энергию. Чем больше ц*, тем выше уровень технической эффективности оборудования. Критерий я* имеет размерность (кВт~'-ч~2), определяет фундаментальные атрибуты любого превращения - силу, время и перемещение - и, видимо, может использоваться для сравнения различных режимов бурения, реализуемых в одинаковых горно-геологических условиях одной и той же буровой установкой.

На рис. 3 представлена зависимость ч* = ДРсс) при бурении скважин в исследуемых условиях. Из приведенной зависимости следует, что при медпенновращательном бурении короткими рейсами наибольшая эффективность использования буровой установки достигается при бурении с максимальным осевым усилием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования, анализ результатов которых позволяет наметить пути повышения эффективности использования буровых установок при бурении скважин большого диаметра на строительстве инженерных объектов в Москве и Подмосковье. Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Статистической обработкой фактических данных установлены наиболее широко используемые в строительных работах диаметры и глубины скважин, а также физико-механические свойства грунтов и пород, совершенствование процесса бурения в которых необходимо в первую очередь.

2. Установлено, что в рассматриваемых условиях наиболее целесообразным является применение буровых установок серим "BG" фирмы "Bauer" со шнекоаым породоразрушающим инструментом.

3. Из экономических соображений установки серии "BG" рекомендуется импортировать без комплектующего их породоразрушающего инструмента, используя буровой инструмент отечественного производства.

4. С учетом анализа результатов бурения в натурных условиях предложено выражение для расчета фактической производительности и трудоёмкости бурения скважин установками серии "BG".

5. Доказано, что методика расчета мощности по усилиям на резание породы, перемещение её в бур и трение о стенки скважины в случае медленновра-гцательного бурения установками фирмы "Bauer" дает заниженные результаты и требует корректировки.

6.. Установлено, что при наличии валунно-галечннковых включений затраты мощности на бурение возрастают, увеличиваясь с размером включений: при увеличении размеров включений с 0,02 до 0,1 м. (т.е. в 5 раз) затраты мощности на бурение возрастают в среднем на 30% - 35%.

7. Рекомендованы формулы для расчета суммарных затрат мощное! и при бурении скважин установками фирмы "Bauer" в исследуемых горногеологических условиях и на их основе построены номограммы, позволяющие выбирать режимы бурения и уже на стадии проектирования буровых рхбот оценивать их энерго- и трудоемкость.

8. Определены затраты мощности Nc в трансмиссии буровых установок "BG -9". Установлено, что при расчете Тч: для зарубежной буровой техники приводимые в справочной jnncpai^pc значения коэффициентов базовой формулы требуют уточнения.

О. Доказано, мо Kpnicpmi технической эффективности можно использовать для оценки и выбора параметров режима медленновращательного бурения скважин большого диаметра. Установлено, что наибольшая эффективность использования буровой установки достигается при бурении с максимальными осевыми усилиями.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рудаков В.В. Опыт бурения на шнековой буровой установке.//Новые достижения в науках о Земле. Тезисы докладов на международной конференции. Москва, МГГА, 1995 г.

2. Рудаков В.В. Возведение подпорных стенок методом секущихся свай. //Новые достижения в науках о Земле. Тезисы докладов на международной конференции. Москва, МГГА, 1997 г.

3. Рудаков В.В. Исследование затрат мощности при бурении скважин большого диаметра установкой "BG - 9". //Новые достижения в науках о Земле. Тезисы докладов на международной конференции. Москва, МГГА, 1997 г.

4. РудаковВ.В. К расчету усилия резания породы при вращательном бурении скважин большого диаметра в породах с валунно-галечниковыми включениями. //Известия ВУЗов, Геология и разведка, 1997 г., № 5.

5. Рудаков В.В. Затраты мощности на бурение медленновращательным способом скважин большого диаметра. //Известия ВУЗов, Геология и разведка, 1998 г., № 1