Состав комплекта оборудования для реализации технологии прокалывания с ГСЦ неустойчивых пород

Комплект технологического оборудования, необходимый для производства работ по прокалыванию с ГСЦ горных пород, состоит из источника водоцементной суспензии высокого давления и домкратной установки со специализированным навесным оборудованием для подачи водоцементной суспензии высокого давления.

Общий вид комплекта оборудования для прокола с ГСЦ представлен
на рис. 3

Рис.5. Общий вид комплекта оборудования для прокола с ГСЦ

Домкратная установка состоит из опорных плит, несущей рамы с направляющими по которым перемещается податчик с цепным гидравлическим приводом и гидравлический вращатель для обеспечения проворота става при проколе и цементации.

Технические характеристики домкратной станции представлены в таблице 4.

Таблица 4

Источник водоцементной суспензии высокого давления, включает в себя следующие основные элементы: цементировочный насос высокого давления, миксерная станция, силос для хранения цемента. Все перечисленные элементы объединяются при помощи системы трубопроводов.

Оборудование, полностью отвечающее требуем технологическим параметрам, на сегодняшний день, выпускается серийно как отечественной, так и зарубежной промышленностью.

Характерными примерами цементировочных насосов, отвечающих требованиям, предъявляемым технологией ГСЦ горных пород, могут служить следующие изделия.

Высоконапорный насос TW 400/S (производится фирмой Tecniwell, Италия [16] c 2002 г), предназначенный для нагнетания цементных растворов в массив под высоким давлением для ГСЦ горных пород или инъекционного закрепления.

Насос TW 400/S (рис. 6.) представляет собой агрегат из дизельного двигателя и трехцилиндрового плунжерного насоса, установленный внутри металлического контейнера.

Рис. 6. Цементировочный насос высокого давления TW 400/S

Примером отечественного насосного оборудования, которое может быть использовано для ГСЦ горных пород является насосная установка НБ3-120/40 (рис. 7), предназначенная для перекачивания буровых и цементных растворов. НБ3-120/40 производится серийно с 2006 г. [9, 16, 17].

Конструктивно данная насосная установка состоит из трехплунжерного насоса и электродвигателя, соединенных между собой при помощи ременной передачи. Технические характеристики насосной установки следующие: ход плунжера 60 мм, диаметр плунжера 63 мм, диаметр входного отверстия 50 мм, диаметр выпускного отверстия 38 мм, габаритные размеры 0, 9× 1, 1× 1, 4 м, масса 0, 5 т, двигатель АО2-51-4 мощностью 7, 5 кВт [9, 16, 17, 18, 19].

Рис.7. Насос буровой НБ3-120/40

Типичным примером миксерных станций является миксерная станция Cuoghi LL 500, производства фирмы Cuoghi, Италия (рис. 6) [16].

Рис. 8. Миксерная станция Cuoghi LL 500 A

Cuoghi LL 500 имеет объем бака смесителя 500 л, объем бака накопителя 1000 л, максимальную производительность 10 м³/ч [16].

Таким образом, на основании выполненного анализа, можно утверждать, что современная промышленность выпускает оборудование для получения водоцементной суспензии и подачи ее потребителю под высоким давлением, и что параметры этого оборудования полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источнику водоцементной суспензии высокого давления используемого в технологическом цикле при ГСЦ закреплении массива горных пород.

Однако широкое применение технологии ГСЦ для прокладки прокола сдерживается следующими основными причинами:

- отсутствие обоснованных рекомендаций по определению рациональных режимов работы оборудования для закрепления породного массива методом ГСЦ;

- отсутствие конструкций исполнительных органов для таких работ;

- отсутствие обоснованных параметров работ установки.

При этом навесное буровое оборудование (буровая головка) и базовая машина должна быть конструктивно увязаны, и, прежде всего по энергетическим, схемным и компоновочным возможностям, с обеспечением безопасности при эксплуатации машины.

Кроме того, большим недостатком закрепления неустойчивых горных пород методом ГСЦ является сложность контроля формы закрепляемого массива.

Вопрос качества цементного раствора, его состава – решен и не вызывает никаких осложнений [9, 19]; для реализации технологии ГСЦ в большинстве случаев применяется массовое соотношение воды и цемента в растворе 1: 1, оно позволяет обеспечить насыщение закрепляемого массива достаточным количеством цемента при сохранении хорошей жидкотекучести подаваемой высоконапорной суспензии.

Однако, если по длине пилотной скважины прочность породного массива, подлежащего закреплению изменяется, то и сама форма закрепленного массива может изменяться и быть отличной от проектируемой. Так, например, при появлении по оси пилотной скважины области горных пород с более высокими прочностными свойствами закрепляемый массив возможно будет иметь меньший диаметр в данной области, что негативно сказывается на результатах применения технологии ГСЦ. В обратном случае – при наличии области пород с меньшими прочностными свойствами результат также негативен: в данной области возможно значительное увеличение диаметра закрепляемого массива, что вызывает перерасход цемента и уменьшает общую производительность работ.

Поэтому, вопросу определения качества закрепляемого массива отнимают на себя значительные материально-технические и временные ресурсы.

3. ОБОСНОВАНИЕ СПЕЦЧАСТИ ПРОЕКТА

Задачей моего дипломного проекта является проект установки для направленного прокола с созданием защитной породобетонной оболочки. Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки является синтезом известных прогрессивных технологий – управляемого прокола и закреплением массивов породы методом гидроструйной цементации.

Как уже отмечалось выше, в качестве базовой машины мной была выбрана установка для направленного прокола УП-40.

Для достижения поставленной задач, я предлагаю установить но базовую установку специальное навесное оборудование для гидроструйной цементации пород.

Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки является синтезом известных прогрессивных строительных технологий – управляемого прокола и закреплением массивов грунта методом гидроструйной цементации.

Данная технологическая схема реализуется следующим образом: на первом этапе работ, методом управляемого прокола, выполняется прокладка пилотной скважины, на вышедший на дневную поверхность исполнительный орган машины, для направленного проколf, крепится конический расширитель (риммер) с присоединенной к нему трубой, которая должна быть установлена в насыпи; на втором этапе, обратное вытягивание прокалывающего става осуществляется с одновременным подачей из специального ГСЦ гидромонитора (расширителя со струеформирующей насадкой) высокоскоростных водоцементных струй от автономного насосного оборудования. Причем, скорость вытягивания прокалывающего става, диаметр установки насадки, и диаметр струеформирующей насадки в гидромониторе задаются, исходя из рекомендаций по закреплению массива грунтов методом ГСЦ.

Рис. 9. Установка производства ООО " 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.

Минусом представленного комплекта оборудования для реализации технологии прокола с созданием грунтобетонной оболочки является периодический выход из строя механизма вращения, состоящего из вращателя и гидросъемника.

Решением данной проблемы является использование расширителя с установленными на нем щелевыми струеформирующими насадками (рис. 10), что позволяет избавиться от вращения прокалывающего става.

Рис. 10. Вариант исполнения ГСЦ инструмента с щелевыми струеформирующими насадками.

1 – хвостовик, 2 – расширитель, 3 - канал подачи водоцементной суспензии, 4 – струеформирующая насадка

Таким образом, избавляясь от вращателя и гидросъемника, мы упрощаем конструкцию прокалывающей установки и увеличиваем ее надежность, при этом производительность установки в целом не уменьшается. Конструкция щелевых насадок позволяет нам менять угол распыления суспензии, за счет чего мы можем варьировать значение диаметра закрепляемого массива.

Питание прокалывающей машины гидравлической энергией может осуществляться от приводной дизельной маслостанции.

Дизельная маслостанция предназначена для подачи под высоким давлением масла к трем независимым потребителям установки прокола и для выработки трехфазного и однофазного напряжения. Рабочая жидкость, всасываемая насосом из бака, подается к распределителю. В нейтральном положении распределителя (режим разгрузки) рабочая жидкость подается в сливную магистраль и далее через сливной фильтр в бак, что облегчает запуск двигателя. При переводе распределителя в режим подачи, рабочая жидкость по трубопроводу поступает к потребителю.

Рабочее давление в системе настраивается предохранительным клапаном по показаниям манометра. На сливной линии установлен фильтр тонкой очистки. Рабочая жидкость заливается в бак через заливную горловину.

Технические характеристики

4. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Расчет параметров ГСЦ горных пород

Работы по гидроструйной цементации горных пород выполняются в два этапа.

На первом этапе, во время прямого хода буровой колонны, производится бурение пилотной скважины диаметром до проектной отметки, предусмотренной для формирования закрепленного массива (рис. 4). Промывочный раствор под низким давлением (чаще всего до 5 МПа) поступает через канал в буровой колонне к механическому разрушающему инструменту и осуществляет удаление шлама методом прямой промывки. В качестве промывочного раствора традиционно используются вода, бентонитовый или цементный раствор.

На втором этапе, перед процессом обратного хода буровой колонны, в промывочный канал подается воздушно- водоцементный раствор под высоким давлением P. Автоматическое клапанное устройство, реагируя на повышение давления подаваемого раствора, перекрывает каналы промывки, одновременно открывая подачу раствора (с плотностью ρ) в струеформирующее устройство (диаметром , коэффициентом расхода ), расположенное в непосредственной близости от бурового инструмента и сориентированное таким образом, чтобы высокоскоростные водоцементные струи истекали в направлении, перпендикулярном оси пилотной скважины. После этого осуществляется перемещение буровой колонны (со скоростью V).

После выполнения полного обратного хода из скважины удаляется буровая колонна. Таким образом, после затвердевания, формируется закрепленный массив (диаметром ) и длиной, равной длине пилотной скважины.

Рис.11. Схема ГСЦ закрепляемого массива:

1 – буровая колонна; 2 – струеформирующая насадка; 3 – водоцементная суспензионная струя; 4 – расширитель; 5 – породобетон; 6 – закрепляемый исходный массив;

- диаметр закрепляемого массива, м; R₁, R₂ - радиуса бурового става и радиуса расширителя со струеформирующими устройствами, м.
ρ – плотность водоцементной суспензии, кг/м³; - коэффициент расхода через струеформирующую насадку; - диаметр струеформируещей насадки, м;
Р - давление цементного раствора, МПа; V - скорость перемещения буровой колонны, м/с; Р_пр - усилие прокола Н, С - коэффициент сцепления горной породы, МПа

Все факторы процесса ГСЦ можно разделить на следующие группы:

- конструктивные: R₁, R₂ - радиусы бурового става и радиусы расширителя со струеформирующими устройствами, коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку , диаметр отверстия струеформируещей насадки ;

- режимные: плотность водоцементной суспензии ρ, скорость перемещения буровой колонны , давление водоцементной суспензии ;

- физико-технические свойства горных пород.

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород традиционно принимаются: диаметр закрепляемого породного массива , скорость приращения объема закрепляемого породного массива (производительность).

Скорость приращения объема закрепляемого массива (м³/с) определяется по формуле:

, (1)

где – диаметр закрепляемого массива, м; V – скорость перемещения буровой колонны, м/с.

Вопрос получения водоцементного раствора, рецептуры его состава, применения различных присадок и добавок изменяющих свойства раствора, а также его транспортирования до буровой установки под высоким давлением достаточно полно изучен, и исчерпывающие рекомендации щироко предствлены в соответствующей литературе

Исходные данные для расчета должны включать:

- необходимый диаметр закрепляемого массива , м;

- гидравлическая мощность насосной установки N, Вт (выбирается из параметрического ряда оборудования для ГСЦ);

- давление водоцементного раствора Р, Па (для обеспечения максимальной производительности процесса ГСЦ – принимается максимальное для применяемого насосного блока);

- коэффициент сцепления горной породы С, МПа.

Расчет выполняется для ГСЦ инструмента – монитора оснащенного одной струефоримрующей насадкой. В случае если в мониторе устанавливается несколько струеформирующих насадок (k – число струеформирующих насадок) полученное значение для скорости перемещения буровой колонны V, м/с следует увеличить в k раз.

При расчетах принимается плотность водоцементной суспензии
ρ = 2000кг/м³, соответствующая массовому соотношению воды и цемента 1: 1.

Основные параметры ГСЦ инструмента и процесса ГСЦ горных пород, определяемые в результате расчета:

- диаметр струеформируещей насадки d₀, м;

- рациональная скорость подъема буровой колонны V, м/с, соответствующую максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива G, и минимальной удельной энергоемкости процесса ГСЦ горных пород.

Для определения неизвестных параметров (d₀, V) необходимо решить уравнение расчета диаметра закрепляемого массива.