Лекция 4
Буровзрывные работы.
Бурение грунтов – технологический процесс, направленный на получение цилиндрических выработок (шпуров, скважин) в земных недрах с целью изысканий (разведки напластований грунтов), водоснабжения и водопонижения, взрыва и т.д.
Выработку диаметром до 75 мм и глубиной до 6 м, называют шпуром, диаметром более 75 мм и глубиной более 6 м – скважиной.
Шпуры и скважины бывают вертикальные, наклонные и горизонтальные. Начало шпура или скважины у поверхности земли называют устьем, низ – забоем, а боковые поверхности - стенками.
Процесс бурения состоит из двух операций: разрушения породы на дне скважины и удаления разрушенной породы из скважины.
Разрушенный грунт (шлам) удаляют из скважины глинистым раствором или водой, струей сжатого воздуха, шнековым устройством, желонками и другими приспособлениями, выбираемыми в зависимости от способа бурения, глубины скважины и рода грунта.
В зависимости от геологических и гидрологических условий выработок и их глубины применяют механическое, термическое или ручное бурение.
Механический способ бурения шпуров производят с помощью перфораторов (пневматических бурильных молотков) и электросвёрел.
Шпуры глубиной до 2,5 метров и диаметром до 45 мм. бурят ручными перфораторами; глубиной более 2,5 метров и диаметром 45-75 мм. тяжёлыми перфораторами, устанавливаемыми на специальных тележках или треногах.
Электросвёрла применяются для вращательного бурения шпуров диаметром до 46 мм. и глубиной до 5 метров в породах различной твёрдости. При эксплуатации ручного электросверла осевое давление создаётся за счёт мускульной энергии бурильщика.
Термический способ применяют для бурения твердых пород и мёрзлых грунтов. Применяются передвижные станки термического бурения на гусеничном и автомобильном ходу и ручные термобуры. По производительности даже ручное термобурение в 10-12 раз эффективнее механических способов бурения.
Термобур представляет из себя металлическую трубу-кожух в которую вмонтирована реактивная горелка с форсункой, распыляющая керосин. Температура огненной струи выбрасываемой термобуром достигает 2000 градусов Цельсия. Скорость потока раскаленных газов более 2000 м\сек.
Скважины бурят ударным, вращательным и вибрационным способами.
Ударный способ заключается в том, что буровой снаряд массой 1- 3 т. падает с определённой высоты в забой скважины и разрушает породу. После каждого удара буровой снаряд поворачивается на некоторый угол, благодаря чему равномерно разрушается вся площадь забоя. В скважину периодически подают воду и образовавшийся шлам вычерпывают желонкой. Ударным способом бурят скважины диаметром до 400 мм. и глубиной до 200 метров.
Для вращательного бурения применяют самоходные бурильные установки. Бурильный инструмент входит в толщину грунта вращательно-поступательным движением по направлению своей оси.
В процессе бурения в забой скважины от насоса через нагнетательный шланг и бурильные трубы подают промывочную жидкость (глинистый раствор, воду), которая, поднимаясь между бурильными трубами и стенками скважины, выносит на поверхность трубы частицы шлама и охлаждает инструмент.
К достоинствам вращательного бурения следует отнести высокую производительность (в 3-5 раз превышающую производительность ударного бурения), более низкую стоимость буровых работ, возможность бурения наклонных и горизонтальных скважин, простоту обслуживания оборудования.
Недостаток – ограниченный диаметр скважины: - до 150 мм.
При вибрационном бурении применяют вибраторы направленного действия, жёстко присоединённые к колонне буровых труб, имеющей на конце рабочий наконечник.
Под действием вибрирующего снаряда некрепкие грунты выделяют связанную воду и часть породы в зоне контакта с вибрирующим наконечником переходит в подвижное состояние, что влечёт за собой резкое снижение сопротивления грунта и способствует погружению вибробурового снаряда в породу.
При вибропогружении почти в десять раз повышается скорость проходки скважины, по сравнению с ударно-канатным бурением. К недостаткам относится то, что с увеличением глубины выработки скорость бурения уменьшается в следствие снижения вибрации инструмента и на глубине 25 м вибрация затухает совсем, а также – диаметр шпуров и скважин не превышает 125 мм.
Взрывные работы.
При устройстве выемок, траншей и котлованов может быть применён взрывной способ разработки грунта, являющийся одним из мощных средств механизации трудоёмких и тяжёлых работ. Этот способ используют также при разрушении намеченных к сносу зданий и для разрыхления мёрзлых и твёрдых грунтов.
Взрывчатые вещества (ВВ) представляют собой химические соединения или механические смеси, способные под влиянием внешних воздействий к быстрому химическому превращению, сопровождающемуся образованием сильно нагретых и обладающих большим давлением газов. В результате возникает ударная волна, которая, распространяясь во все стороны окружающей среды, оказывает разрушительное действие, называемое взрывом.
Все ВВ подразделяются на три основные группы:
1. ИнициирующиеВВ – (гремучая ртуть, азид свинца, нитроглицерин) применяют для снаряжения капсюлей- детонаторов, капсюлей воспламенителей и изготовления детонирующих шнуров. Особенность инициирующих ВВ – их чрезвычайная чувствительность к искре, огню, удару, трению.
2. Бризантные ВВ - (динамит, аммонит, тротил и другие) имеют высокую скорость взрывчатого разложения. Сравнительно небольшая их чувствительность к удару обеспечивает достаточную безопасность в обращении, что определяет возможность их широкого применения.
3. Метательные ВВ - имеют невысокую скорость взрывчатого разложения. Представители этого класса ВВ – дымный порох (механическая смесь селитры, серы и угля) и бездымный порох (пироксилиновый или нитроглицериновый).
Тротил чаще других применяют при подрыве грунтов и скальных пород.
Прессованный и плавленый тротил не теряет своих взрывчатых свойств даже после длительного пребывания в воде.
Элементы воронки.
r – радиус воронки, d – высота гребня воронки, p – видимая глубина воронки, P – общая глубина воронки, считая высоту гребня (валика), R – радиус разрушения, C –масса заряда,
h – глубина заложения заряда (или линия наименьшего сопротивления – ЛНС).
Способы взрывания
Взрывание с помощью детонирующего шнура наиболее распространено, так как проще осуществляется, а в случае отказа, в зарядах нет опасных детонаторов.
Сердцевина ДШ заполнена бризантным ВВ, за счет чего и инициируется взрыв основного заряда. Детонирующий шнур (ДШ) предназначен для взрывания как одного, так и нескольких зарядов.
Огневой способ – применяют для взрывания одиночных зарядов или неодновременного взрывания нескольких зарядов. Для взрывания этим способом необходимы капсюли-детонаторы, огнепроводный шнур, механический или тёрочные воспламенители или спички. Капсюли-детонаторы взрываются от пучка искр огнепроводного шнура. Скорость горения огнепроводного шнура (ОШ) примерно 1 см/сек.
Электрический способ применяют, когда необходимо взорвать большое число зарядов. При этом применяют электродетонаторы, провода, источники тока, проверочные и измерительные приборы.
Заряды по своему местонахождению подразделяются на наружные (располагаются на поверхности грунта) и внутренние (находятся в шпурах, скважинах, камерах и т.д.д.).
Заряды по форме бывают:
- сосредоточенные
- удлиненные
- фигурные
- рассредоточенные.
Количество ВВ, необходимое для взрыва, определяют расчётом в зависимости от плотности (твёрдости) взрываемой породы и назначения взрыва.
Производство земляных работ в зимнее время.
При замерзании увеличивается механическая прочность грунта, что создаёт дополнительные трудности при его разработке. С другой стороны замерзание грунта упрощает производство работ, так как нет необходимости выполнять сложные и дорогие водоотводные мероприятия и укреплять стенки выемок.
Мероприятия, связанные с особенностями производства земляных работ в зимнее время объединены в три группы:
- предохранение грунтов от промерзания,
- рыхление и резание промёрзших грунтов на блоки,
- оттаивание мёрзлого грунта.
Для защиты грунтов от промерзания применяют следующие способы:
1. Осушение грунтов – водоотлив, водопонижение - для понижения влажности. Работы выполняются за 1,5-2 месяца до замерзания земли.
2. Рыхление, вспахивание с последующим боронованием. Снегозадержание в начале зимы. Рыхление на 0,5 метра уменьшает глубину промерзания на 40-60% по сравнению с обычными условиями.
3. Укрытие грунтов полиэтиленовой плёнкой, пенопластом, сухим торфом, полимерной пеной.
4. Введение химических реагентов (хлористый натрий и калий) применяют для разработки небольших котлованов и выемок. Реагенты вводят за 10-15 дней до наступления отрицательных температур (строительный сезон увеличивается до 20 дней).
Разработка мёрзлых грунтов без дополнительных мероприятий экскаваторами с прямой и обратной лопатой возможна при глубине промерзания до 40 см., драглайном – до 15 см. При этом резко падает производительность и увеличивается износ экскаваторов.
Взламывание мёрзлого грунта чаще всего производится одно-, двух- и трёхзубными рыхлителями, навешанными на трактор (глубина рыхления до 0,65 метра).
При разработке котлованов и траншей на не очень больших площадях мёрзлый грунт разрыхляют при помощи клин-бабы (стальная болванка массой в несколько тонн, сбрасываемая со стрелы драглайна) и клин-молота. Клин-молот представляет собой дизель-, пневмо- или гидромолот, соединённый с клином и навешанный к экскаватору, трактору или тракторному погрузчику.
Схема разработки котлована с рыхлением грунта
а – клин-бабой; б – трёхклинным рыхлителем; в - с нарезкой грунта баровой установкой; г – с нарезкой мёрзлого грунта дисковой фрезой; 1-экскаватор; 2-экскаватор, оборудованный клин-бабой; 3-втомобиль-самосвал; 4-вешка; 5-трактор, оборудованный баровой установкой; 7-то же, фрезой диаметром 1,5.
Вместо рыхления, можно промёрзший грунт разрезать на куски с помощью баровой или дискофрезерной машины, смонтированной на базе трактора.
Наиболее эффективно применение этих установок при глубине промерзания
до 1метра.
Оттаивание мёрзлого грунта применяется лишь в случаях, где другой способ неприменим (стеснённые условия). Осуществляется оттаивание грунта огневым способом, паром (паровые иглы и паровые регистры), водой (водяные циркуляционные иглы и регистры), оттаивание электронагревателями (ТЭНами, вертикальными и горизонтальными электродами) и т.д.