СПОСОБ ОЧИСТКИ ТРУБЫ, ЗАБИТОЙ ВЕРТИКАЛЬНО В ГРУНТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК E21B25/00 

Изобретение относится к технологии строительных работ и может быть использовано для очистки забитых в грунт открытым торцом труб различного назначения.

Известны различные грунтозаборники, выполненные в виде грейферов, осуществляющих отбор грунта из забитой в грунт открытым торцом трубы. Они извлекаются тросом, прикрепленным к лебедке, установленной над трубой, с последующим удалением из него грунта (каталог фирмы "Кассаагранде" Италия, двухчленистый грейфер "Грейсер"). Недостатком такого способа удаления грунта из трубы является малая эффективность забора грунта от забоя, т. е. забирается небольшой объем грунта, т. к. на последний действуют статическими силами, развиваемыми грейфером.

Наиболее близким к предлагаемому является способ под названием вибробурение, сущность которого в том, что вибропогружателем погружают грунтозаборник в грунт, при этом последний заполняет внутреннюю полость грунта заборника и после его подъема на поверхность осуществляют разгрузку грунтозаборника от грунта. Недостатком известного способа является сложность разгрузки от грунта, который находится в уплотненном состоянии. Эта операция обычно осуществляется вручную.

Известно также грунтозаборное устройство (авт. св. 1120069), которое содержит трубчатой формы емкость и соединенный с ней ударный механизм для погружения в грунт. Емкость со стороны приема грунта снабжена свободноповоротной перекрывающей ее заслонкой, а ударный механизм закреплен на внутренней стенке емкости.

Недостатками известного устройства являются: а) малая эффективность подъема грунта, т. к. часть его выпадает из устройства, т. к. заслонка, опускаясь, его подталкивает; б) сложная конструкция, т. к. необходим специальный механизм - заслонка, а при эксплуатации возможно ее заклинивание грунтом, попадающим между поверхностями поворота.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому является поршневой стакан конструкции ПНИПИСа, содержащий вибропогружать, закрепленный через переходник к стакану. В последнем имеется полый поршень с пальцем, посредством которого поршень монтируется в крайнем верхнем положении. После извлечения на дневную поверхность стакан вставляется в специальный патрубок, упирающийся в нижнюю часть муфты виброустановки, что фиксирует стакан от осевого перемещения. Из стакана выбивается палец, фиксирующий поршень, и вместо него вставляется длинный штырь. С помощью лебедки стакан поднимается вверх, штырь концами упирается в патрубок и не позволяет поршню двигаться вверх. За счет этого грунт выталкивается из стакана. Концы штыря в это время двигаются в вырезах корпуса стакана. Затем штырь вынимается, поршень поднимается в верхнее положение и вновь фиксируется пальцем [1] .

Недостатками известного устройства являются: а) сложность проходки скважин большого диаметра, т. к. грунтовый керн удерживается только по периферии цилиндрической поверхностью; б) сложность очистки внутренней полости поршня от грунта.

Целью способа является повышение эффективности работы за счет улучшения заполнения и разгрузки.

Это достигается за счет того, что грунтовый керн разделяют на продольные блоки и каждый из них удерживают по боковой поверхности, при этом удержание грунтового керна по боковой поверхности осуществляют приложением сил трения при воздействии осевых сил со стороны верхней поверхности грунтового керна, а разгрузку грунтового керна осуществляют одновременным воздействием на все грунтовые блоки или последовательно по блокам. Эти операции позволяют разделить керн на отдельные блоки, что и способствует упрощению разгрузки и позволяет лучше удерживать керн, что предопределяет возможность увлекать большее количество грунта при каждой проходке и затем упрощается процесс разгрузки.

В устройстве для очистки трубы, забитой вертикально в грунт, содержащее ударный узел, связанный с верхней частью желонки, выполненной в виде обечайки с фланцем в верхней части и ограниченно подвижного грунтозаборника, фланец выполнен с каналом, соединенным с пневмосетью и совместно с обечайкой и грунтозаборником, образуют пневмокамеру, причем грунтозаборник выполнен в виде продольных пластин, прикрепленных верхними концами к шайбе, а нижними - жестко связанных между собой кольцом.

Целесообразно кольцо выполнять диаметром, равным диаметру обечайки. Такое выполнение конструкции позволяет силу отдачи, возникающую при работе устройства, компенсировать силой трения по поверхности обечайки.

Целесообразно грунтозаборник снабжать датчиком заполнения грунта, выполненным в виде эластичного контакта, закрепленного через упругую изолирующую мембрану к шайбе со стороны продольных пластин, электрически связанного через источник питания и электрический индикатор с другим контактом, закрепленным на обечайке. Такое выполнение конструкции обеспечивает заполнение грунтом всего объема грунтозаборника и одновременно достигает необходимых усилий, обеспечивающих создание сил трения, необходимых для удержания грунта.

Целесообразно устройство снабжать выталкивателем, выполненным в виде конусообразных секторных элементов, жестко соединенных с основанием с зазорами между собой, ширина которых соответствует ширине продольных пластин. Такое выполнение конструкции устройства автоматизирует разгрузку грунта заборника от грунта.

На фиг. 1 показана операция по забору грунта из забитой вертикально в грунт трубы; на фиг. 2 - сечение забитой в грунт трубы по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - грунтозаборное устройство, продольный разрез; на фиг. 4 - грунтозаборное устройство со стороны ударного узла; на фиг. 5 - вид по стрелке А на фиг. 3; на фиг. 6 - продольный разрез датчика заполнения грунтозаборника грунтом; на фиг. 7 - операция по автоматической разгрузке грунтозаборника от грунта; на фиг. 8 - сечение по Б-Б на фиг. 7.

Сущность предлагаемого способа очистки трубы от грунта состоит в том, что в забитую предварительно в грунт трубу 1 опускают на тросах 2 устройство 3 для реализации способа. При этом грунтозаборник 4 под действием собственного веса выходит из обечайки 5, занимая крайнее нижнее положение (показанное на фиг. 1), определяемое упорами 6, закрепленными на обечайке 5. После того как торец грунтозаборника 4 упрется в грунтовый керн 7, находящийся внутри забитой в грунтовый массив 8 трубы 1, он будет входить в полость обечайки 5 до момента, когда передний торец обечайки 5 соприкоснется с задним торцем кольца 9 грунтозаборника 4. Обычно веса устройства не хватает для внедрения устройства в грунтовый керн 7, находящийся внутри трубы 1. Поэтому следующей операцией является подача сжатого воздуха в ударный узел 10, который создает ударные импульсы, передаваемые на кольцо 9 грунтозаборника 4. Под действием ударных импульсов последний погружается в грунтовый керн 7 и грунт поступает внутрь грунтозаборника 4. При этом происходит разделение грунта на блоки, которые располагаются между пластинами 11. По боковым поверхностям грунтовых блоков возникают силы трения, которые удерживают каждый блок от обрушения. Для обеспечения требуемых сил, гарантирующих удержание грунтового блока в грунтозаборнике 4, забор грунта осуществляют с его последующим уплотнением. В результате создаются силы, направленные во все стороны, т. е. давление. Часть этих сил воздействует на боковые стенки грунтозаборника 4, что создает силы трения, удерживающие грунтовые блоки от обрушения. Силы, действующие вдоль продольной оси грунтозаборника 4, воздействуют на датчик, который сигнализирует о наполнении грунтозаборника грунтом и о том, что он уплотнен таким образом, что возникающие силы достаточны для удержания грунта в грунтозаборнике 4. Следующим этапом извлекают устройство из трубы 1, используя тросы 2 с лебедкой (на чертежах не показана). Грунт при этом удерживается в грунтозаборнике 4 силами трения по боковым поверхностям обечайки 5 и пластин 11.

Следующей операцией является разгрузка грунтозаборника 4 от грунта. Для этого устройство поднимают над дневной поверхностью. Затем грунтозаборник 4 вместе с грунтовыми блоками выдвигают из обечайки 5 и осуществляют разгрузку грунтозаборника 4. При этом можно разгрузку осуществить поблочно вручную. На фиг. 6, 7 показана автоматическая разгрузка всех грунтовых блоков одновременно. Для этого впереди грунтозаборника устанавливается выталкиватель и, выдвигая вперед грунтозаборник, грунт каждого блока одновременно вытесняется вбок.

Рассмотрим устройство для очистки грунта трубы, забитой вертикально в грунт.

Устройство (фиг. 3) состоит из ударного узла 10 (например пневмопробойника), на корпусе которого закреплен рабочий орган (желонка) 3, выполненная в виде обечайки 5, причем ударный узел закреплен в хвостовой части обечайки 5.

К обечайке 5 сваркой прикреплены фланец 12, ребра 13 и втулка 14, которая заклинена на ударном узле 10 (фиг. 3, 4). Фланец 12 выполнен с каналом 15, соединенным с пневмомагистралью через вентиль 1. Внутри обечайки 5 монтирован с возможностью перемещения грунтозаборник 4, который состоит из продольных пластин 11, задний торец которых прикреплен к шайбе 16, а спереди пластины 11 жестко соединены между собой кольцом 9. Поверхностями фланца 12, обечайки 5 и шайбы 16 образована пневмокамера 17. Внутри обечайки 5, в передней ее части установлены упоры 18, которые размещены между пластинами 11 грунтозаборника 4. Пластины 11 могут иметь различные сечения в передней и задней части. Если в передней части их поперечный размер практически равен внутреннему размеру обечайки 5, то в задней имеется скос 19, уменьшающий их поперечный размер. В поперечном сечении на разных высотах пластины 11 имеют различную площадь, причем чем выше сечение, тем площадь, занимаемая вкладышами 11, меньше. Размер (диаметр) кольца 9 соответствует размеру (диаметру) обечайки 5. На шайбе 16 со стороны продольных пластин 11, крепится датчик 20 заполнения грунта (фиг. 6), который выполнен в виде электрического контакта 21, закрепленного на упругой мембране 22, выполненной из изоляционного материала. Электрический контакт 21 через источник питания и электрический индикатор, например электролампу 23, соединен с другим контактом 24 (фиг. 2), закрепленном к обечайке 5.

В передней части грунтоприемника 4 при разгрузке от грунта монтируется выталкиватель 25 (фиг. 7, 8), выполненный в виде конусообразных секторных элементов 26 (коническая поверхность 27) с вершиной, размещенной у нижнего торца кольца 9 грунтозаборника 4, и основанием 28. Все элементы конструкции выталкивателя 25 жестко соединены между собой. Между секторными элементами 26 выполнены радиальные пазы 29, ширина которых соответствует ширине продольных пластин 11.

Принцип работы устройства для реализации способа очистки труб, забитых вертикально в грунт открытым торцом.

Устройство на тросе 2 опускают в трубу 1, забитую в грунтовый массив 8 (фиг. 1). Под действием своего веса устройство опирается на забой грунтового керна 7, находящегося в трубе 1. При подаче сжатого воздуха ударный узел 10 начинает наносить удары, которые через втулку 14, ребра 13, фланец 12, обечайку 5 передаются на грунтозаборник 4 (фиг. 3). Под действием ударных импульсов устройство внедряется в грунтовый керн 7. При этом грунт поступает внутрь и заполняет грунтозаборник 4. При подходе грунта к шайбе 16, он начинает воздействовать на мембрану 22 датчика 20 заполнения грунта (фиг. 6). При дальнейшем уплотнении грунта до необходимой степени внутри грунтозаборника 4 создается внутреннее давление, деформирующее мембрану 22 и замыкающее электрический контакт 21 на "корпус" (поверхность шайбы 16). Это приводит к замыканию электрической цепи и зажиганию электролампы 23, сигнализирующей о подъеме устройства. Сила внутреннего давления грунта воздействуют в поперечном направлении на поверхности обечайки 5, продольных пластин 11 и кольца 9 и вызывают силы трения, удерживающие грунтозаборник 4 и грунт от выпадания из обечайки 5. Датчик давления 20 грунта обеспечивает оптимальное наполнение грунтозаборника 4, т. к. чрезмерное уплотнение грунта в грунтозаборнике 4 затрудняет последующую выгрузку грунта.

Пластины 11 выполняют две технологические функции: разделяют грунтовый керн, обираемый в грунтозаборник 4, на блоки; удерживают каждый грунтовый блок при подаче грунтозаборника 4. Забор грунта осуществляется ударными импульсами, поэтому грунт продавливается внутрь грунтозаборника 4 с уплотнением. При подъеме устройства с использованием лебедки на грунт действуют только сила тяжести, которая на несколько порядков меньше силы, возникающей при ударе. Благодаря этому грунт из грунтозаборника 4 не обрушается при его подъеме (силы трения больше силы тяжести).

После подъема устройства его разгрузку от грунта осуществляют не над трубой 1, а в стороне. При этом подают сжатый воздух через канал 15 в камеру 17, образованную между фланцем 12, обечайкой 5 и шайбой 16. Грунтозаборник 4 при этом вместе с грунтом перемещается вперед до момента, когда шайба 16 упрется в упор 18. В дальнейшем можно вручную осуществить поблочное удаление грунта из грунтозаборника 4. Устройство предусматривает автоматическую очистку грунтозаборника 4 от грунта (фиг. 7). Для этого в передней части грунтозаборника 4 устанавливают выталкиватель 25 на поверхность грунта своим основанием 28 таким образом, чтобы радиальные пазы 29 были совмещены с вкладышами 11. При движении грунтозаборника 4 выталкиватель 25 входит в него. Однако благодаря тому, что секторные элементы 26 имеют в верхней части коническую поверхность 27, грунт каждого грунтового блока, находящегося в грунтозаборнике 4, будет сдвинут в радиальном направлении и вывалиться в бок. После очистки грунтозаборника 4 от грунта можно забирать следующую порцию грунта из трубы 1. Продолжая эти операции, очищают трубу по всей ее длине.

Применение предлагаемого способа и устройства для очистки трубы, забитой вертикально в грунт, позволяет получить 1, 2 рубля годового экономического эффекта на один погонный метр очищаемой трубы. (56) Б. Н. Ребрик. Вибрационное бурение скважин. - М. : Недра, 1974, с. 173.

Использование: очистка забитых в грунт открытым торцом труб различного назначения. Сущность изобретения: грунтовый керн разделяют на продольные блоки и каждый из них удерживают по боковой поверхности. Устройство, реализующее способ, выполнено в виде обечайки, жестко закрепленной на корпусе ударного узла, внутри обечайки жестко закреплен фланец с каналом, связанный с пневмосетью. Подвижный грунтозаборник, размещенный в передней части обечайки, выполнен в виде продольных пластин, задняя часть которых закреплена на шайбе, передняя часть жестко связана с кольцом, диаметр которого соответствует диаметру обечайки. Внедрение устройства в грунт осуществляется под действием ударных импульсов, передаваемых от ударного узла через обечайку кольцу. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ очистки трубы, забитой вертикально в грунт, включающий спуск в трубу до забоя желонки, ударное погружение с заполнением ее внутренней полости грунтовым керном с одновременным его уплотнением, извлечение желонки из трубы и разгрузка ее от грунтового керна, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы за счет улучшения заполнения и разгрузки, грунтовый керн разделяют на продольные блоки и каждый из них удерживают по боковой поверхности, при этом удержание грунтового керна по боковой поверхности осуществляют приложением сил трения при воздействии осевых сил со стороны верхней поверхности грунтового керна, а разгрузку грунтового керна осуществляют одновременным воздействием на все грунтовые блоки или последовательно по блокам. 2. Устройство для очистки трубы, забитой вертикально в грунт, содержащее ударный узел, связанный с верхней частью желонки, выполненной в виде обечайки с фланцем в верхней части и ограниченно подвижного грунтозаборника, отличающееся тем, что фланец выполнен с каналом, соединен с пневмосетью и совместно с обечайкой и грунтозаборником образует пневмокамеру, причем грунтозаборник выполнен в виде продольных пластин, прикрепленных верхними концами к шайбе, а нижними - жестко связанных между собой кольцом. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что кольцо выполнено диаметром, равным диаметру обечайки. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что грунтозаборник снабжен датчиком заполнения грунта, выполненным в виде электрического контакта, закрепленного через упругую изолирующую мембрану к шайбе со стороны продольных пластин, электрически связанного через источник питания и электрический индикатор с другим контактом, закрепленным на обечайке. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно снабжено выталкивателем, выполненным в виде конусообразных секторных элементов и основания, причем конусообразные секторные элементы жестко соединены с основанием с зазорами между собой, ширина которых соответствует ширине продольных пластин.