СПОСОБ БУРЕНИЯ ТВЕРДОЙ ПОРОДЫ ПРИ ПОМОЩИ БУРОВОЙ ТУННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2008 года по МПК E21B21/14 E21D9/06 C09K8/38 

Изобретение относится к способу бурения туннеля в твердой породе.

Бурение туннелей в твердой породе, такой как известняк и метаморфические или изверженные породы, всегда создавало больше проблем, чем бурение в более мягких породах. Наиболее широко используемым способом проходки туннеля в такой породе являлось бурение взрывных скважин, за которым следовал подрыв с помощью взрывчатого вещества. Было желательно использовать буровые туннелепроходческие машины (БТМ), машины с большим диаметром режущих головок (иногда более 10 м), для проходки туннелей в твердой породе. Основной проблемой использования БТМ в такой породе является быстрый износ режущих элементов (дисков из закаленной стали, которые выступают из режущей головки) и необходимость их частой замены; недостаток как с технологической, так и с экономической точки зрения.

Из WO 99/18330 и WO 01/12952 известно применение буровых вспененных водных растворов.

Неожиданно было обнаружено, что использование особой композиции может существенно понизить этот износ, позволяя осуществлять более эффективное и экономичное бурение твердой породы с помощью БТМ. Следовательно, это изобретение обеспечивает способ бурения твердой породы при помощи буровой туннелепроходческой машины, включающей выступающие из режущей головки диски из закаленной стали, при котором износ режущей головки снижают посредством добавления на режущую головку вспененной водной жидкой композиции, которая включает пенообразующий агент и смазочный материал, выбираемый из полиэтиленоксидов с высокой молекулярной массой.

Пенообразующий агент может быть любым пенообразующим агентом, то есть любым материалом, который при перемешивании в воде будет вызывать стабильное образование пены. В этом изобретении возможно использование в композиции более чем одного такого пенообразующего агента. В области техники известен широкий выбор таких материалов. Предпочтительными материалами для использования в качестве пенообразующих агентов в этом изобретении являются поверхностно-активные вещества, которые имеют как гидрофильные, так и гидрофобные составляющие. Хотя можно использовать любые подходящие поверхностно-активные вещества, было обнаружено, что для целей этого изобретения лучше всего работают поверхностно-активные вещества анионного или неионного типа, и они являются предпочтительными поверхностно-активными веществами.

Если поверхностно-активные вещества являются веществами анионного типа, это предпочтительно серосодержащее поверхностно-активное вещество, более предпочтителен сульфат спирта и наиболее предпочтителен лаурилсульфат. В технике известно много подходящих материалов, причем примером особенно предпочтительного материала является моноизопропаноламин-лаурилсульфат (имеющийся в продаже, например, под торговой маркой "Sulfetal'Cjot 60).

В то время как анионные поверхностно-активные вещества имеют отличные характеристики, их использование иногда нежелательно, если вопросы охраны окружающей среды являются важными. Из соображений защиты окружающей среды предпочтительно, чтобы пена была нестойкой, т.е. чтобы она оставалась пеной только на время между ее образованием и удалением вспененной жидкости с режущей поверхности. Пена из анионных поверхностно-активных веществ может быть настолько стабильной и стойкой, что ее можно иногда обнаружить в реках, отдаленных от места производства работ. В таких случаях предпочитают неионные поверхностно-активные вещества; их характеристики в месте производства работ не менее отличные, но они быстрее биологически разлагаются и любая образуемая пена существует относительно короткое время. К тому же, продукты распада неионных поверхностно-активных веществ являются существенно менее вредными, чем такие продукты в случае анионных поверхностно-активных веществ, и, следовательно, они представляют меньшую токсикологическую опасность для растительной и животной жизни.

Примеры эффективных неионных поверхностно-активных веществ, подходящих для использования в этом изобретении, включают алканоламиды, аминоксиды, этоксилированные спирты, этоксилированные алкилфенолы, этоксилированные сложные эфиры, сложные эфиры глюкозы и сахарозы и их производные. Особенно эффективными являются сложные эфиры глюкозы и сахарозы и их производных, в особенности алкилполиглюкозиды. Типичные примеры коммерческих продуктов включают "Lutensol" (торговая марка) GD 70 (ex BASF) и "Glucopon" (торговая марка) (ex Cognis).

Смазочный материал выбирают из полиэтиленоксидов с высокой молекулярной массой. Полиэтиленоксид (ПЭО) с «высокой молекулярной массой» означает ПЭО со среднемассовой молекулярной массой, по меньшей мере, 1000000. Предпочтительно, чтобы молекулярная масса составляла от 2000000 до 8000000. Такие материалы ранее использовали при бурении туннелей с помощью БТМ, но никогда не применяли в связи с бурением твердых пород. Типичные коммерческие продукты включат POLYYOX (зарегистрированная торговая марка) WSR-301. Можно использовать смесь различных ПЭО; хотя, будучи полимером, ПЭО имеет распределение молекулярной массы, и, следовательно, он уже по существу является смесью различных материалов.

Композиции готовят к использованию путем добавления подходящего количества воды. Хотя поставка сухих композиций теоретически возможна и не исключена из этого изобретения, это является непрактичным. Одной причиной этого является то, что это вводит задачу получения жидкой композиции на месте производства работ - это может быть затруднительно, особенно в случае с ПЭО с высокой молекулярной массой, который, хотя и является водорасторимым, может трудно растворяться. К тому же другие имеющиеся в продаже добавки (описанные далее ниже) часто поставляются только в виде раствора или суспензии.

Существует два способа преодоления этих трудностей. Первым является поставка композиций в виде серии отдельных водных ингредиентов, которые можно добавить в правильных отдельных пропорциях к относительно большому количеству воды для пенообразования. Таким образом, ПЭО, пенообразующий агент и любые возможные ингредиенты (дополнительно описанные ниже) поставляют отдельно в водной форме. Необходимое оборудование для хранения и отмеривания хорошо известно в технике, и, следовательно, не требуется описывать его далее. Этот способ имеет преимущество в своей универсальности - количество ингредиентов можно изменять для соответствующих локальных условий по мере их возникновения, и любые возможные компоненты можно включать или не включать в зависимости от обстоятельств.

Более желательным способом для большинства применений является поставка концентрата, концентрированного водного раствора или суспензии с подходящей пропорцией необходимых ингредиентов, которые можно быстро и просто использовать. Не составляет проблемы растворять такой концентрат и вспенивать растворенный концентрат на рабочем месте. Там, где не нужна универсальность подхода с отмериванием, описанного выше, этот случай очень предпочтителен из-за простоты в использовании и относительно низкой стоимости.

Количество ингредиентов, на которые ссылаются в последующих параграфах, относятся к водным композициям, которые включают сухие ингредиенты плюс достаточное количество воды, либо для приведения отельных ингредиентов в водную форму для отдельного отмеривания, как описано выше, или для приготовления водного концентрата, как описано выше. Композиции получают, добавляя воду до 100%. Это не включает конечное разбавление и вспенивание воды (эти количества см. далее)

Применяемое количество ПЭО составляет от 0,1 до 3,0% предпочтительно от 0,4 до 2,0% и более предпочтительно от 0,5 до 1,0% в расчете на массу концентрата. Эквивалентное количество пенообразующего агента составляет от 2 до 40%, предпочтительно от 5 до 30% и более предпочтительно от 5 до 20%.

Можно добавлять в композиции для использования в этом изобретении другие ингредиенты. В частности, двумя из таких используемых ингредиентов являются связывающие соединения и вещества, усиливающие пенообразование. К тому же, в предпочтительных случаях они чаще используются с анионными поверхностно-активными веществам; они мало эффективны с неионными. Это особенно справедливо для связывающих соединений.

Связывающие соединения присутствуют для разрешения любых проблем, возникающих при использовании жесткой воды при приготовлении конечного вспененного раствора; жесткая вода может вызывать осаждение пенообразующего агента и делать композицию бесполезной. Если вода не жесткая, связывающее соединение, естественно, не требуется, но добавление такого соединения дает композицию, которую можно использовать при любом составе воды и которая, следовательно, всегда готова к использованию при любых обстоятельствах. Можно использовать любые подходящие связывающие соединения в количестве до 5%, предпочтительно от 0,1 до 5%, более предпочтительно от 0,5 до 2% и наиболее предпочтительно от 1 до 1,5%. Примером связывающего соединения, которое подходит для использования в этом изобретении, является «Cublen» (торговая марка) К 2523.

Веществом, усиливающим пенообразование, может быть также любое подходящее вещество. Используемое количество составляет до 10%, предпочтительно от 0,1 до 10% и наиболее предпочтительно от 0,1 до 1%. Примером вещества, усиливающего пенообразование, которое подходит для использования в этом изобретении, является "Aromox" (торговая марка) MCD-W.

В связи с предлагаемым изобретением следует отметить также следующее. Способный к вспениванию понижающий износ жидкий концентрат состоит из, по меньшей мере, одного смазочного материала, представляющего собой полиэтиленоксид с высокой молекулярной массой, и, по меньшей мере, одного пенообразующего агента, который вызывает образование недолговечной пены, возможно концентрат также содержит, по меньшей мере, одно связывающее соединение и, по меньшей мере, одно соединение, усиливающее пенообразование, в приведенных соответственно количествах:

0,1-3% полиэтиленоксида;

2-40% пенообразующего агента;

до 5% связывающего соединения,

до 1% вещества, усиливающего пенообразование,

в расчете на массу концентрата, причем остаток составляет вода.

При использовании в случае концентрата концентрат добавляют к соответствующему количеству воды и вспенивают, прежде чем подают насосом к вращающейся режущей головке и впрыскивают на поверхность между режущей головкой и породой. В случае системы отдельного отмеривания ингредиентов требуемое количество водных ингредиентов отмеряют по отношению к соответствующему количеству воды и вспенивают. Обычно концентрат/отдельные ингредиенты, описанные ранее, разбавляют водой для получения водной композиции, имеющей от 1 до 20%, предпочтительно от 1 до 10%, более предпочтительно от 1 до 8% и наиболее предпочтительно от 1 до 6% концентрата/отдельных ингредиентов.

Эту разбавленную композицию вспенивают любым удобным способом для увеличения объема от 5 до 40, предпочтительно от 5 до 20, более предпочтительно от 8 до 20 раз по отношению к объему невспененного материала.

Фактическое разбавление концентрата/отдельных ингредиентов и величина его вспенивания будет значительно меняться в зависимости от конкретных обстоятельств. Основное значение будут иметь такие факторы, как диаметр режущей головки, число и расположение распылительных форсунок и тип породы. Существенным требованием является поддерживание слоя пены в контакте с поверхностью породы по всей площади режущей головки. Достижение этого требования является предметом обычного эксперимента и опытный специалист легко к этому приспособится. Обычные величины для концентрата, принадлежащего к описанному выше типу, составляют от 0,5 до 10,0, предпочтительно от 0,5 до 6,0, более предпочтительно от 1 до 4 кг концентрата на 1 м³ удаляемой породы. Если добавляют отдельные водные ингредиенты, можно легко посчитать эквивалентные количества. Следует отметить, что эти величины приведены только в качестве основной нормы и что некоторые условия могут требовать более низких или высоких количеств отдельных ингредиентов или концентрата.

Удивительной особенностью этого изобретения является то, что использование водной жидкой композиции, описываемой выше, приводит к значительному снижению износа режущих элементов в твердой породе, ведя к большей долговечности режущей головки и менее частой ее замене и, следовательно, лучшему и более экономичному бурению туннелей. Предполагается, без ограничения рамок этого изобретения любым способом, что мелкодисперсный материал, образуемый на бурильной поверхности БТМ, связывается водной жидкой композицией и действует в качестве смазочного материала.

Далее изобретение иллюстрируется следующими не ограничивающими примерами.

Композиция А (использование анионного поверхностно-активного вещества)

Используют следующие ингредиенты:

"Polyox" WSR 301 полиэтиленоксид, среднемассовая молекулярная масса 4000000 («ПЭО»)0,83%"Sulfetal" Cjot 60 поверхностно-активное вещество9,0%"Cublen" К 2523 связывающее соединение («СС»)0,3%"Aromox" MCD-W вещество, усиливающее пенообразование («УП»)0,15%вода до100%

Композиции Б (с использованием неионных поверхностно-активных веществ)

Это следующая композиция:

 Б"Lutensol" GD 7010,0%"Polyox" WSR 3010,9%Водадо 100%

Испытания

Способ установления эффективности композиции для использования в этом изобретении перед использованием в БТМ, таким образом, экономящий время и деньги, требует следующих аппаратов:

Полихлорвиниловый сосуд с широким горлом емкостью 1 литр.

Образец для испытаний

Порошок карбида кремния (0,841-1,19 мм).

Испытываемый образец состоит из трех дисков из стали ST 50 диаметром 50 мм и толщиной 14 мм с центральным отверстием диаметром 10 мм, причем все три диска закреплены болтом М10 любыми подходящими средствами (такими как гайки и шайбы), таким образом, что между соседними дисками существует пространство около 14 мм.

Методика заключается в следующем:

400 г карбида кремния смешивают с частями воды и композиции и добавляют в сосуд. Испытываемый образец, для которого точно известна масса трех отдельных дисков (до 0,001 г) затем добавляют в сосуд, сосуд герметично закрывают, помещают на мельнице и вращают в течение 3 часов со скоростью 125 оборотов в минуту. Затем диски взвешивают и определяют потерю массы (износ).

Таким способом были испытаны композиции А и Б. В каждом случае композиции разбавляли водой (5% композиции в воде) и образцы массой 30 и 60 г вспенивали, чтобы получить десятикратное увеличение объема. Для контроля 60 г воды добавляли к 400 г образца карбида кремния и проводили испытания. Скорости износа испытываемых образцов приведены ниже:

SiC+вода204 мгSiC+30 г А190 мгSiC+60 г А157 мгSiC+30 г Б129 мгSiC+60 г Б115 мг

Как видно, в некоторых случаях скорости износа снижаются очень существенно.

Изобретение относится к способу бурения туннеля в твердой породе. Технический результат - снижение износа режущих элементов, повышение эффективности бурения. Способ бурения твердой породы буровой туннелепроходческой машиной, имеющей выступающие из режущей головки диски из закаленной стали, включает подачу на режущую головку вспененной водной жидкой композиции, содержащей пенообразующий агент, представляющий собой поверхностно-активное вещество - ПАВ, и смазочный материал - полиэтиленоксид с молекулярной массой от 4.500.000 до 8.000.000. Причем указанные ингредиенты отмеривают отдельно в водной форме, добавляют в воду и превращают в пену, используют анионное или неионное ПАВ, указанную композицию получают путем разбавления концентрата водой на месте. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ бурения твердой породы буровой туннелепроходческой машиной, имеющей выступающие из режущей головки диски из закаленной стали, включающий подачу на режущую головку вспененной водной жидкой композиции, содержащей пенообразующий агент, представляющий собой поверхностно-активное вещество и смазочный материал, представляющий собой полиэтиленоксид с молекулярной массой от 4.500.000 до 8.000.000.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные ингредиенты пенообразующей композиции отмеривают отдельно в водной форме, добавляют в воду и превращают в пену.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют анионное или неионное поверхностно-активное вещество.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспененную водную жидкую композицию получают путем разбавления концентрата водой на месте.