Способ образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником Российский патент 2024 года по МПК E21B7/26 E02F5/16 

Техническое решение относится к строительству и может быть использовано при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.

Известен способ проходки скважины пневматическим забойным проходчиком (Н.Я. Кершенбаум и В.И. Минаев. Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом, М. «Недра», 1984, с.18-19, рис.6), включающий поступательное движение пневматическим забойным проходчиком (пневмопробойника) в связном грунтовом массиве за счет взаимодействия его боковой поверхности посредством силы трения с упомянутым массивом.

Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: поступательное движение пневматического забойного проходчика (пневмопробойника) в грунтовом массиве, взаимодействие его с упомянутым массивом.

Недостатком способа проходки скважины пневматическим забойным проходчиком является высокая вероятность его отклонения от заданного направления в неоднородных грунтах, даже при небольшой длине скважины. Кроме того, механизмы, реализующие этот способ, не позволяют преодолеть в грунтовом массиве даже незначительные твердые включения (камни, корни, строительный мусор и т.д.), что резко снижает область применения способа, а значит, его эффективность.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ бурения скважин, реализованный в системе управления ударным буровым инструментом по патенту US №4,632,191, 30.12.1986г., заключающийся в управлении ударными буровыми инструментами при помощи переднего элемента со скошенной поверхностью, прикрепленного к наковальне, и подвижных хвостовых ребер, встроенных в хвостовой части инструмента, которые приспособлены для избирательного позиционирования относительно корпуса инструмента и прорезания полости в околоскважинном пространстве.

Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются поступательное и вращательное движение ударного бурового инструмента (пневмопробойника) по образуемой скважине.

Недостатками данного способа являются: низкая точность проходки скважины, неизбежное отклонение ударного бурового инструмента от заданного направления даже при незначительной неоднородности грунта, поскольку подвижные хвостовые ребра находятся в хвостовой части (на задней гайке), с большой долей вероятности передняя часть ударного бурового инструмента (пневмопробойника) может свободно смещаться в сторону при малейшей неоднородности грунта.

Рулевой механизм со скошенной поверхностью, необходимый для реализации способа прототипа, не позволяет пробурить твердые включения в грунте. Конструкция рулевого механизма способствует изменению заданного направления движения ударного бурового инструмента, что приводит к низкой точности проходки скважины, а, следовательно, снижает эффективность рассматриваемого способа.

Кроме того, механизм реализации данного способа является сложным и дорогостоящим, поскольку в нем заложено избирательное позиционирование хвостовой части ударного бурового инструмента относительно его корпуса. Подвижное соединение хвостовой части ударного бурового инструмента с корпусом неизбежно ведет к высокой вероятности попадания частиц грунта в это соединение и, как следствие, к повреждению механизма или заклиниванию, снижая надежность способа. Экономические затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт подобного механизма существенно превышают расходы на содержание серийного пневмопробойника.

Проблема заключается в повышении эффективности способа образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником за счет повышения точности проходки путем реализации одновременного поступательно-вращательного движения пневмопробойника в грунтовом массиве посредством использования реакции последнего на взаимодействие его со спиралевидными пазами и спиралевидными выступами, выполненными на боковой поверхности центральной части корпуса упомянутого пневмопробойника, при одновременном повышении устойчивости стенок образованных скважин, а также повышения надежности и значительного экономического эффекта за счет реализации данного способа путем использования модернизированных серийных пневмопробойников.

Проблема решается тем, что в способе образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником, включающем поступательное и вращательное движение последнего по образуемой скважине, согласно техническому решению вращательное движение осуществляют путем использования реакции грунтового массива на взаимодействие его со спиралевидными пазами и спиралевидными выступами, выполненными на боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника, при одновременном образовании в околоскважинном грунте спиралевидных выпуклостей и выемок соответственно посредством упомянутых пазов и выступов.

Реализация поступательно-вращательного движения пневмопробойника в грунтовом массиве путем использования реакции последнего на взаимодействие его со спиралевидными пазами и спиралевидными выступами, выполненными на боковой поверхности центральной части корпуса упомянутого пневмопробойника, обеспечивает в обоих исполнениях, надежное сцепление последнего с грунтовым массивом (эффект резьбы) за счет значительного увеличения площади их взаимодействия, сокращает «возврат» пневмопробойника при «отдаче», при этом значительно увеличивая точность проходки за счет вращательного движения вокруг своей оси (эффект нарезного оружия по сравнению с гладкоствольным). Одновременное образование в околоскважинном грунте спиралевидных выпуклостей и выемок соответственно посредством упомянутых пазов и выступов на центральной части корпуса пневмопробойника дает возможность создавать на стенках скважины как бы грунтовые ребра жесткости, что безусловно повысит её устойчивость и, как следствие, долговечность.

Незначительная модернизация серийного пневмопробойника (нарезка спиралевидных пазов на боковой поверхности центральной части корпуса и установка на ней спиралевидных выступов, например, приваривание проволоки к боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника, а также крепление бурового элемента к наковальне пневмопробойника, например, в виде твёрдосплавного ножа или буровой коронки с инденторами) позволяет реализовать поступательно-вращательное движение пневмопробойника в грунтовом массиве путем использования реакции последнего на взаимодействие его со спиралевидными пазами и спиралевидными выступами, а также отказаться от разработки и создания сложного дорогостоящего ударного механизма с позиционируемой подвижной задней гайкой, где в зазор между взаимодействующими поверхностями неизбежно попадают частицы грунта, выводя пневмопробойник из строя. Реализация предлагаемого способа существенно повышает его надежность и экономическую эффективность.

Целесообразно, чтобы с грунтовым массивом взаимодействовали по длине спиралевидных пазов и спиралевидных выступов, достаточной для надежного сцепления центральной части корпуса пневмопробойника с грунтом, но не менее трёх диаметров этой части корпуса пневмопробойника. Как правило, длина определяется экспериментально. В этом случае спиралевидные пазы и спиралевидные выступы будут изготавливаться на боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника. Такой подход к длине взаимодействия спиралевидных пазов и спиралевидных выступов снизит силы бокового трения при его движении, увеличит его скорость проходки, а значит, эффективность способа образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником. Кроме того, такое изготовление исполнительного органа ведет к сокращению трудо- и энергозатрат на реализацию предлагаемого способа. Как показывает практика, для обеспечения устойчивости скважины в связных грунтах после проходки скважины пневмопробойником длина боковой поверхности центральной части корпуса, взаимодействующей с грунтом, должна быть не менее трёх его диаметров. При меньшей длине взаимодействия скважина, как правило, неустойчива и склонна к обрушению, что затрудняет её дальнейшее использование, а значит, снижает надежность и эффективность способа.

Целесообразно, чтобы шаг спиралевидных пазов и спиралевидных выступов, а также их глубина и высота соответственно определялись исходя из физических и прочностных свойств грунта массива, в котором образуют скважину. Так, например, в глинах и суглинках шаг спиралевидных пазов и спиралевидных выступов, а также их глубина и высота соответственно могут быть совсем незначительными, при этом обеспечивается надежное сцепление пневмопробойника с грунтовым массивом и, как следствие, высокая скорость образования скважины, а значит, и увеличение эффективности способа. В водонасыщенных грунтах целесообразно значительное увеличение шага спиралевидных пазов и спиралевидных выступов, увеличение соответственно их глубины и высоты, что поможет достигнуть максимальной эффективности способа.

Целесообразно при возможной «встрече» пневмопробойником в грунтовом массиве с твердыми включениями (кирпичами, валунами, корнями деревьев, строительным мусором) производить их разрушение буровым инструментом, прикрепленным к наковальне пневмопробойника. Это существенно расширяет область применения предлагаемого способа, поскольку позволяет использовать его при самых разных физико-механических и прочностных свойствах грунта массива и даже в мерзлоте.

Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации способа образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником и чертежами, где на фиг.1 показана технологическая схема движения пневмопробойника по скважине, на фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1 при образовании спиралевидных пазов и выступов в масштабе 4:1, на фиг. 3 – разрез А-А на фиг. 1 при образовании спиралевидных выступов и пазов, например, при приваривании проволоки к боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника, на фиг. 4 – разрез Б-Б на фиг. 1 образованной скважины с усилением её стенок спиралевидными выемками после реализации предлагаемого способа ( шланг в разрезе не показан) в масштабе 4:1, на фиг. 5 – разрез Б-Б на фиг. 1 – пример образованной скважины с усилением её стенок спиралевидными выступами, например, при приваривании проволоки к боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника, стрелка на фиг. 1 показывает направление вращения пневмопробойника.

Способ образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником реализуют следующим образом.

Пример 1

Реализация способа описана на взаимодействии грунтового массива со спиралевидными пазами (фиг. 2, 4).

При проходке скважины 1 в грунтовом массиве 2 пневмопробойник 3 (фиг.1) осуществляет вращательное движение вокруг своей оси за счет реакции грунтового массива 2 на взаимодействие его со спиралевидными пазами 4 и спиралевидными выступами 5, выполненными на боковой поверхности центральной части 6 корпуса пневмопробойника 3 (фиг. 2). Одновременно с помощью упомянутых пазов 4 и выступов 5 в околоскважинном грунте образуют спиралевидные ребра жесткости (фиг.4) в виде спиралевидных выпуклостей 7 и спиралевидных выемок 8, что значительно повышает устойчивость и долговечность образованной скважины 1. При возможном попадании твердых включений (камни, валуны, корни деревьев, строительный мусор) в грунте пневмопробойник 3 с помощью бурового элемента, прикрепленного к его наковальне 9, например, твердосплавного ножа 10, одновременно пробуривает препятствие, расширяя таким образом техническую область применения способа. L – длина центральной части 6 корпуса пневмопробойника 3, на которой выполнены спиралевидные пазы 4 и спиралевидные выступы 5, обеспечивает надежное сцепление пневмопробойника 3 с грунтовым массивом 2 для оптимального поступательного движения. При этом L - не меньше трёх диаметров D центральной части корпуса пневмопробойника 3, что обеспечивает устойчивость скважины 1 после прохождения пневмопробойника 3 для дальнейшего монтажа в ней подземных коммуникаций.

Пример 2

Взаимодействие грунтового массива со спиралевидными выступами 11 и пазами 12 (приварка проволоки) происходит аналогично и с тем же эффектом (фиг. 3), где поз.13 – спиралевидные выпуклости в стенке скважины и поз.14 – спиралевидные выемки (фиг. 5).

Изобретение относится к строительству, используется при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций. Способ образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником включает поступательное и вращательное движение последнего по образуемой скважине. Вращательное движение осуществляют путем использования реакции грунтового массива на взаимодействие его со спиралевидными пазами и спиралевидными выступами, выполненными на боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника, при одновременном образовании в околоскважинном грунте спиралевидных выпуклостей и выемок соответственно посредством упомянутых пазов и выступов. Обеспечивается повышение точности проходки, повышение надежности и значительный экономический эффект за счет реализации данного способа путем использования модернизированных серийных пневмопробойников. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 пр.

1. Способ образования скважин в грунтовом массиве пневмопробойником, включающий поступательное и вращательное движение последнего по образуемой скважине, отличающийся тем, что вращательное движение осуществляют путем использования реакции грунтового массива на взаимодействие его со спиралевидными пазами и спиралевидными выступами, выполненными на боковой поверхности центральной части корпуса пневмопробойника при одновременном образовании в околоскважинном грунте спиралевидных выпуклостей и выемок соответственно посредством упомянутых пазов и выступов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие с грунтовым массивом осуществляют по длине спиралевидных пазов и спиралевидных выступов, достаточной для надежного сцепления центральной части корпуса пневмопробойника с грунтом, но не менее трёх диаметров этой части корпуса пневмопробойника.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что шаг спиралевидных пазов и спиралевидных выступов, их глубину и высоту соответственно определяют исходя из физических и прочностных свойств грунта массива, в котором образуют скважину пневмопробойником.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердые включения в грунтовом массиве разрушают буровым элементом, прикрепленным к наковальне пневмопробойника.