Альтернативный метод бурения. Ручной термобуровой инструмент

В процессе сооружения в грунте шпура или шурфа цилиндрической формы обычно применяется ручной буровой инструмент. По характеру разрушения грунта ручной буровой инструмент подразделяется следующим образом:

(Фото 1.) Бурение термобуром шпура в граните

• механический (вращательный и ударно-вращательный);

• немеханический (термический, взрывной, плазменный и др.).

В этой статье мы расскажем о термическом способе бурения, суть которого заключается в том, что разрушение и последующий отрыв (откол) мелких чешуек от разрабатываемого массива происходит за счет термических напряжений, возникающих при интенсивном нагреве слоя грунта. Термобуровой инструмент (термобур) – устройство для направленного разрушения грунтов, конструктивно он представляет собой прямоточную горелку реактивного типа, из сопла которой со сверхзвуковой скоростью истекает высокотемпературная газовая струя, получаемая при сгорании в камере смеси бензина или дизельного топлива со сжатым воздухом.

(Фото 2.) Фрагмент шпура, пробуренного термобуром в мерзлом грунте

В комплект поставки инструмента входят термобур, электрические провода с кнопкой включения свечи зажигания, шланг (металлорукав подачи окислителя), фитинги для подключения этого шланга к выхлопному тракту машины или компрессорной станции, топливный насос, топливопроводный шланг для подачи топлива в камеру сгорания.

Комплект дополняют такие принадлежности, как цанговый зажим с предохранительным клапаном, который отрегулирован по противодавлению отработавших газов выпускного тракта машины, и манометр для контроля на выпуске из выпускного коллектора.
Источником воздуха для термобура служат отработавшие газы от силовых установок на базе дизельных двигателей либо сжатый воздух от компрессорных станций. В случае питания инструмента окислителем – остаточным кислородом, входящим в состав отработавших газов, применяется специальная или транспортная техника, оснащенная силовыми установками ЯМЗ-238, ЯМЗ-236, КамАЗ-740 и им подобными по расходу отработавших газов.

Термобуровой инструмент применяют в самых разных отраслях народного хозяйства. Он незаменим для механизации бурения шпуров в мерзлых и скальных грунтах при проведении буровзрывных работ (фото 1, 2), проходки вертикальных и горизонтальных шпуров и шурфов в ледовых покровах (фото 3, 4) и может применяться для установки знаков, указателей, столбов ограждений, анкеров, опор линий связи и контактной сети (фото 5), разупрочнения мерзлых грунтов (фото 6), оттаивания локальных объемов слежавшегося, мерзлого грунта или смерзшихся дорожно-строительных материалов.

(Фото 3.) Шпуры, пробуренные с применением термобура в леднике с содержанием грунта и скальными породами во время спасательных работ в 2002 г. (Кармадонское ущелье)

Иногда его используют для нагрева элементов металлоконструкций при их правке и ремонте, а также обогрева замерзших водопроводных и канализационных сетей в коммунальном хозяйстве и т. п.

Из преимуществ термобура по сравнению с другим ручным инструментом механического принципа действия отметим следующие:

• высокая скорость газовой струи, до 450 м/с, с температурой от 500 до 1200 К;

• компактность;

(Фото 4.) Ледник, сошедший с горы Колка

• сравнительно небольшая масса;

• мобильность;

• эргономичность;

• позволяет бурить шпуры под любым углом к горизонту;

• приводится в работу от компрессорных станций или от отработавших газов силовых установок специальной и транспортной техники;

• инструмент адаптирован ко всем климатическим зонам и к традиционным источникам топлива (керосин и дизельное топливо любой марки).
Использование термобура особенно эффективно в экстремальных условиях Крайнего Севера и близких к ним условиях Забайкалья и Дальнего Востока.

(Фото 5.) Бурение шпура на железнодорожной станции с приводом термобура от пневмосистемы тепловоза

При опытной эксплуатации первой серийной партии термобуров на базе строительных организаций (Газспецстрой в 2002 г./, 46-я мехколонна РАО ЕЭС, РАО «РЖД» в 2003 г.), работающих в условиях тяжелых вечномерзлых грунтов с прочностью от 100 до 400 ударов ударника ДорНИИ, при температуре окружающей среды до –45 °С, они показали высокую производительность и надежность.

Запуск термобура при любых погодных условиях осуществлялся быстро и без отказов. Скорость бурения при использовании в качестве окислителя остаточного кислорода отработавших газов и при оптимальном для каждого грунта режиме работы двигателя составляла от 6 м погонной длины в 1 ч (сухая вечномерзлая глина) до 27 м погонной длины в 1 ч (влагонасыщеная супесь сезонного промерзания).

Наибольшая скорость бурения была достигнута при оптимальном режиме работы двигателя: при работе в сухих мерзлых глинах и частоте вращения коленчатого вала 1000 мин^-1, противодавление 0,12 МПа. При работе в других грунтах, в том числе влагонасыщенных мерзлых, частота вращения 1400 мин^-1, противодавление 0,16 МПа. Подробные данные о достигнутой скорости бурения в зависимости от характера разрушаемой среды приведены в табл. 1.
При подаче воздуха от компрессорных станций по сравнению с питанием остаточным кислородом отработавших газов скорость бурения возрастает на 20...25%.

(Фото 6.) Бурение термобуром шурфа под опору контактной сети

Опытная эксплуатация первых серийных комплектов термобура показала, что недостатков в его конструкции и системе питания не обнаружено. Теплонапряженные детали термобура (камера сгорания, калибратор, сопло) оставались без видимых изменений.

Чтобы оценить эффективность применения термобура, необходимо сравнить его параметры с такими же данными для инструмента, который строительные организации обычно используют при разработке шпуров и шурфов, например, отбойных молотков с приводом от компрессорных станций, электросверл и электромолотков с питанием от инженерных станций. Электро- и пневмоперфораторы в мерзлых грунтах (шпур диаметром до 30 мм) не применяют, поскольку буровая коронка и внутренняя полость буровой штанги забиваются грунтом, а значит, не происходит выноса буримого грунта из забоя шпура на поверхность.

(Фото 7.) Фрагмент бурения асфальтобетона

В табл. 2 содержатся сравнительные данные эффективности применения строительными организациями средств механизации разработки мерзлого грунта (вечномерзлый песок, супесь и суглинок с примесью гравия и гальки 10...20% по объему).

Как показывают данные, эффективность применения термобура при разработке вечномерзлого грунта более оправдана по трудозатратам. Несмотря на высокую эффективность применения термобура при разработке мерзлых грунтов, нельзя не учитывать избирательность этого инструмента в отношении бурения горных и рукотворных пород.

Более крепкие и плотные породы – граниты, железистые кварциты, роговики, базальты и проч. – хорошо бурятся при скорости проходки до 10 м погонной длины в 1 ч, а при разрушении менее крепких, как правило, «нетермобуримых» пород, к которым относятся известняки, доломиты, различные типы сланцев, скорость бурения составляет 1...3 м погонной длины в 1 ч.

Информация предоставлена Конструкторским бюро ЗАО «Коминвест-АКМТ»