способ сооружения траншеи на основе лидерных и рабочих скважин, установка вращательного бурения для их сооружения и калибратор

Формула изобретения

1. Способ сооружения траншеи на основе лидерных и рабочих скважин, включающий сооружение по оси траншеи ряда равноудаленных лидерных скважин с диаметром, меньшим, чем проектная ширина траншеи, сооружение рабочих скважин с диаметром, равным проектной ширине траншеи, путем расширения лидерных скважин с одновременным срезанием перемычек между рабочими скважинами с удалением грунта, отличающийся тем, что в стесненных и сложных гидрогеологических условиях, включая неустойчивые породы, лидерные скважины сооружают вертикально или наклонно под защитой тиксотропного раствора на расстоянии между их осями, меньшем, чем проектная ширина траншеи, путем независимого бурения в противофазе внешней и внутренней колоннами, обеспечивая превышение жесткости внешней колонны по сравнению с жесткостью внутренней колонны не менее чем в 10 раз, расширение лидерной скважины осуществляют путем извлечения из нее внешней колонны и оснащения ее полым расширителем с диаметром режущего элемента, равным проектной ширине траншеи, ниже которого устанавливают съемную секцию внешней колонны с приемными сквозными отверстиями с высотой съемной секции от нижнего торца до нижней плоскости режущего элемента, достаточной для ее опережающего продвижения при расширении по лидерной скважине для обеспечения возможности совместного с находящейся в лидерной скважине внутренней колонной предотвращения отклонения оси сооружаемой рабочей скважины от оси бурения, которую отсоединяют от расширителя при достижении ею дна траншеи, после соединения рабочих скважин устанавливают на внешней колонне корпус полого калибратора, придают внешней и внутренней колоннам вращательно-поступательное движение и продвигают калибратор вдоль сооруженной траншеи, удаляя срезанную породу через внутреннюю полость калибратора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лидерные скважины сооружают на расстоянии между их осями, определяемом соотношением

где L - расстояние между осями лидерных скважин;

с - ширина траншеи между противолежащими гребешками после соединения рабочих скважин;

D_p. - внешний диаметр рабочей скважины;

R_p. - внешний радиус рабочей скважины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что бурение внешней колонной осуществляют с частотой 1-5 об/мин, а внутренней колонной - с частотой 60-140 об/мин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что калибратору дополнительно придают возвратно-поступательное движение вверх-вниз.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление разрушенной породы при расширении осуществляют в зависимости от физико-механических свойств грунтов сооружаемой рабочей скважины или циклично повторяющимися операциями подъема накопленной в расширителе породы вместе с полым расширителем или с потоком промывочной жидкости, движущейся в межколонном пространстве между внутренней и внешней колоннами, с последующим складированием в заданном месте.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сооружении траншеи с участками переменной проектной ширины на каждом участке применяют расширители с диаметром режущего элемента, соответствующим проектной ширине данного участка.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед бурением лидерных скважин сооружают вдоль оси траншеи по обе ее стороны два монорельсовых пути с автономными шпалами на расстоянии друг от друга, превышающем проектную ширину траншеи и длину шпалы.

8. Установка для вращательного бурения скважин, включающая платформу, расположенную на транспортной базе, раму с направляющей, буровой агрегат, в состав которого входят внешняя колонна с регулируемым приводом подачи и вращения и установленная соосно с ней внутренняя колонна с регулируемым приводом вращения и подачи, оснащенные породоразрушающим инструментом и/или рабочими органами, и узел перемещения бурового агрегата по оси бурения, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена буровым насосом, вращателями соответственно внешней и внутренней колонн, узлом отведения вращателя внешней колонны перпендикулярно оси бурения, узлом отведения вращателя внутренней колонны перпендикулярно оси бурения, узлом отведения всего бурового агрегата от оси бурения, узлами для свинчивания-развинчивания внешней и внутренней колонн и лебедкой, при этом узел перемещения бурового агрегата по оси бурения выполнен в виде подвижной площадки с возможностью ее принудительного перемещения по направляющей рамы, на подвижной площадке перпендикулярно ей и параллельно между собой установлены узел отведения вращателя внешней колонны перпендикулярно оси бурения и узел отведения вращателя внутренней колонны перпендикулярно оси бурения, каждый из которых выполнен в виде гидроцилиндра, связанного с соответствующим вращателем с возможностью его перемещения по соответствующей направляющей, расположенной на соответствующей площадке, внешняя колонна имеет жесткость, которая превышает не менее чем в 10 раз жесткость внутренней колонны, в качестве рабочего органа установка снабжена полым расширителем с внешним диаметром режущего элемента, равным диаметру рабочей скважины, ниже режущего элемента установлена отсоединяющаяся секция с высотой от ее нижнего торца до нижней плоскости режущего элемента, достаточной для фиксирования направления бурения, узел отведения всего бурового агрегата закреплен на платформе и связан с рамой с возможностью смещения ее от оси бурения, а лебедка снабжена поворотным узлом, обеспечивающим ее перемещение в горизонтальной плоскости.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что ее транспортная база оснащена колесами для перемещения по рельсам, а расстояние между противолежащими колесами равно ширине между монорельсовыми путями.

10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что в качестве режущего элемента на полом расширителе установлены ножи под острым углом, обращенным вниз.

11. Установка по п.8, отличающаяся тем, что расширитель снабжен шнеком, установленным над режущим элементом с возможностью накопления разрушенной породы, и не менее чем двумя сквозными отверстиями, расположенными по диаметру съемной секции внешней колонны под режущим элементом для обеспечения возможности подачи текучей породы через внутреннюю полость полого расширителя.

12. Калибратор, включающий полый цилиндрический корпус в виде вертикальной трубы, которая снабжена переходником для ее закрепления на несущей и вращающей колонне, сквозные отверстия, выполненные в боковой поверхности полого цилиндрического корпуса, и калибрирующие элементы, выступающие над внешней поверхностью цилиндрического корпуса под углом к нему, отличающийся тем, что в качестве несущей и вращающей колонны выбрана внешняя колонна при бурении двумя колоннами, сквозные отверстия выполнены в виде удлиненных по вертикали прямоугольников, расположенных параллельными вертикальными рядами со смещением сквозных отверстий в виде удлиненных по вертикали прямоугольников относительно друг друга в соседних параллельных вертикальных рядах, при этом число параллельных вертикальных рядов со сквозными отверстиями определено соотношением

где - число параллельных вертикальных рядов;

Д - диаметр калибратора с учетом выступающих калибрирующих элементов;

- частота вращения калибратора;

_тех. - вертикальная скорость возвратно-поступального перемещения калибратора,

а калибрирующие элементы выполнены в виде режущих ножей с длиной, превышающей высоту сквозного отверстия в виде удлиненного по вертикали прямоугольника, и установлены на внешней боковой поверхности вертикальной трубы вдоль вертикальной стороны сквозного отверстия с возможностью образования направляющего козырька под ним, обращенного в сторону вращения калибратора, для направления срезанной породы через сквозные отверстия во внутреннюю полость корпуса калибратора, в котором дополнительно соосно с ним и на всю высоту расположена секция внутренней колонны.

13. Калибратор по п.1, отличающийся тем, что расстояние между сквозными отверстиями в виде удлиненных по вертикали прямоугольников в параллельном вертикальном ряду определено амплитудной возвратно-поступательного движения калибратора вверх-вниз.

14. Калибратор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя колонна снабжена шнеком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела и строительства и может быть использовано для сооружения траншеи, например под стену в грунте, в стесненных условиях городской и промышленной застройки и сложных гидрогеологических породах, например, включающих обводненные неустойчивые грунты.

Одной из ведущих тенденций в этой области является сооружение траншеи с использованием лидерных скважин, сооруженных по ее оси, при этом часть способов основана на сооружении отдельных лидерных скважин и прорезанием между ними грунта, а часть основана на взаимном перекрывании скважин.

Так, известный способ сооружения траншеи, реализуемый установкой СВД-50, включает сооружение лидерной скважины диаметром 600 мм для размещения рабочего органа машины, состоящего из бурового става (штанг), бурового долота и эрлифтных труб для удаления разрушенной породы, размещенных параллельно буровым трубам и играющим роль направляющего шаблона. Мощность машины 158/75 кВт, в ее состав входят два компрессера ДК-9 [И.Ф.Оксанич, В.С.Береснев, А.Б.Гордон и др. Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий. М.: Недра, 1977, с.269-271].

Недостатком способа является использование для его реализации громоздкой техники, что не позволяет применение способа в стесненных условиях, например плотной городской застройки или заводской промзоны, а также высокая энергоемкость.

Известен также способ проходки траншеи, например под стену в грунте, на основе сооружения лидерных скважин, который предусматривает бурение по оси будущей траншеи двух вертикальных лидерных скважин, в каждую из которых опускают полую колонну, являющуюся направляющей для подвесной рамы со встроенным приводным механизмом, к которому крепятся режущие грунт элементы. Режущие элементы, вращаясь в горизонтальной плоскости и перемещаясь по направляющей в вертикальной плоскости, прорезают грунт между вертикальными скважинами, образуя участок траншеи соответствующей ширины. В процессе резания грунта вертикальные скважины и формирующуюся траншею заполняют глинистым раствором, а разрабатываемый грунт сбрасывают в вертикальную скважину, откуда он, с помощью соответствующего средства, поднимается на поверхность [Заявка Японии №59 - 20820, №4 - 521, публ. 84.05.15].

Способ позволяет выдерживать вертикальность направления на сооружаемом участке траншеи, но не гарантирует строго направленное расположение оси лидерных скважин относительно оси бурения.

Поддержание заданной направленности осей сооружаемых скважин и расположение их в одной плоскости достигнуто в способе сооружения траншеи цикличными заходками с применением многошпиндельной шнекобурильной машины, с помощью которой одновременно бурят несколько скважин в грунтах I-III категории. К пробуренным скважинам присоединяют следующую группу скважин и так далее. При этом во время бурения каждой следующей группы скважин буровые шнеки расположены так, что один из них полностью помещается в одной из ранее пробуренных скважин, используя ее как направляющую. Это позволяет расположить скважины в одной плоскости [Заявка Японии №50 - 18492, №4 - 48, публ. 84.04.27].

Недостатком способа является высокая энергоемкость в 200 кВт, вес агрегата до 25 т и, соответственно, необходимость применения громоздкой и тяжелой грузоподъемной техники, что исключает возможность применения как способа, так и машины в стесненных условиях строительных площадок.

Сооружение траншеи путем частичного взаимного перекрытия вертикальных скважин предусмотрено способом секущих свай, включающим бурение вертикальных скважин по циклу: бурение лидерной скважины, установление в ней направляющего шаблона, бурение следующей вертикальной скважины по направляющему шаблону, извлечение шаблона, установку шаблона во вновь пробуренную вертикальную скважину, бурение очередной скважины.

Способ осуществляют с помощью буровой установки вращательного бурения типа УРБ-ЗАМ, или УКБ-500 с применением инвентарной буровой колонны путем ее вращения с частотой 80-200 об/мин с промывкой скважины глинистым раствором. Создаваемую траншею также заполняют глинистым раствором, который поддерживает ее стенки.

Основным недостатком этого способа также является невозможность управления пространственным положением оси скважины за счет невысокой жесткости бурового става и больших центробежных сил, что приводит к отклонению осей скважин от вертикали и невозможности разместить их в одной плоскости, в результате чего сплошность траншеи не достигается. Кроме того, способ не позволяет создать траншею переменного в плане профиля (сечения), например, при необходимости выполнения локальных уширений, которые при выемке грунтов внутри замкнутого контура искусственно созданной стены в грунте увеличивают несущую способность стены от бокового давления.

Общим недостатком известных установок для бурения скважин даже с целью создания траншеи является невозможность выдерживания строго направленного бурения.

Известно использование для бурения одновременно двух колонн в устройстве для сооружения вертикальных скважин, включающем базовую машину с направляющей, обсадную трубу с породоразрушающим органом и приводами ее вращения и подачи и установленную в обсадной колонне внутреннюю бурильную колонну с породоразрушающим органом и приводами ее вращения и подачи. Механизм подачи выполнен винтовым [Заявка Франции №2071226, 1971 г.].

В известном устройстве разработка скважины возможна лишь при принудительной подаче рабочих органов винтовыми парами. Однако при разработке мягких грунтов принудительная подача приведет к чрезмерному наполнению полости трубы грунтом, что в свою очередь вызывает перегрузку приводов рабочих органов, особенно привода подачи внутренней бурильной колонны, а сама установка предназначена в основном для бурения скважин под буронабивные скважины.

Из технического уровня в качестве прототипа, как наиболее близкого по технической сущности, выбраны:

- для способа сооружения траншеи - способ, который включает сооружение по оси траншеи радиальным уплотнением ряда лидерных скважин, диаметр которых меньше, чем проектная ширина траншеи. Расстояние между лидерными скважинами выбирают из условия контакта зон уплотненного грунта в смежных лидерных скважинах. На основе лидерных скважин сооружают рабочие скважины с диаметром, равным проектной ширине траншеи, при этом срезание перемычек между рабочими скважинами производят одновременно с образованием рабочих скважин [П RU №2000389, БИ 33-36 07.09.93 г.].

Недостатком прототипа является его неприменимость в сложных гидрогеологических условиях, в частности в неустойчивых и обводненных породах, и сложность выдерживания вертикальности сооружаемой лидерной скважины.

- для установки вращательного бурения скважин, включая вертикальные, - устройство для бурения скважин, состоящее из машины с транспортной базой, рамы с направляющей и бурового агрегата, содержащего внешнюю трубу с регулируемыми приводами подачи и вращения и размещенную в ней коаксиально, внутреннюю шнековую колонну с регулируемыми приводами подачи и вращения и породоразрушающий инструмент.

Приводы подачи внешней трубы и внутренней шнековой колонны выполнены из винта, установленного на базовой машине, и гайки, установленной на кронштейне, связанном с внешней трубой или внутренней шнековой колонной. Гайка привода подачи выполнена в виде внутренней полумуфты двух обгонных роликовых муфт, наружные полумуфты которых закреплены на кронштейне. Одна из обгонных муфт снабжена механизмом отключения, выполненном из привода вращения гайки, из взаимодействующей с гайкой конусной поверхностью втулки и из двуплечевого рычага, шарнирно установленного на наружной полумуфте и взаимодействующего одним плечом со втулкой непосредственно, а вторым плечом - посредством гибкого звена и пружины со втулкой при ее угловом перемещении.

При разработке грунтов твердой категории самозатягивающиеся в обратных направлениях муфты каждой винтовой пары, соединенные с внешней трубой и внутренней шнековой колонной позволяют осуществлять способ циклического бурения скважин вначале шнековым буром, затем ковшовым.

При бурении скважин в мягких грунтах сопротивление их разработке значительно уменьшается. Поэтому проходка скважин производится без дополнительного напорного усилия на рабочие органы. Это достигается путем отключения самозатягивающихся муфт на винтовых парах.

Использование данной буровой установки позволяет реализовать следующие операции по управлению рабочими органами: принудительная подача в скважину раздельно или совместно каждого рабочего органа или подача под действием их собственного веса; попеременная подача вначале шнекового бура, затем ковшового, но без прекращения транспортировки разработанного грунта из полости трубы [П. RU 2018621, 30.08.94].

Конструктивные изменения механизма подачи расширили функциональные возможности, в частности появилась возможность бурения мягких грунтов, но достигнуто это путем исключения из процесса вращательного бурения внешней колонны. Кроме того, установка по прототипу не решает таких проблем, как бурение строго направленных скважин, например по оси траншеи, в сложных неустойчивых обводненных грунтах.

Спецификой сооружения траншеи с помощью перекрывающихся скважин является возможность отклонения скважины от заданной оси бурения и наличие так называемых гребешков, образующихся на стыках двух перекрывающихся рабочих скважин. Это порождает необходимость контроля сплошности траншеи и повышения качества ее стенок.

Для повышения качества непосредственного ствола скважины, т.е. ее прямолинейности, направленности, отсутствия уступов применяют калибраторы, которые закрепляют на рабочих колоннах, опускают в скважину и обрабатывают стенки [Буровые установки для проходки скважин и стволов: Справочник: А.Т.Николаенко, Б.Яседов, Н.Д.Терехов, Н.С.Болоцких, 3-е издание, перераб. т доп. - М.: Недра, 1985, с.164].

Так, известен калибратор, содержащий корпус с лопастями, имеющий заходную коническую поверхность и породоразрушающие вставки с рабочей частью, расположенные на заходных конических поверхностях лопастей. Повышение производительности достигнуто путем установления породоразрушающих вставок над заходными коническими поверхностями рабочих частей, выполненными с двумя пересекающимися между собой режущими кромками, одна из которых расположена на поверхности цилиндра, диаметр которого равен диаметру калибратора. Предложенное конструктивное решение позволяет повысить качество калибрования за счет разрушения породы резанием и получения ровной поверхности стенки [А.С. №1802064, БИ №10, 15.03.93]. К недостаткам устройства следует отнести то, что конструкция калибратора не предусматривает транспортировку разрушенной породы.

Известен также калибратор, в котором калибрирующие элементы выполнены в виде подпружиненных рабочих планок. В процессе работы подпружиненные рабочие планки вращаются вокруг оси калибратора и совершают поперечные колебания под действием пульсирующего потока, которые усиливаются дросселирующим потоком бурового раствора до образования резонанса [А.С. 1627650, БИ №6, 15.02.91], что позволяет калибратору для достижения повышения производительности использовать свои конструктивные особенности в совокупности с динамикой движения бурового раствора.

Конструкция калибратора эффективно работает только в режиме вращательного движения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа для калибратора является калибратор, содержащий полый корпус в виде трубы с отверстиями, выполненными радиальными. В этих отверстиях установлены калибрирующие элементы в виде отдельных вставок. Отверстия в корпусе выполнены сквозными с наклоном к оси калибратора под острым углом, вершина которого направлена в сторону верхнего торца корпуса, что обеспечивает установку в них калибрирующих элементов под углом к боковой поверхности корпуса [А.С. 1819970, БИ №21, 7.06.93].

Устройство по прототипу эффективно работает в режиме вращательного бурения и не решает проблему удаления срезанной породы.

Задачей изобретения является разработка способа сооружения траншеи с участками различной проектной ширины в сложных гидрогеологических и стесненных условиях на основе лидерных и перекрывающихся рабочих скважин, создание установки для вращательного бурения, обеспечивающей бурение лидерных и рабочих скважин без отклонения от оси бурения и конструкции калибратора для сооружаемой траншеи.

Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации изобретения, являются:

для способа сооружения траншеи на основе лидерных и рабочих скважин:

- устранение отклонения в процессе бурения осей лидерной и рабочей скважин от заданной оси бурения;

- создание сплошной траншеи в неустойчивых и обводненных грунтах;

- повышение технологичности;

- сооружение траншеи различного профиля и различной направленности по отношению к оси вертикали.

для установки вращательного бурения скважин:

- компактность;

- расширение функциональных возможностей;

- сооружение строго направленной относительно оси бурения лидерной и рабочей скважин;

- удобство эксплуатации;

- снижение энергоемкости.

для калибратора:

- расширение функциональных возможностей;

- упрощение конструкции;

- повышение надежности;

- повышение производительности;

- обеспечение сплошности траншеи;

- контроль вертикальности траншеи.

Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов для способа стали возможны благодаря тому, что в известном способе сооружения траншеи на основе лидерных и рабочих скважин, включающем сооружение по оси траншеи ряда равноудаленных лидерных скважин с диаметром, меньшим, чем проектная ширина траншеи, сооружение рабочих скважин с диаметром, равным проектной ширине траншеи, путем расширения лидерных скважин с одновременным срезанием перемычек между рабочими скважинами с удалением грунта, в стесненных и сложных гидрогеологических условиях, включая неустойчивые породы, лидерные скважины сооружают вертикально или наклонно под защитой тиксотропного раствора на расстоянии между их осями меньшем, чем проектная ширина траншеи, путем независимого бурения в противофазе внешней и внутренней колоннами, обеспечивая превышение жесткости внешней колонны по сравнению с жесткостью внутренней колонны не менее чем в 10 раз, расширение лидерной скважины осуществляют путем извлечения из нее внешней колонны и оснащения ее расширителем с диаметром режущего элемента, равным проектной ширины траншеи, ниже которого устанавливают съемную секцию внешней колонны с приемными сквозными отверстиями, с высотой съемной секции от торца до нижней плоскости режущего элемента, достаточной для ее опережающего продвижения при расширении по лидерной скважине для обеспечения возможности совместного с находящейся в лидерной скважине внутренней колонной предотвращения отклонения оси сооружаемой рабочей скважины от оси бурения, которую отсоединяют от расширителя при достижении ею дна траншеи, после соединения рабочих скважин устанавливают на внешней колонне корпус полого калибратора, придают внешней и внутренней колоннам вращательно-поступательное движение и продвигают калибратор вдоль сооруженной траншеи, удаляя срезанную породу через внутреннюю полость калибратора.

В частных случаях исполнения способа лидерные скважины сооружают на расстоянии между их осями, определяемом соотношением

где L - расстояние между осями лидерных скважин;

с - ширина траншеи между противолежащими выступами после соединения рабочих скважин;

D_р - внешний диаметр рабочей скважины;

R_р - внешний радиус рабочей скважины,

бурение внешней колонной осуществляют с частотой 1-5 об/мин, а внутренней колонной - с частотой 60-140 об/мин, калибратору дополнительно придают возвратно-поступательное движение вверх-вниз; удаление разрушенной породы при расширении осуществляют в зависимости от физико-механических свойств грунтов сооружаемой рабочей скважины или циклично повторяющимися операциями подъема накопленной в расширителе породы вместе с полым расширителем, или с потоком промывочной жидкости, движущейся в межколонном пространстве между внутренней и внешней колоннами, с последующим складированием в заданном месте, при сооружении траншеи с участками переменной проектной ширины на каждом участке применяют расширители с диаметром режущего элемента, соответствующим проектной ширине данного участка, а перед бурением лидерных скважин сооружают вдоль оси траншеи по обе ее стороны два рельса с автономными шпалами на расстоянии друг от друга, превышающем проектную ширину траншеи и длину шпалы;

для установки вращательного бурения скважин - благодаря тому, что известная установка для вращательного бурения скважин, включающая платформу, расположенную на транспортной базе, раму с направляющей, буровой агрегат, в состав которого входят внешняя колонна с регулируемым приводом подачи и вращения и установленная соосно с ней внутренняя колонна с регулируемым приводом вращения и подачи, оснащенные породоразрушающим инструментом и/или рабочими органами, и узел перемещения бурового агрегата по оси бурения, дополнительно снабжена буровым насосом, вращателями соответственно внешней и внутренней колонн, узлом отведения вращателя внешней колонны перпендикулярно оси бурения, узлом отведения вращателя внутренней колонны перпендикулярно оси бурения, узлом отведения всего бурового агрегата от оси бурения, узлами для свинчивания-развинчивания внешней и внутренней колонн и лебедкой, при этом узел перемещения бурового агрегата по оси бурения выполнен в виде подвижной площадки с возможностью ее принудительного перемещения по направляющей раме, на которой перпендикулярно ей и параллельно между собой установлены узел отведения вращателя внешней колонны перпендикулярно оси бурения и узел отведения вращателя внутренней колонны перпендикулярно оси бурения, каждый из которых выполнен в виде гидроцилиндра, связанного с соответствующим вращателем с возможностью его перемещения по соответствующей направляющей, расположенной на соответсвующей площадке, внешняя колонна имеет жесткость, которая превышает не менее чем в 10 раз жесткость внутренней колонны, в качестве рабочего органа установка снабжена полым расширителем с внешним диаметром режущего элемента, равным диаметру рабочей скважины, ниже режущего элемента установлена съемная секция внешней колонны с высотой от ее нижнего торца до нижней плоскости режущего элемента, достаточной для фиксирования направления бурения, узел отведения всего бурового агрегата закреплен на платформе и связан с рамой с возможностью смещения ее от оси бурения, а лебедка снабжена поворотным узлом, обеспечивающим ее перемещение в горизонтальной плоскости.

В частных примерах исполнения транспортная база установки оснащена колесами для перемещения по рельсам, а расстояние между противолежащими колесами равно ширине рельсового пути, в качестве режущего элемента на полом расширителе установлены ножи под острым углом, обращенным вниз, полый расширитель снабжен шнеком, установленным над режущим элементом с возможностью накопления разрушенной породы, и не менее чем двумя сквозными отверстиями, расположенными по диаметру съемной секции внешней колонны под расширяющим элементом, для обеспечения возможности подачи текучей породы через внутреннюю полость полого расширителя;

для калибратора - благодаря тому, что в известном калибраторе, включающем полый цилиндрический корпус в виде вертикальной трубы, которая снабжена переходником для ее закрепления на несущей и вращающей его колонне, сквозные отверстия, выполненные в боковой поверхности полого цилиндрического корпуса, и калибрирующие элементы, выступающие над внешней поверхностью цилиндрического корпуса под углом к нему в качестве несущей и вращающей колонны выбрана внешняя колонна при бурении двумя колоннами, сквозные отверстия выполнены в виде удлиненных по вертикали прямоугольников, расположенных параллельными вертикальными рядами со смещением сквозных отверстий в виде удлиненных по вертикали прямоугольников друг относительно друга в соседних параллельных вертикальных рядах, при этом число параллельных вертикальных рядов со сквозными отверстиями определено соотношением

где d - число параллельных вертикальных рядов;

Д - диаметр калибратора с учетом выступающих калибрирующих элементов;

- частота вращения калибратора;

_тех. - вертикальная скорость возвратно-поступального перемещения калибратора,

а калибрирующие элементы выполнены в виде режущих ножей с длиной, превышающей высоту сквозного отверстия в виде удлиненного по вертикали прямоугольника, и установлены на внешней боковой поверхности вертикальной трубы вдоль вертикальной стороны сквозного отверстия с возможностью образования направляющего козырька под ним, обращенного в сторону вращения калибратора, для направления срезанной породы через сквозные отверстия во внутреннюю полость корпуса калибратора, в котором дополнительно соосно с ним и на всю высоту расположена секция полой внутренней колонны с переходником.

В частных случаях исполнения расстояние между сквозными отверстиями калибратора в виде удлиненных по вертикали прямоугольников в параллельном вертикальном ряду определено амплитудной возвратно-поступательного движения калибратора вверх-вниз, а внутренняя колонна снабжена шнеком.

Заявленное изобретение иллюстрируют следующие фигуры:

- фиг.1. Установка для бурения скважин двойной колонной труб с регулируемыми приводами, вид сбоку.

- фиг.2. Компоновка внешней и внутренней труб с расширителем.

- фиг.3. Вертикальная лидерная скважина с двойной колонной труб, вид сверху.

- фиг.4. Вертикальная лидерная скважина с двойной колонной труб.

- фиг.5. Лидерная скважина с внутренней колонной и внешней колонной, на которой установлен расширитель в фазе создания рабочей скважины.

- фиг.6. Калибратор, установленный на двойной колонне труб.

- фиг.7. Схема образования траншеи рабочими скважинами.

- фиг.8. Вид сверху траншеи после сооружения рабочих скважин.

- фиг.9. Вид сверху траншеи после обработки ее стенок калибратором.

Установка (фиг.1) вращательного бурения скважин, позволяющая предотвратить отклонение осей сооружаемых лидерной и рабочей скважин от оси бурения и реализовать возможность сооружения сплошной траншеи в стесненных и сложных гидрогеологических условиях, например в условиях городских застроек, включает платформу 1 (фиг.1), расположенную на транспортной базе 2. На платформе 1 установлена рама 3, положение которой относительно платформы задается за счет ее поворота вокруг шарнира 4. Рама 3 снабжена направляющей 5, по которой движется узел перемещения бурового агрегата по оси бурения, выполненный в виде подвижной рамы 6, с возможностью ее принудительной подачи под действием гидроцилиндра 7, и буровой агрегат, в состав которого включены две соосные колонны: внутренняя колонна 8 и внешняя колонна 9, снабженные соответственно вращателем 10 внутренней колонны и вращателем 11 внешней колонны и регулируемыми приводами подачи и вращения (не показаны), связанными с пультом управления 12, при этом жесткость внешней колонны 9 задается не менее чем в 10 раз выше жесткости внутренней колонны 8.

На подвижной раме 6 параллельно между собой и перпендикулярно ей укреплены на разных по вертикали уровнях узел отведения вращателя 10 внутренней колонны 8 перпендикулярно оси бурения и узел отведения вращателя 11 внешней колонны 9 перпендикулярно оси бурения, при этом узел отведения вращателя 10 внутренней колонны 8 находится выше аналогичного узла отведения вращателя 11. Оба вращателя 10 и 11 расположены на подвижной раме 6 и перемещаются в плоскости, перпендикулярной оси бурения. Узел отведения вращателя 10 и узел отведения вращателя 11 выполнены аналогично и включают в себя площадку 13 для перемещения вращателя 10 или соответственно площадку 14 для перемещения вращателя 11 с помощью соответственно гидроцилиндра 15, связанного с вращателем 10, или гидроцилиндра 16, связанного с вращателем 11, но направляющим (не показана), укрепленным на соответствующей площадке 13 или 14.

Управление вращением и перемещением вращателей 10 и 11 при выполнении операций отведения - подвода осуществляется с пульта управления 12.

Для удобства работ при наращивании внешней колонны 9 и передачи ей вращения и возможности перемещения вдоль оси бурения установка снабжена узлом свинчивания-развинчивания внешней колонны 9, включающей, например, гидравлический патрон 17, вращающийся вместе со шпинделем (не показан) вращателем 11 и развивающий большие осевые усилия и изначальный крутящий момент. Для удержания внешней колонны 9 от вращения при свинчивании развинчивании ее секций на раме 3 установлен гидроключ 18.

Узел свинчивания-развинчивания внутренней колонны 8 представлен вращателем 10 и гидравлическим патроном 17 вращателя 11.

Для наращивания внешней колонны 9 и внутренней колонны 8 и их извлечения из скважины секциями установка снабжена лебедкой 19 с грузозахватным механизмом.

В основании лебедки 19 установлен поворотный узел 20, позволяющий отводить от оси бурения в горизонтальной плоскости внешнюю колонну 9 с полым расширителем 21 (фиг.2) для разгрузки накопленной в полом расширителе 21 породы.

Внешняя колонна 9 в фазе сооружения лидерной скважины 22 (фиг.3) оснащена породоразрушающим инструментом 23 (например, коронкой), а внутренняя колонна 8 оснащена породоразрушающим инструментом 24 в виде бурового долота, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра породоразрушающего инструмента 23 (фиг.4).

В фазе сооружения рабочей скважины 25 (фиг.3, фиг.5) внешняя колонна 9 оснащена расширителем 21 и секций внешней колонны для ее опережающего продвижения по лидерной скважине 22.

Установка для вращательного бурения скважин снабжена также буровым насосом 27, связанным с нагнетательным шлангом 28, обеспечивающим подачу промывочной жидкости через внутреннюю колонну 8 на забой 29, которая далее через межколонное пространство 30 выходит наверх.

Для удобства маневрирования, повышения технологичности и обеспечения компактности установки она снабжена узлом отведения 31 всего бурового агрегата от оси бурения по платформе 1 вместе с рамой 3, установленным на этой платформе 1 и связанным с транспортной базой 2.

Полый расширитель 21 (фиг.2) снабжен режущим элементом 32, внешний диаметр которого равен диаметру рабочей скважины 25 (фиг.3). Полый расширитель 21 включает съемную секцию 26 внешней колонны 9, которая выступает за нижнюю плоскость режущего элемента 32 на высоту от ее нижнего торца до нижней плоскости 33 режущего элемента 32, достаточную для фиксирования направления бурения за счет ее опережающего продвижения по лидерной скважине 22 (фиг.5).

В частном примере исполнения полый расширитель 21 снабжен шнеком 34, установленным над режущим элементом 32 с возможностью накопления разрушенной породы.

Не менее чем два сквозных отверстия 35 расположены по диаметру съемной секции 26 под режущим элементом 32 для подачи текучей породы через внутреннюю полость полого расширителя 21, а в качестве режущего элемента 31 на полом расширителе 21 установлены ножи под острым углом к его оси.

В частном случае исполнения установки транспортная база 2 оснащена колесами 36 для перемещения по монорельсовым путям 37, при этом расстояние между противолежащими колесами равно ширине рельсового пути.

Установка для вращательного бурения скважин работает следующим образом.

Производят монтаж установки на рабочей площадке (фиг.1, фиксируют транспортную базу 1), подключают силовые приводы (не показаны), производят обвязку гидроприводов, установки, опробуют в режиме холостого хода, после чего раму 3, лежащую на платформе 1, поворачивая вокруг шарнира 4, устанавливают в заданное положение, например вертикальное, и фиксируют. После этого подвижную раму 6 гидроцилиндром 7 перемещают в крайнее верхнее положение и собирают компоновку сначала внешней колонны 9, на торце которой на забое устанавливают породоразрушающий инструмент 23 (фиг.4). В качестве породоразрушающего инструмента 23 может выступать коронка; затем собирают компоновку внутренней колонны 8 и оснащают ее на фазе сооружения лидерной скважины породоразрушающим инструментом 24 в виде бурового долота. Длины обеих колонн подбирают таким образом, чтобы можно было бурить.

При наращивании используют лебедку 19. Трубы внешней колонны 9 свинчивают с помощью гидравлического патрона 17, вращающегося вместе со шпинделем (не показан) и гидроключа 18, входящих в состав узла свинчивания-развинчивания внешней колонны. Внутреннюю колонну 8 свинчивают вращателем 10 с использованием патрона 17, т.е. с помощью узла свинчивания-развинчивания внутренней колонны 8.

Собрав компоновки обеих колонн, включают буровой насос 27, затем с помощью вращателя 10, связанного через соответствующий ему регулируемый привод подачи и вращения с пультом управления 12, начинают вращать сначала внутреннюю колонну 8 с заданной частотой вращения, после чего с помощью вращателя 11, связанного также через соответствующий регулируемый привод подачи и вращения, соединенный с пультом управления 12, начинают вращать в противофазе внешнюю колонну 9, жесткость которой не менее чем в 10 раз превышает жесткость внутренней колонны 8. Сообщают колоннам подачу вниз. Величину осевого усилия выбирают в зависимости от физико-механических свойств пород.

По окончании углубки лидерной скважины 22 на длину секций внешней колонны 9 и внутренней колонны 8 (они одинаковы), выключают буровой насос 27, освобождают внешнюю колонной 9 в патроне 17 вращателя 11 и вращатель 10 отсоединяют от внутренней колонны 8; вращатель 10 внутренней колонны 8 перпендикулярно оси вращения отводят гидроцилиндром 15 по направляющей, укрепленной на площадке 13. После этого наращивают сначала внутреннюю колонну 8, потом внешнюю колонну 9, поднимая секции лебедкой 19, затем вращатель 10 возвращают по площадке 13 на место и соединяют с внутренней колонной 8, включают буровой насос 27 и возобновляют цикл бурения.

Аналогично, повторяя бурение цикл за циклом, сооружают лидерную скважину 22, после чего извлекают внешнюю колонну 9, а внутреннюю колонну 8 отсоединяют от вращателя 10 и оставляют в качестве направляющей для фазы расширения лидерной скважины 22.

В частном случае, бурение внешней колонной 9 осуществляют с частотой 1-5 об/мин, а внутренней колонной 8 - с частотой 60-140 об/мин.

Расширение лидерной скважины 22 до проектной ширины траншеи, т.е. сооружение на ее основе рабочей скважины 25, осуществляют следующим образом. Отсоединяют две-три верхние секции внутренней колонны 8, на поверхности платформы 1 собирают компоновку внешней колонны 9, и расширителя 21, к расширителю 21 подсоединяют съемную секцию 26 внешней колонны 9 с высотой от ее нижнего торца до нижней плоскости 33 режущего элемента 32, достаточной для фиксирования направления бурения за счет ее опережающего продвижения по лидерной скважине 22. Лебедкой 19 опускают в лидерную скважину 22 съемную секцию 26 внешней колонны 9. Затем возвращают вращатель 11 на место, придают внешней колонне 9 с расширителем 21 вращательно-поступательное движение, одновременно подавая промывочную жидкость по внутренней колонне 8.

Параметры бурения при расширении лидерной скважины 22 (осевое усилие, частота вращения) также выбирают в соответствии с геолого-техническим нарядом на сооружение скважины.

В зависимости от физико-механических свойств проходимых пород возможно несколько методов выноса разрушенной при расширении скважины породы.

При проходке грунтов, обладающих внутренними связями (сцеплением), разрушенную породу накапливают в полом расширителе 21, например в частном случае исполнения, на шнеке 34, установленном выше режущего элемента 32. После накопления породы заполненный полый расширитель 21 с помощью лебедки 19 извлекают вместе с внешней колонной из скважины и отводят в горизонтальной плоскости от оси бурения в сторону путем поворота лебедки 19 с помощью поворотного узла 20. Благодаря такому техническому решению снижается энергоемкость процесса, за счет исключения из него измельчения разрушенной породы до размера частиц бурового шлама и достигается сокращение времени на спуско-подъемные операции.

При прохождении участков сложенных рыхлыми несвязанными грунтами, которые невозможно удержать на шнеке 34 в полом расширителе 21 из-за отсутствия внутреннего сцепления, разрушенную породы удаляют потоком промывочной жидкости, движущейся в межколонном пространстве 30, образованном внешней колонной 9 и внутренней колонной 8, путем захвата бурового шлама, поступающего через приемные сквозные отверстия 35 в съемной секции 26.

При приближении полого расширителя 21 к забою 29 лидерной скважины 22 опасность отклонения рабочей скважины 25 от оси бурения становится минимальной, поэтому отсоединяют съемную секцию 26 внешней колонны 9 и расширяют рабочую скважину 25 до забоя 29.

Калибратор включает полый цилиндрический корпус 38 (фиг.6) в виде вертикальной трубы, в боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия 39, имеющие форму удлиненных по вертикали прямоугольников. Внутри полого цилиндрического корпуса 38 соосно с ним размещена на его высоту секция 40 внутренней колонны 8. Цилиндрический корпус 38 и секция 40 внутренней колонны 8 снабжены переходниками (не показаны) для их соединения с внешней колонной 9 и внутренней колонной 8 при бурении двумя колоннами.

Калибрирующие элементы, выступающие под углом над внешней боковой поверхностью полого цилиндрического корпуса 38, выполнены в виде режущих ножей 41 с длиной, превышающей высоту сквозного отверстия 39, и установлены под углом к боковой поверхности полого цилиндрического корпуса вдоль вертикальной стороны каждого удлиненного по вертикали прямоугольника с возможностью образования направляющего козырька над каждым сквозным отверстием 39 для подачи срезанной породы через эти отверстия во внутреннюю полость полого цилиндрического корпуса 38.

Сквозные отверстия 39 для увеличения пропускной способности и охвата всей обрабатываемой поверхности выполнены в виде удлиненных по вертикали прямоугольников, расположенных параллельными вертикальными рядами, например 42, 43 (фиг.6), со смещением сквозных отверстий 39 в соседних параллельных вертикальных рядах. Число параллельных вертикальных рядов определено соотношением

где d - число параллельных вертикальных рядов;

Д - диаметр калибратора, с учетом выступающих калибрирующих элементов;

- частота вращения калибратора;

_mex - вертикальная скорость возвратно-поступательного движения калибратора.

В частных случаях выполнения калибратора расстояние между сквозными отверстиями 39 в виде удлиненных по вертикали прямоугольников в параллельном вертикальном ряду определено амплитудой возвратно-поступательного движения калибратора вверх-вниз, а секция 40 полой внутренней колонны 8 снабжена шнеком 44.

Заявленный калибратор работает следующим образом.

Установленный на внешней колонне 9 через переходник (не показан) полый цилиндрический корпус 38 опускают в обрабатываемую полость, например скважину, потом опускают секцию 40 внутренней колонны 8, которую устанавливают с помощью переходника (не показан) на внутренней колонне 8. Собранному и установленному в полости калибратору сообщают вращательное и возвратно-поступательное движение. Имеющиеся в боковой поверхности полого цилиндрического корпуса сквозные отверстия 39, расположение и форма которых предусматривает максимальный захват породы, срезаемой калибрирующими элементами в виде режущих ножей 41 с обрабатываемой поверхности. При этом длина режущих ножей 41 превышает высоту сквозного отверстия 39, а сами режущие ножи 41 устанавливают на внешней поверхности полого цилиндрического корпуса 38 в виде вертикальной трубы, с образованием направляющих козырьков над каждым сквозным отверстием 39.

Для повышения эффективности захвата обрабатываемой поверхности за счет размещения режущих ножей 41 по схеме, заданной расположением и формой сквозных отверстий 39, отверстия выполняют в виде прямоугольников, вытянутых по вертикали и расположенных в вертикальных рядах со смещением сквозных отверстий 39 в соседних параллельных рядах, например (42 и 43), а число параллельных вертикальных рядов определяют соотношением

где d - число параллельных вертикальных рядов;

Д - диаметр калибратора;

- частота вращения калибратора;

_mex - вертикальная скорость возвратно-поступательного движения калибратора.

Срезанную породу режущие ножи подают во внутреннюю полость полого цилиндрического корпуса 38, где она попадает, например, на шнек 40 (в частном случае исполнения) или ее удаляют промывочной жидкостью, которую подают через полость внутренней колонны 8, а для повышения эффективности очистки расстояние между сквозными отверстиями 39 в параллельном вертикальном ряду определяют амплитудой возвратно-колебательного движения калибратора вверх-вниз.

Заявленный способ создания траншеи на основе лидерных и рабочих скважин с использованием заявленных и реализованных установки вращательного бурения скважин и калибратора осуществляют следующим образом.

Готовят территорию под сооружаемую траншею 44 (фиг.8, 9, 10), размечают ось траншеи и сооружают ряд равноудаленных лидерных скважин 22 с диаметром, меньшим, чем проектная ширина траншеи 44, на расстоянии между их осями, меньшем, чем проектная ширина траншеи 44. В стесненных и сложных гидрогеологических условиях, включая неустойчивые породы, сооружение лидерных скважин 22 и их расширение осуществляют под защитой тиксотропного раствора, обеспечивающего устойчивость стенок сооружаемой траншеи.

Для этого устанавливают заявленную установку вращательного бурения, фиксируют раму 3 в заданном положении, собирают компоновки внешней колонны 9 и внутренней колонны 8, оснащают их породоразрушающим инструментом 23 и 24 соответственно. Включают буровой насос 27. После этого включают сначала вращатель 10 внутренней колонны 8, а затем вращатель 11 внешней колонны 9, жесткость которой не менее чем в 10 раз превышает жесткость внутренней колонны 8. Оба вращателя управляются с помощью соответствующих регулируемых приводов подачи и вращения, соединенных с пультом управления 12. Сообщают колоннам подачу вниз. Бурение осуществляют в противофазе.

В частном случае исполнения бурение внешней колонной 9 осуществляют с частотой 1-5 об/мин, а внутренней колонной 8 - с частотой 60-140 об/мин.

После прохождения лидерной скважины 22 на длину секций внешней колонны 9 и внутренней колонны 8 отключают буровой насос 27, отключают и отводят от оси бурения вращатель 10, наращивают сначала внутреннюю колонну 8, потом внешнюю колонну 9, подключают вращатели 10 и 11, включают буровой насос 27 и повторяют цикл бурения до тех пор, пока не дойдут до забоя 29 (дна траншеи 44). После чего извлекают внешнюю колонну 9, а внутреннюю колонну 8 оставляют в лидерной скважине 22.

Перемещают установку вращательного бурения скважин на место сооружения очередной лидерной скважины 22 и цикл бурения повторяют аналогично бурению первой лидерной скважины.

Расстояние между осями смежных лидерных скважин 22 меньше, чем проектная ширина траншеи.

В частном примере исполнения лидерные скважины 22 сооружают на расстоянии между осями, определяемом соотношением

где L - расстояние между осями лидерных скважин;

с - ширина траншеи между противолежащими выступами после соединения рабочих скважин;

D_p - внешний диаметр рабочей скважины;

R_p - внешний радиус рабочей скважины.

Сооружают заявленной установкой несколько лидерных скважин 22, оставляя в них в качестве направляющих внутренние колонны 8, возвращают установку назад и начинают расширение первой лидерной скважины 22.

В частном случае исполнения перед бурением лидерных скважин вдоль оси траншеи 44 сооружают по обе ее стороны два монорельсовых пути с автономными шпалами (не показаны) на расстоянии друг от друга, превышающем проектную ширину траншеи и длину шпалы. Это повышает технологичность, компактность и снижает нагрузку на стенки траншеи 43.

Расширение лидерной скважины 22 осуществляют следующим образом.

Отсоединяют несколько секций внутренней колонны 8, собирают внешнюю колонну 9, начиная с съемной секции 26, к которой с помощью переходника (не показан) подсоединяют расширитель 21 с диаметром режущего элемента 32, равным проектной ширине траншеи 44, расширитель 21 соединяют с внешней колонной 9 и спускают в лидерную скважину 22.

В частном случае исполнения при сооружении траншеи 44 с участками переменной проектной ширины, т.е. превышающей ширину основной траншеи, на каждом участке применяют расширители с диаметром режущего элемента 32, соответствующим проектной ширине данного участка. Высота съемной секции 26 от ее торца до нижней плоскости 33 режущего элемента 32 достаточна для опережающего его продвижения по лидерной скважине, что, совместно с оставленной в лидерной скважине 22 внутренней колонной 8, исключает отклонение оси сооружаемой рабочей скважины 25 от оси бурения.

Расширение лидерной скважины 22 с такой компоновкой внешней колонны продолжают до тех пор, пока нижний торец съемной секции 26 не коснется дна траншеи 44. После этого его отсоединяют и добуривают рабочую скважину 25 до дна траншеи 44.

В частных примерах исполнения удаление разрушенной породы при расширении осуществляют в зависимости от физико-механических свойств грунтов сооружаемой рабочей скважины 25 или циклично повторяющимися операциями подъема накопленной в расширителе 21 породы вместе с расширителем 21 путем его отведения от оси бурения на внешней колонне 9 с помощью поворотного узла 20 лебедки 19, или при отсутствии сцепления между частицами грунта - вместе с потоком промывочной жидкости, движущейся в межколонном пространстве 30 между внешней колонной 9 и внутренней колонной 8, с последующим складированием в заданном месте. После создания первой рабочей скважины 25 установку перемещают к следующей лидерной скважине, где повторяют расширение. Благодаря тому, что расстояние между осями лидерных скважин 22 меньше проектной ширины траншеи 44, рабочие скважины 25 перекрываются, т.е. между ними удаляется перемычка, однако в месте перекрытия на обоих стенках траншеи 44 образуются выступы 45 в форме гребешков, в результате профиль траншеи 44 сверху приобретает волнообразную форму.

Для срезания полученных выступов 45, а также контроля сплошности траншеи в крайнюю рабочую скважину 25 спускают калибратор 38 со шнеком 41, после чего секцию 40 соединяют с внутренней колонной 8, а корпус расширителя 36 соединяют с внешней колонной 9.

Придают калибратору вращательное и возвратно-поступательное движение и продвигают его вдоль созданной траншей с уступами 45.

Срезанная с помощью режущих ножей 41 порода направляется через сквозные отверстия 39 во внутреннюю полость полого цилиндрического корпуса.

При необходимости стенки траншеи выполняют наклонными за счет установления рамы 3 под заданным углом.

Промышленная применимость изобретения показана на следующем примере конкретного исполнения:

Пример.

Геологический разрез осушаемого массива представлен 5 слоями:

- 1-й слой (верхний) - растительный, мощность от 0,5 до 1,5 м;

- 2-й слой - суглинки различной консистенции, мощность 3-6 м, уровень грунтовых вод находится на 3-3,5 м от поверхности земли;

- 3-й слой - супеси, мелко-тонкозернистые пески с низкими коэффициентами фильтрации, мощность 3-5 м;

- 4-й слой - пески мелко-среднезернистые с возможными включениями гравийно-галечных отложений;

- 5-й слой - суглинки, глины, являющиеся водоупором вышележащих 3-го и 4-го, мощность от 3-10 м.

Осушение планируется путем лучевого дренажа из шахтного ствола. Сооружение лучевых скважин предлагается в подошве 3-го слоя и кровле 4-го слоя.

Шахтный ствол имеет следующие проектные параметры:

глубина 12 м;

диаметр в свету 4 м.

Сооружение шахтного ствола запроектировано методом стены в грунте без предварительного водопонижения строительной площадки; форма ствола прямоугольная, с размерами сторон 5×5 м по осям.

На строительной площадке размечают ось траншеи. Сооружают по обе стороны два монорельсовых пути с основанием из шпал на расстоянии друг от друга, превышающем ширину траншеи и длину шпалы. Устанавливают установку для вращательного бурения скважин, сооружают емкости для глинистого раствора, складирования шлама, подключают установку к источнику электроэнергии.

Установленная мощность вместе с буровым насосом №60 - 65 кВт.

Траншею сооружают на основе лидерных и рабочих скважин. Глубина лидерной скважины 13 м, т.е. превышает проектную глубину шахтного ствола:

проектная ширина траншеи	400
(диаметр калибратора), м
расстояние между осями лидерных скважин, мм	420
диаметр лидерной скважины, мм	200
диаметр рабочей скважины, мм	500
диаметр внутренней колонны, мм	89
диаметр внешней колонны, мм	168

расстояние между осями лидерных скважин определяется по формуле

где L - расстояние между осями лидерных скважин;

с - ширина траншеи между противолежащими гребешками после соединения рабочих скважин;

D_p - внешний диаметр рабочей скважины;

R_p - внешний радиус рабочей скважины.

диаметр пород оразрушающего инструмента
внутренней колонны (долота), м	145
диаметр коронки внешней колонны, мм	200
диаметр шнека на внутренней колонне, мм	140
диаметр шнека калибратора, мм	300
диаметр корпуса калибратора, мм	377

Промывочный насос - либо центробежный с рабочими органами типа 160/ГРТ (подача 160 м³/ч, напор 32 м вод.ст.), либо буровой насос типа НБ-320.

Устанавливают раму в вертикальное положение, поворачивая ее вокруг шарнира, подвижную раму перемещают в крайнее верхнее положение и собирают компоновки сначала внешней, а затем внутренней колонн с соответствующими породоразрушающими инструментами. Соединяют вращатели со своими колоннами. Жесткость внешней колонны в конкретном случае превышает жесткость внутренней колонны в 12 раз. Зажимают внешнюю колонну в патроне, подачей колонн вниз вводят породразрушающие инструменты в грунт, включают вращение сначала внутренней колонны, затем внешней, включают промывочный насос. Колонны вращают в противофазе. Частоту вращения внутренней колонны варьируют от 50 до 85 об/мин, частоту вращения внешней колонны варьируют от 0,5 до 3,5 об/мин.

Величину осевого давления выбирают в соответствии с заданным проектом (1,5-2,5 т) и ведут бурение на глубину, равную глубине одной секции внешней (соответственно) и внутренней колонн. Бурение осуществляют под защитой типсотропного (глинистого) раствора. По окончании углубки скважины на одну секцию выключают промывочный насос, вращение колонн, прекращают подачу, рассоединяют вращатель внешней колонны, отводят его в направлении, перпендикулярном оси бурения, и производят наращивание сначала внутренней, затем внешней колонны, используя при этом лебедку. Повторяют цикл бурения лидерной скважины.

За счет превышения жесткости внешней колонны не менее чем в 12 раз жесткости внутренней колонны удается избежать искривления внешней колонны и ухода ее оси от оси бурения. Превышение жесткости внешней колонны меньше, чем в 10 раз жесткости внутренней колонны, приводит к искривлению внешней колонны, а выше, чем в 15 раз, ведет к неоправданному перерасходу материала.

После завершения бурения лидерной скважины в ней в качестве направляющей оставляются внутреннюю колонну. После сооружения 3-4-х лидерных скважин начинают на их основе сооружать рабочие скважины. Для осуществления этой операции на внешнюю колонну устанавливают расширитель и съемную секцию внешней колонны с пропускными сквозными отверстиями с высотой съемной секции от нижнего торца до нижней плоскости режущего элемента, достаточной для ее опережающего продвижения при расширении по лидерной скважине для обеспечения возможности совместного с уже находящейся в лидерной скважине внутренней колонной предотвращения отклонения оси сооружаемой рабочей скважины от оси бурения.

Диаметр режущего элемента расширителя равен проектной ширине скважины.

Расширение лидерной скважины в зоне суглинистых и глинистых пород, обладающих сцеплением, ведут путем накопления породы на шнеке в расширителе с последующим ее удалением путем извлечения расширителя из скважины на внешней колонне, отвода их в горизонтальной плоскости и складирования породы в приемном бункере или в самосвале. Этим обеспечивается снижение энергозатрат на перевод разрушенной породы в буровой шлам и повышается производительность работ по расширению лидерных скважин.

При расширении лидерной скважины в зоне неустойчивых супесей, песков, которые невозможно удержать на шнеках в расширителе, разрушенная порода через приемные сквозные отверстия под режущим элементом поступает внутрь лидерной скважины.

При достижении съемной секцией внешней колонны забоя скважину отсоединяют от расширителя и продолжают расширение скважины одним расширителем.

По окончании расширения всех лидерных скважин по периметру траншеи достигают перекрытия рабочих скважин, однако в результате этого перекрытия на обеих стенках траншеи образуются выступы в форме гребешков, что придает профилю траншеи на виде сверху волнообразный вид. Для устранения этого дефекта траншеи и достижения ее проектной ширины полученную траншею калибруют.

Для этого на поверхности собирают калибратор, диаметр которого, с учетом выступающих калибрующих элементов в виде режущих ножей, равен проектной ширине траншеи - 400 мм; высоту корпуса калибратора выбрали равной глубине рабочей скважины 13 м.

Опускают калибратор по оси рабочей скважины, соединяют с внутренней и внешней колоннами и сообщают вращение внутренней и внешней колоннам с частотами, равными соответственно 3-5 об/мин внешней колонны и 60-80 об/мин внутренней колонны, включают подачу калибратора вверх-вниз с амплитудой, соответствующей ходу гидроцилиндра подачи бурового агрегата, подачу вперед регулируют по величине нагрузок на внешнем корпусе калибратора (преимущественно по крутящим моментам). Подачу промывочной жидкости через внутреннюю колонну калибратора осуществляют непрерывно, перемещая калибратор вдоль оси траншеи. Удаляя срезанную породу через внутреннюю полость калибратора, создают сначала траншею на одной стороне, потом точно таким же образом сооружают вторую, третью и замыкающую сторону траншеи.

В дальнейшем в созданной таким образом траншее сооружают либо несущую стену, либо противофильтрационную завесу.

Пример 2.

При строительстве насосной станции большого диаметра способом несущей стены в грунте возникла необходимость усиления несущей способности стены от горного давления путем устройства опорных стоек большого диаметра между сегментами несущей стенки. Шаг установки опорных стоек и их диаметр был заранее рассчитан. В соответствии с этим трассу траншеи разбивают на участки, границами которых являются скважины большого диаметра. Сооружение этих скважин осуществлялось в несколько этапов. Сначала сооружалась рабочая скважина по примеру 1, после чего она расширялась до следующего диаметра, и так, ступенями до расчетного диаметра. При этом применялись расширители, конструкция которых была идентичной. Величина ступени при расширении составляла 150-200 мм по диаметру.

Как видно из примеров, заявленная совокупность существенных признаков для способа сооружения траншеи на основе лидерных и рабочих скважин позволяет создать сплошную траншею в неустойчивых и обводненных грунтах в стесненных наземных условиях. Процесс стал более технологичным за счет реализации назначения заявленной установки и совокупности признаков способа, устранено отклонение в процессе бурения осей лидерной и рабочей скважин.

При этом установка вращательного бурения скважин компактна, менее энергоемна, удобна в эксплуатации, а калибратор обеспечивает возможность достижения сплошности траншеи, повышения ее качества и производительности процесса.

При возведении стены в грунте при строительстве шахтных стволов, колодцев и др. подземных сооружений, возводимых в сложных гидрогеологических условиях, изобретение повышает безопасность горно-проходческих работ, исключает возникновение аварийных ситуаций, связанных с непредвиденными выбросами водонасыщенных грунтов из-за ненадежной работы водоотливных средств, позволяет повысить экологическую безопасность.