ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ УГЛУБКИ ЗАБИВНОГО ПРОБООТБОРНИКА В НЕСКАЛЬНЫЙ ГРУНТ ЗА ЕДИНИЧНЫЙ УДАР



Канд. техн. наук Рязанов А.Н.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. Випуск 24.-Донецьк, ДонДТУ, 2001.-с.53-57.



В соответствии с требованиями действующего ГОСТа 12071-84 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов» и получивших широкое распространение рекомендаций, разработанных Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве монолиты глин с коэффициентом пористости менее 1.1, суглинков — менее 0.9, супесей — 0.7 при показателе консистенции, непревышающим 0.75, должны отбираться забивными и вибрационными грунтоносами и пробоотборниками. Результаты проведенных различными организациями сравнительных испытаний показывают, что из двух названных способов погружения устройства в грунт с точки зрения качества отбираемого образца более предпочтительным является низкочастотный, с частотой ударов не более 1 Гц, забивной способ.

На кафедре Технологии и техники геологоразведочных работ ДонГТУ разработаны конструкции забивных пробоотборников с механическим и автономным гидравлическим приводом и освобождающимся на рабочем ходе бойком, позволяющие в условиях вертикальных перемещений плавоснования при бурении морских скважин отбирать пробы грунтов с минимальным нарушением физико–механических свойств в породах песчано–глинистого комплекса.

Для определения величины углубки пробоотборника в нескальный грунт за единичный удар необходимо рассматривать процессы, происходящих в ударной системе, с точки зрения волновой механики. Согласно ей при взаимодействии бойка с наковальней керноприемной трубы в последней генерируется волна упругой деформации, которая распространяется в направлении забоя. По его достижении часть энергии волны расходуется на разрушение породы, а часть возвращается обратно в систему в виде отраженной волны. Отраженная от забоя волна деформации через период собственных колебаний ударяемого тела вновь вернется к забою. Экспериментальные исследования, проведенные рядом авторов, показывают, что вследствие потерь энергии ее амплитуда будет меньше первоначальной и может оказаться недостаточной для преодоления силы сопротивления породы внедрению.

Диссипация энергии за счет рассеивания и внутреннего трения в теле инструмента весьма незначительна – до 0,4 % на 1 м [1] и легко учитывается при математическом описании введением логарифмического декремента в уравнение свободных колебаний. Основную же долю потерь составляют потери энергии в резьбовых соединениях и на границе контакта инструмента с породой.

По данным К.И.Иванова [2], И.Г.Шелковникова [3] резьбовые соединения уменьшают энергию ударного импульса за счет частичного отражения и фрикционного проскальзывания на 2-18 % в зависимости от конструктивного исполнения и плотности затяжки.

По данным Ю.Д.Бессонова [1] относительная величина энергии отраженного от породы импульса зависит от ее физико-механических свойств, конструкции породоразрушающего инструмента и формы основного ударного импульса и находится в пределах 0.19-0.47.

В работе [4] сделано предположение, что при величине усилия в первой волне деформации порядка 40-100 кН воздействие на инструмент третьей и последующих волн деформации не приведет к существенному увеличению внедрения и передачи энергии в среду за удар. Это предположение подтверждается результатами экспериментов ряда авторов. Двукратное внедрение инструмента под действием одного удара наблюдалось В.Д.Андреевым [5] при проведении экспериментальных исследований внедрения в породу инструмента с различными углами приострения лезвий, Н.М.Зеленским, А.М.Бочковским и В.В.Квачем [6] при экспериментальном исследовании внедрения инструмента с различной длиной лезвий, Ч.Хаямидзу, С.Мисавой и С.Такаокой [7] при исследовании внедрения инструмента в породы различной крепости.

Что касается теоретических разработок данного вопроса, то в работе Я.Г.Пановко [8] для случая продольного удара по стержню жестким телом приводятся безразмерные продолжительности удара для различных соотношений масс ударяющего и ударяемого тел. Согласно им при соотношении масс от 3 до 7, характерных для нашего случая, соударение заканчивается в интервале от 2,7 до 4,1 периода колебаний ударяемого тела.

Следует отметить, что для приведенных результатов характерно рассмотрение в качестве разрушаемой среды преимущественно крепких пород с их особенностями нагрузочных характеристик и использование ударных систем с конструктивными параметрами, отличными от разработанных нами пробоотборников.

В связи с этим на кафедре на гравитационном струнном копре конструкции ОНИЛ морского бурения были проведены экспериментальные исследования процесса взаимодействия элементов системы «боек — керноприемная труба — нескальный грунт». В качестве объекта исследования использовалась реальная физическая модель ударной системы забивного пробоотборника. Конструктивные параметры ее элементов приведены в табл.1.
формула1
По закрепленным и натянутым направляющим струнам свободно перемещались центрированные боек и керноприемный снаряд. Подъем бойка осуществлялся канатом с укрепленным на нем механическим захватом до ограничителя высоты. При контакте захвата с ограничителем происходило его срабатывание, и боек свободно падал вниз. Регулирование высоты ограничителя позволяло обеспечивать предударную скорость до 3 м/с. При падении бойка происходил удар по наковальне, в результате чего наблюдалось погружение керноприемного снаряда в находящийся в лотке грунт.

Предварительно керноприемный снаряд заглублялся в грунт на предполагаемую мак-симальную глубину опробования – 0,6 м. Идентичность свойств используемого грунта: мелкозернистого песка и тугопластичного суглинка, свойствам породного массива достигалась путем послойного его уплотнения до строго фиксированного уровня. Физико-механические свойства устанавливались по методике и рекомендациям работы [9].

Для определения количества волн деформаций, под действием которых происходит углубка керноприемного снаряда в разрушаемый грунт использовали входящий в состав экспериментального стенда индуктивный датчик скорости.

Анализ полученных осциллограмм, пример которых приведен на рис.1, показывает, что генерируемая в рассматриваемой ударной системе волна деформации в результате потерь энергии на преодоление различного рода сопротивлений как в самой системе, так и на границе с разрушаемым грунтом, в зависимости от создаваемого усилия полностью затухает через 3–4 периода колебаний.
формула1
Таким образом, величина углубки за единичный удар определится по формуле
формула1
где hi – углубка за время действия i–ой волны деформации, м; n – количество действующих волн деформации.

Для определения величины углубки керноприемной трубы в нескальный грунт, представленный наиболее распространенной чистопластической моделью сопротивления [10], под действием i–ой волны деформации составим уравнение ее движения
формула1
где P – среднее значение усилия в нижнем торцевом сечении керноприемной трубы за период колебаний, Н; Rл, Rб – сопротивление грунта по лобовой и боковой поверхности погружаемого инструмента, Н; mТ – масса трубы, кг; формула1 – ускорение керноприемной трубы, м/с2. Из (2) имеем
формула1
С учетом начальных условий
формула1
где V – среднее значение скорости нижнего торцевого сечения керноприемной трубы за период колебаний, м/с;

выражение для нахождения величины углубки керноприемной трубы за время действия i–ой волны деформации примет вид
формула1
где t – период колебаний ударяемого тела, с.

Значения P и V могут быть определены в результате решения методом Фурье уравнения свободных колебаний стержня с внутренним сопротивлением, пропорциональным скорости смещения сечений, дополненного соответствующими краевыми условиями. Методика изложена в работе [11].

Расчетные значения величины углубки за единичный удар керноприемной трубы длиной 1 м (длина керноприемной трубы забивного пробоотборника выбирается исходя из необходимости отбора достаточной для проведения лабораторных испытаний пробы) при внедрении в различные виды грунта при фиксировании одного из главных параметров ударной системы и изменении другого (массы бойка и скорости его соударения с наковальней), приведены в табл.2.
формула1
Полученные значения углубки дают возможность определить необходимое для отбора пробы грунта требуемой высоты количество ударов и прогнозировать продолжительность процесса пробоотбора в целом.




Библиографический список

  1. Эпштейн Е.Ф., Бессонов Ю.Д. Влияние размеров колонковых труб и резьбовых соединений на коэффициент полезного действия передачи энергии удара // Обзор. Сер. Техн. и технол. геол. - развед. работ; орг. произ - ва. - М.: ВИЭМС, 1970, вып.60. - 11 c

  2. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987.- 272 c.

  3. Шелковников И.Г. Оптимизация условий передачи и использования энергии удара при бурении: Автореф. дис. докт. техн. наук. - Москва: МГРИ,1982. - 45 с.

  4. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц Е.В. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. - М.: Наука, 1985. - 357 с.

  5. Андреев В.Д., Бочковский А.М., Скляр С.И. Исследование влияния угла заострения инструмента на процесс взаимодействия с породой. // В кн.: Горный породоразрушающий инструмент. - Киев: Техника, 1970. - С. 169 - 178.

  6. Зеленский Н.М., Бочковский А.М., Квач В.В. Влияние длины лезвия коронки на процесс разрушения горной породы. // В кн.: Горный породоразрушающий инструмент. - Киев: Техника, 1969. - С. 82 -87.

  7. Хаямидзу Х., Мисава С., Такаока С. Исследование твердости и вязкости пород при ударном бурении. Пер. с яп. Всесоюзн. центр. Пер., Ц - 40629. - М.,1973.-24 с.

  8. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. - М.: Наука, 1977. - 224 с.

  9. Бирюков Н.С., Казарновский В.Д., Мотылев Ю.А. Методическое пособие по определению физико-механических свойств грунтов. - М.: Недра, 1975. - 176 с.

  10. Ребрик Б.М. Бурение инженерно-геологических скважин. - М.: Недра,1990.-336 с.

  11. Каракозов А.А., Рязанов А.Н. Результаты исследований ударной системы забивного пробоотборника. // Сб. научн. трудов НГА Украины. №3, Том 2. – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. – С.234–238.

    Библиотека