Машина для подъема горных труб: полное руководство по типам, системам резки и выбору проекта

Что такое подъемная машина для горных труб и почему горные условия требуют специального оборудования

Подъемная машина для скальных труб — это специализированное бестраншейное строительное оборудование, предназначенное для бурения твердых или смешанных горных пород с одновременной установкой за ней цепочки труб с использованием гидравлических подъемных сил, приложенных от пусковой шахты, для проталкивания всей колонны труб и машины вперед через землю. Машина выкапывает скальную породу в передней части скважины, удаляет грунт через установленную колонну труб и поддерживает точную линию и уклон, необходимые для готового трубопровода — и все это без открытых земляных работ на поверхности. Подъемные машины для каменных труб являются предпочтительным оборудованием для прокладки самотечных канализационных сетей, водопроводов, газопроводов и кабельных каналов под дорогами, железными дорогами, реками и городской инфраструктурой, где разрушение поверхности запрещено или нецелесообразно, а грунтовые условия включают в себя скальные породы, слишком твердые или абразивные для работы со стандартным оборудованием для подъема труб из мягкого грунта.

Различие между стандартной трубоподъемной машиной и машиной, разработанной специально для горных условий, является фундаментальным. Машины для прокладки микротоннелей на мягком грунте используют давление жидкого раствора или баланс давления грунта для поддержки забоя туннеля и используют дисковые фрезы или скребковые захваты, подходящие для почвы и слабых горных пород. В прочных твердых породах — граните, базальте, кварците, песчанике или известняке с пределом прочности при неограниченном сжатии (UCS) выше 80–100 МПа — эти режущие инструменты быстро изнашиваются, скорость выемки грунта падает до неприемлемого уровня, и машина может застрять, если грунт самоподдерживается без давления жидкости, на которое опирается машина. А машина для подъема каменных труб решает все эти проблемы с помощью специально разработанных режущих головок, оснащенных дисковыми фрезами или пуговчатыми долотами, рассчитанными на работу в твердой породе, прочными основными подшипниками и системами привода, способными выдерживать высокие осевые и крутящие нагрузки, необходимые при выемке горных пород, а также часто режим работы на открытом забое или в атмосфере, подходящий для самонесущих горных пород.

Как работают машины для подъема горных труб: полный процесс

Процесс подъема труб в горной породе следует той же основной последовательности, что и в более мягком грунте, но каждый этап включает в себя оборудование и процедуры, адаптированные к задачам выемки твердых пород. Понимание всего процесса проясняет, что должна делать машина и почему ее различные системы спроектированы именно так, как они есть.

Подготовка стартовой шахты и настройка машины

Процесс начинается со строительства стартовой шахты — вертикальной выемки, из которой опускается машина и продвигается колонна труб. В горных породах пусковые шахты часто формируются путем буровзрывных работ или резки камня и должны иметь достаточный размер, чтобы вместить подъемную раму, упорную стенку и первые устанавливаемые секции труб. Упорная стенка — железобетонная или стальная конструкция, опирающаяся на заднюю стенку шахты — должна быть спроектирована так, чтобы противостоять полной силе домкрата, которая будет приложена во время проходки, которая в условиях твердых пород может достигать нескольких сотен тонн даже для скважин среднего диаметра. Перед началом бурения машину опускают в шахту, устанавливают на подъемную раму на нужной линии и уклоне и подключают к прицепным системам — шламопроводам, электропитанию, кабелям передачи данных, а также конвейеру для удаления грунта или шламовой трубе.

Раскопки камня на режущей головке

Режущая головка вращается относительно скальной породы под действием силы тяги, приложенной подъемной системой, и крутящего момента от приводных двигателей режущей головки. В твердых породах основное режущее действие выполняют дисковые фрезы — колеса из закаленной стали, которые катятся по забою породы под высокими точечными нагрузками, вызывая трещины растяжения, которые раскалывают породу между соседними траекториями резцов. Расстояние, диаметр и нагрузка на вершину дисковых фрез рассчитаны для конкретного типа горной породы и UCS — для более твердых и абразивных пород требуются ближе расположенные фрезы большего диаметра с твердосплавными пластинами более высокого качества для достижения приемлемой скорости проникновения и увеличения срока службы фрезы. Мягкую или трещиноватую породу можно более эффективно разрезать с помощью волочильных резцов или комбинированных режущих головок, оснащенных как дисковыми, так и резцами для работы в смешанных забоях.

Удаление грязи из скважины

Горная порода, образующаяся на режущей головке, должна транспортироваться обратно через установленную колонну труб к пусковой шахте для удаления. В машинах для подъема скальных труб, работающих в режиме шлама, вода или бентонитовая суспензия закачивается в режущую головку, где она смешивается с каменной крошкой и перекачивается обратно в виде суспензии на сепарационную установку на поверхности. Этот метод эффективно справляется с мелкими частицами породы и мелкой стружкой, но требует достаточной скорости шлама для транспортировки более крупных фрагментов породы, образующихся в твердой породе - фактор, который влияет на размер шламового насоса и диаметр трубопровода. В некоторых конфигурациях подъема скальных труб, особенно в самонесущих компетентных горных породах, вместо транспортировки шлама используется механическая транспортировка — винтовой конвейер или скребковый конвейер, проходящий через колонну труб, что устраняет необходимость в сепарационной установке и упрощает работу на площадке.

Последовательность монтажа и подъема труб

По мере продвижения машины секции труб опускаются в пусковую шахту и добавляются к задней части колонны труб, которая толкается вперед основной подъемной рамой. При каждом подъеме колонна продвигается на одну длину трубы — обычно от 1,0 до 3,0 метров в зависимости от диаметра трубы и глубины ствола. Затем домкратная рама втягивается, новая труба опускается и устанавливается на место, и начинается следующий ход. Промежуточные подъемные станции — гидравлические домкраты, установленные между секциями труб через определенные промежутки вдоль привода, — используются на более длинных приводах для снижения совокупной нагрузки трения, которая в противном случае потребовала бы, чтобы основная домкратная рама выталкивала всю длину колонны труб, которая при горных приводах может достигать нескольких тысяч тонн на длинных стволах.

Рулевое управление и контроль уклона

Для поддержания заданной линии и уклона в горных породах требуется система рулевого управления, способная преодолевать тенденции направления, которые анизотропия горных пород и характер трещиноватости могут налагать на машину. В машинах для подъема горных труб используются шарнирные щиты с гидравлическими рулевыми цилиндрами, которые отклоняют переднюю часть машины относительно задней трубы, что позволяет постоянно вносить коррективы во время движения. Лазерный теодолит или гироскопическая система наведения контролирует положение машины относительно выравнивания конструкции, при этом данные в реальном времени отображаются на наземной станции управления. При работе в твердых породах корректировку рулевого управления необходимо вносить постепенно — резкая регулировка рулевого управления на жестком грунте может привести к повреждению соединений труб или увеличению фрикционных нагрузок — а геометрия рулевого управления машины должна соответствовать диаметру трубы и допуску на соединение, чтобы избежать чрезмерного напряжения колонны труб во время изменения направления.

Типы режущих головок для различных горных пород

Режущая головка является определяющим компонентом машины для подъема горных пород: от ее конструкции зависит, сможет ли машина эффективно выкапывать целевую породу, насколько быстро происходит износ фрезы и как машина будет работать в смешанных забойных условиях. Выбор или определение правильной конфигурации режущего аппарата для условий грунта является одним из наиболее важных решений при планировании проекта.

Доступ к осмотру и замене резца является важнейшим фактором при проектировании машин для подъема горных пород. В машинах большего диаметра (обычно DN 1200 и выше) персонал может войти в камеру фрезерной головки в безопасных атмосферных условиях в самонесущей породе для проверки и замены изношенных фрез во время движения. В станках меньшего диаметра замена фрезы требует либо отвода машины к пусковому валу (что требует значительных затрат времени и средств), либо использования систем замены фрез с дистанционным управлением, которые позволяют заменять изношенные инструменты без вмешательства человека. Возможность и стоимость замены фрезы следует учитывать при планировании привода, особенно при длительных поездках по высокоабразивной породе, где расход фрезы высок.

Расчет подъемной силы и промежуточные подъемные станции

Суммарное усилие подъема, необходимое для продвижения машины для подъема горных труб, является одним из наиболее важных параметров при планировании проекта: от него зависит мощность основной подъемной рамы, конструктивное исполнение упорной стенки, необходимая прочность секций трубы, а также необходимость использования промежуточных подъемных станций. Недооценка подъемной силы приводит к остановке приводов, повреждению труб из-за чрезмерной нагрузки или проектам, которые невозможно завершить.

Общая подъемная сила представляет собой сумму торцевого сопротивления (силы, необходимой для продвижения режущей головки через породу) и поверхностного трения по всей длине установленной колонны труб. Торцевое сопротивление горной породы в первую очередь зависит от UCS породы, площади фрезерной головки и конфигурации фрезы. Кожное трение определяется кольцевым зазором между наружным диаметром трубы и стволом скважины, размером перереза, эффективностью впрыска смазки и шероховатостью поверхности трубы. При подъеме скальных труб диаметр скважины обычно обрезается немного больше, чем наружный диаметр трубы (зарез), чтобы уменьшить поверхностное трение и обеспечить пространство для закачки смазки в кольцевое пространство. Типичный перерез для горных пород составляет от 20 до 50 мм по радиусу, в зависимости от качества породы и длины привода.

Промежуточные домкратные станции (ППС), также называемые промежуточными домкратами, представляют собой узлы гидравлических домкратов, устанавливаемые между секциями труб через расчетные интервалы вдоль хода. Они позволяют разделить привод на более короткие сегменты, каждый из которых выдвигается вперед ближайшей подъемной станцией, так что ни один отдельный участок трубы не испытывает совокупного трения по всей длине привода. Для подъема горных пород на глубину более 150–200 метров в типичных условиях почти всегда требуется IJS. Расстояние между IJS определяется максимально допустимой подъемной нагрузкой на секцию трубы — производители труб указывают максимально допустимые подъемные усилия для своей продукции, а расстояние между IJS должно гарантировать, что эта сила не будет превышена ни в одной точке привода при наихудших условиях трения.

Смазка и кольцевая цементация при прокладке скальных труб

Смазка кольцевого пространства между колонной труб и стенкой скважины необходима для всех приводов подъема труб, но имеет специфические характеристики в горных условиях по сравнению с применением в мягких грунтах. В мягких грунтах бентонитовая суспензия, впрыскиваемая через отверстия в колонне труб, заполняет затрубное пространство и снижает поверхностное трение, обеспечивая смазочную среду с низким сдвигом. В горных породах самонесущая стенка скважины означает, что смазке не требуется обеспечивать поддержку забоя, но она по-прежнему выполняет важнейшую функцию по уменьшению контактного трения трубы о породу и предотвращению блокировки колонны труб в скважине, если привод остановлен на какое-то время.

При впрыскивании смазки в приводы горных пород используется смазочный раствор на основе бентонита или полимера, впрыскиваемый через несколько отверстий для впрыска, расположенных вдоль колонны труб. Давление нагнетания должно быть достаточным для заполнения затрубного пространства и вытеснения любых грунтовых вод или частиц породы, но не настолько высоким, чтобы вызвать гидроразрыв окружающей породы или выход по плоскостям трещин на поверхность земли или прилегающие конструкции. Мониторинг объемов закачки и давления в каждом порту во время проходки дает информацию о качестве заполнения кольцевого пространства и предупреждает оператора о местах, где труба непосредственно контактирует со стенкой скважины — состояние, которое увеличивает риск трения и износа.

При завершении проходки кольцевое пространство обычно заливается цементно-бентонитовым или ПФА-цементным раствором, чтобы обеспечить постоянную поддержку трубы и заполнить любые пустоты, которые в противном случае могли бы привести к оседанию в вышележащем грунте. В прочной горной породе, где ствол скважины является полностью самонесущим, этот этап цементации можно опустить для приводов малого диаметра, но это стандартная практика для скважин большего диаметра и для пород с любой степенью трещиноватости или выветривания, которые со временем могут привести к постепенному высвобождению блоков в затрубное пространство.

Требования к наземным исследованиям для проектов подъема скальных труб

Успех проекта по подъему каменных труб во многом зависит от качества исследования грунта, проведенного перед выбором машины и планированием проекта. Состояние горных пород, как известно, изменчиво на коротких расстояниях, и параметры, которые больше всего влияют на производительность машины — UCS, индекс абразивности, частота трещин и наличие смешанных зон — не могут быть надежно определены на основе картографирования поверхности или скудных скважинных данных. Неадекватное исследование грунта является наиболее распространенной причиной неожиданных остановок оборудования, расхода фрезы, значительно превышающего прогнозируемый, и перерасхода средств при подъеме горных труб.

• Бурение скважины по трассе привода: Ротационные керновые скважины с максимальным интервалом 50 метров вдоль трассы привода, непрерывный отбор проб керна для каротажа и лабораторных испытаний, являются минимальным требованием для полноценной модели грунта. Процент восстановления керна, обозначение качества породы (RQD) и частота разрушения на метр должны регистрироваться для каждого спуска. При работе в геологически сложных грунтах более близкое расстояние между скважинами оправдано затратами на простои оборудования, которые могут возникнуть из-за неадекватных данных.
• Лабораторные испытания горных пород: Образцы керна должны быть проверены на прочность при неограниченном сжатии (UCS) в соответствии со стандартами ISRM или ASTM, бразильскую прочность на разрыв, индекс точечной нагрузки и индекс абразивности Cerchar (CAI) или эквивалент. CAI особенно важен для оценки расхода резцов: высокоабразивные породы (CAI выше 3,0) могут потреблять дисковые фрезы в три-пять раз быстрее, чем среднеабразивные материалы, что существенно влияет на экономику проекта.
• Гидрогеологическая оценка: Состояние грунтовых вод вдоль трассы влияет на конструкцию системы удаления грунта, способ строительства шахты и риск прорыва грунтовых вод в трещиноватую или карстовую породу. Уровни стоячей воды в скважинах и испытания пакеров для определения проницаемости должны быть включены в программу исследования грунта для всех участков, где предполагаются грунтовые воды.
• Идентификация смешанного состояния: Переходные зоны между горной породой и перекрывающим грунтом, границы выветрившихся пород, а также контакты даек или интрузивов внутри горной массы представляют собой условия наибольшего риска для подъемных машин для подъема горных труб. В ходе наземного исследования необходимо попытаться охарактеризовать эти переходные зоны и определить их вероятные положения вдоль трассы, чтобы обеспечить соответствующую спецификацию режущего аппарата и предварительное планирование темпов работ на этих участках.

Ключевые характеристики, которые следует сравнивать при выборе домкрата для горных труб

При оценке машин для микротоннелирования в горных породах и оборудования для подъема труб в твердых породах для конкретного проекта наиболее важными для сравнения между поставщиками и моделями являются следующие технические параметры:

Распространенные проблемы с приводами для подъема горных труб и способы их предотвращения

Даже хорошо спланированные проекты подъема каменных труб сталкиваются с эксплуатационными проблемами. Понимание наиболее распространенных проблем и их причин помогает проектным группам принимать профилактические меры и эффективно реагировать при возникновении проблем.

• Застревание режущей головки на негабаритных обломках породы: В трещиноватой породе блоки, размер которых превышает отверстие режущей головки, могут заклинить в режущей головке, что приведет к остановке вращения. Для предотвращения необходимо подобрать размер отверстия режущей головки к ожидаемому размеру блока, исходя из характеристик горной массы, и обеспечить достаточный запас крутящего момента для режущей головки, чтобы освободиться от небольших заеданий. Некоторые машины для подъема горных труб имеют реверсивное вращение режущей головки специально для освобождения застрявших резцов или фрагментов.
• Проникновение подземных вод в зоны трещиноватости: Сильно трещиноватая порода со значительным гидравлическим напором может привести к быстрому прорыву грунтовых вод в скважину, когда машина пересекает водоносную зону трещины. Для предотвращения требуется гидрогеологическая оценка перед заездом и, если определены зоны высокого риска, предварительная цементация с поверхности или изнутри колонны труб, чтобы уменьшить проницаемость до того, как машина достигнет зоны. Оборудование для аварийной заделки забоев должно быть доступно на всех проходах в потенциально водоносных породах.
• Блокировка привода из-за трения трубы: Если привод остановлен на длительный период — для технического обслуживания, замены фрезы или неисправности оборудования — колонна труб может заблокироваться в стволе скважины, поскольку смазочный раствор уплотняется на трубе. Профилактика требует поддержания регулярных объемов впрыска смазки, выполнения коротких подъемов, чтобы колонна труб продолжала двигаться во время любых запланированных остановок, а также наличия планов на случай экстренной повторной мобилизации в случае незапланированной остановки. Промежуточные подъемные станции следует активировать для устранения трения в сегментах, а не пытаться освободить всю колонну с помощью основной подъемной рамы.
• Отклонение направления в сильно анизотропной породе: Породы с сильной слоистостью, напластованием или множеством соединений, расположенных под углом к направлению движения, оказывают на режущий барабан боковые силы, которые могут сбить машину с выравнивания до того, как будут внесены поправки в рулевое управление. Профилактика требует частого мониторинга направления — в идеале непрерывного автоматического отслеживания — и превентивной корректировки рулевого управления, а не реагирования на корректировки после возникновения значительного отклонения. В известных анизотропных разрезах горных пород снижение скорости подачи позволяет лучше контролировать направление машины.
• Засор пульпопровода крупным шламом: В твердых породах в результате дробления дисковой фрезы образуются фрагменты неправильной формы, которые могут быть значительно более крупными, чем те, для транспортировки которых предназначены системы шлама для мягкого грунта. Засоры в линии возврата пульпы приводят к быстрой остановке привода, и их может быть трудно устранить через установленную колонну труб. Для предотвращения необходимо обеспечить соответствие скорости шлама и диаметра трубы ожидаемому размеру стружки, установить доступные точки очистки в контуре шлама, а также постоянно контролировать объем обратного потока и давление насоса для обнаружения частичных засоров до того, как они станут полными.

Выбор подходящей машины для подъема каменных труб для вашего проекта

Согласование технических характеристик машины с конкретными грунтовыми условиями, геометрией привода и проектными ограничениями каждого проекта по подъему скальных труб имеет важное значение для достижения требуемого результата в рамках программы и бюджета. Следующие вопросы обеспечивают структурированную основу для процесса отбора:

• Каков максимальный индекс абразивности UCS и Cerchar целевой породы? Эти два параметра вместе определяют требуемую спецификацию фрезы и ожидаемую норму расхода фрезы. Машину, рассчитанную на давление UCS 150 МПа, не следует использовать в граните при давлении 250 МПа — убедитесь, что расчетное значение UCS машины соответствует или превосходит ваши данные наземных исследований с достаточным запасом прочности.
• Какая длина привода и диаметр трубы? Длина привода определяет необходимость использования промежуточных подъемных станций и влияет на минимальную необходимую грузоподъемность основной подъемной рамы. Диаметр трубы определяет диаметр отверстия, диаметр режущей головки, размеры машины, а также возможность проверки резака человеком - обычно это возможно только при диаметрах труб выше 1000–1200, в зависимости от конструкции машины.
• Ожидаются ли смешанные условия? Если привод проходит через зоны, где горная порода перекрыта или прослоена более мягким материалом, требуется комбинированная режущая головка и машина, способная работать как в режиме открытого забоя, так и в режиме баланса давления грунта в закрытом забое или в режиме шлама. Убедитесь, что машина способна работать в условиях смешанного забоя, а не только в чистых горных породах.
• Каковы ограничения на размеры вала и площадь поверхности? Оборудование для подъема горных труб — подъемная рама, шламовая установка, устройство для обработки грунта — требует значительной площади поверхности вокруг пусковой шахты. Убедитесь, что конфигурация оборудования, предложенная поставщиком, соответствует имеющейся площади площадки, включая безопасный доступ для операций крана к нижним секциям трубопровода и для движения цистерн с жидким навозом.
• Какой опыт работы у поставщика в сопоставимых горных условиях? Запросите ссылки на проекты, специально предназначенные для подъема скальных труб в сопоставимых геологических условиях — диапазон UCS, тип породы, длина привода и диаметр. Поставщик с обширным опытом работы в области микротоннелирования в мягком грунте, но ограниченным опытом работы в твердых породах представляет собой выбор с более высоким риском для сложных горных работ, чем тот, у которого есть несколько завершенных проектов в аналогичных условиях. Запрашивайте тематические исследования, включая достигнутые показатели проходки и данные о расходе резцов, а не просто подтверждение завершения проекта.