Машины для подъема горных труб: как они работают, основные компоненты и выбор правильной системы для твердых грунтов

Что такое машина для подъема каменных труб и где она используется?

Подъемная машина для горных пород — это специализированная бестраншейная строительная система, предназначенная для бурения твердых пород и одновременного монтажа трубопроводной инфраструктуры без необходимости проведения открытых земляных работ с поверхности. В отличие от обычного оборудования для подъема труб, предназначенного для работы в мягких грунтах и ​​условиях смешанного забоя, машина для подъема горных пород включает в себя режущую головку, специфичную для конкретной породы, обычно оснащенную дисковыми фрезами, долотами или трехшарошечными роликовыми фрезами, способную разрушать и выкапывать горные породы с неограниченной прочностью на сжатие (UCS) в диапазоне от 30 МПа в умеренно твердом песчанике до 300 МПа или выше в гранитных, кварцитовых и базальтовых формациях. Поддомкрачивающая система проталкивает секции железобетонных или стальных труб через пробуренное кольцевое пространство по мере продвижения земляных работ, непрерывно прокладывая постоянный трубопровод позади машины.

Машины для подъема горных труб — также называемые машинами для микротоннелирования в горных породах, системами прокачки труб в твердых породах или MTBM (машинами для бурения микротоннелей) — используются в широком спектре подземных коммуникаций и инфраструктуры, где разрушение поверхности должно быть сведено к минимуму, а геологические условия исключают использование традиционных методов прокладки грунтовых труб или открытых методов разработки. Основные области применения включают в себя прокладку самотечных канализационных сетей под оживленными городскими улицами, автомагистралями и железными дорогами; водопроводные магистрали и тоннели забора сырой воды в коренных породах; переходы газопроводов и телекоммуникаций в чувствительных экологических зонах; водопропускные трубы для ливневых вод через скальные хребты; и водовыпускные сооружения очистных сооружений, где трасса трубопровода должна проходить через прочную породу, чтобы достичь принимающего водного объекта. Возможность прокладки трубопроводов через твердую породу без разрушения поверхности представляет собой одну из наиболее важных возможностей современного бестраншейного строительства.

Как работает система подъема каменных труб

Понимание последовательности операций системы подъема скальных труб обеспечивает основу для оценки выбора оборудования, требований к исследованию грунта и планирования строительства. Этот процесс объединяет наземную инфраструктуру, подготовку пусковой шахты, эксплуатацию машин и установку непрерывных труб в скоординированный рабочий процесс строительства.

Подготовка пускового вала и настройка машины

Каждая операция по подъему труб начинается со строительства стартовой шахты — вертикально вырытой ямы достаточных размеров для опускания машины для подъема труб, сборки основной подъемной рамы и подготовки секций труб к монтажу. Пусковая шахта должна иметь такие размеры, чтобы вместить всю длину самой длинной секции устанавливаемой трубы, обычно от 1000 до 3000 мм, а также длину корпуса машины и ход домкратной рамы. В задней части шахты отлита железобетонная упорная стена для распределения значительных сил реакции поддомкрачивания, которые могут достигать нескольких тысяч килоньютон при длительном поддомкрачивании породы, обратно в окружающий грунт. Основная рама домкрата, состоящая из гидравлических подъемных цилиндров, направляющих трубных опор и систем управления, устанавливается и выравнивается по расчетному уклону и азимуту трубы с помощью прецизионного лазерного оборудования перед началом бурения.

Эксплуатация камнережущей головки и удаление грунта

В передней части машины для подъема скальных труб режущая головка вращается под действием крутящего момента гидравлического привода, одновременно продвигаясь к забою породы под действием подъемной силы, передаваемой через колонну труб от основной подъемной рамы на пусковой шахте. В конфигурациях дисковых фрез дисковые кольца из закаленной стали катятся по забою породы под действием высокой нормальной силы, создавая трещины при растяжении между соседними гусеницами фрезы — тот же принцип разрушения породы, который используется в полнозабойных туннелепроходческих машинах. В конфигурациях скребковых долот поликристаллические алмазные компактные (PDC) или фрезы с твердосплавными наконечниками срезают и соскребают горную породу при вращении головки, образуя более мелкий шлам, чем дисковые фрезы, и работают более эффективно в умеренно твердых и абразивных породах с давлением ниже примерно 100 МПа UCS. Горная порода и мелкие частицы, образующиеся на режущем забое, смываются назад через корпус машины с помощью системы циркуляции пульпы с использованием бентонита или суспензии на водной основе, перекачиваемой под давлением к режущей забою и возвращаемой на поверхность через отдельную линию возврата шлама, несущую вынутый материал во взвешенном состоянии. На поверхности сепарационная установка обрабатывает возвратный шлам, удаляя шлам и возвращая чистый шлам обратно в машину.

Станции прокладки труб и промежуточные домкраты

По мере продвижения головки для резки породы каждый завершенный ход главных подъемных цилиндров создает пространство в задней части вала для опускания новой секции трубы, ее размещения на направляющих люльки и соединения с задней частью растущей колонны труб с помощью стальных воротников или раструбных соединений. Затем подъемные цилиндры втягиваются, захватывают новую секцию трубы и продвигают всю колонну труб, включая горнодобывающую машину на ее переднем конце, на одну длину трубы. Этот цикл растачивания, втягивания и установки новых секций трубы продолжается до тех пор, пока машина не достигнет приемной шахты в дальнем конце привода. При длительных перевозках, когда накопленное поверхностное трение между внешней поверхностью трубы и окружающей скважиной в породе становится слишком большим, чтобы основная домкратная рама могла преодолеть ее в одиночку, промежуточные подъемные станции (IJS) — узлы гидроцилиндров, установленные внутри колонны труб через заданные интервалы, — обеспечивают дополнительную распределенную подъемную силу для поддержания продвижения вперед без превышения конструктивной сжимающей способности секций трубы.

Лазерное наведение и рулевое управление

Поддержание точного выравнивания колонны труб по проектному уклону и азимуту на протяжении всей проходки является одной из наиболее важных эксплуатационных задач при подъеме скальных труб. Лазерный луч, спроецированный из пусковой шахты по проектной центровке, освещает мишень, установленную на корпусе машины, при этом отклонение положения цели от центральной линии лазерного луча отображается на наземном пульте управления в реальном времени. Оператор корректирует отклонения соосности за счет дифференцированной регулировки давления на рулевые цилиндры машины — гидроцилиндры, отклоняющие шарнирную переднюю секцию режущей головки относительно корпуса заднего щита. В пластах твердых пород с сильно изменяющимся расстоянием между швами и ориентацией машина может отклоняться от проектного выравнивания из-за анизотропных сил реакции грунта на режущей забою, что требует упреждающей коррекции рулевого управления до того, как отклонения накапливаются за пределами допустимых пределов допуска — обычно от ± 25 до ± 50 мм от проектного выравнивания для самотечных канализационных трубопроводов.

Ключевые компоненты машины для подъема каменных труб

Система подъема скальных труб состоит из нескольких интегрированных подсистем, которые должны надежно функционировать в непрерывном режиме для достижения требуемой скорости продвижения и качества установки. Каждый основной компонент выполняет определенную функцию в общей производительности системы, и понимание их роли имеет важное значение для оценки оборудования, планирования технического обслуживания и устранения неполадок во время строительства.

Режущая головка и режущий инструмент

Режущая головка является наиболее важным компонентом машины для подъема скальных труб, и ее конструкция должна быть специально адаптирована к типу, прочности, абразивности и структуре соединений породы, выявленным в ходе геотехнических исследований. Для твердых, массивных горных пород с давлением выше 80 МПа UCS дисковые режущие головки с дисковыми кольцами из закаленной стали диаметром 17 или 19 дюймов, установленными в корпусах из кованой стали, обеспечивают наиболее эффективное и долговечное режущее действие. Расстояние между дисковыми фрезами, обычно составляющее от 70 до 90 мм между соседними дорожками фрезы, оптимизировано для конкретного типа породы, чтобы максимизировать размер стружки и эффективность резания. Для более мягких пород и смешанных условий, включающих как скальную породу, так и почву, комбинированные головки, оснащенные дисковыми фрезами в зонах горных пород и фрезами или твердосплавными зубьями ковша в зонах почвы, обеспечивают универсальность для работы с переменными геологическими профилями. Мониторинг износа фрезы — либо посредством прямого осмотра во время планового технического обслуживания, либо посредством непрерывного анализа данных о крутящем моменте и скорости подачи — имеет решающее значение, поскольку изношенные или сломанные фрезы, которые не заменяются своевременно, резко снижают скорость подачи и могут привести к повреждению конструкции режущей головки.

Главный привод и гидравлическая система

Главный привод вращает режущую головку посредством высокомоментного гидравлического двигателя и планетарного редуктора, расположенных внутри щита машины. Требования к приводному моменту для подъемных машин для подъема горных труб существенно выше, чем для грунтовых машин эквивалентного диаметра: для машины для микротоннелирования породы диаметром 1500 мм, работающей в граните с давлением 150 МПа, может потребоваться непрерывный приводной момент от 200 до 400 кН·м по сравнению с 50–100 кН·м для грунтовой машины того же размера. Гидравлический агрегат на поверхности подает гидравлическую жидкость под высоким давлением как к приводному двигателю, так и к цилиндрам рулевого управления через пучки шлангов высокого давления, проложенные через скважину рядом с линиями подачи и возврата суспензии, электрическими кабелями и кабелепроводами системы наведения. Чистота гидравлической системы, поддерживаемая посредством регулярной замены фильтров и тщательного обращения с жидкостью, необходима для предотвращения повреждения клапанов и двигателей в контурах высокого давления, которые работают непрерывно во время бурения.

Система циркуляции навозной жижи

Система навозной жижи представляет собой циркуляционную систему операции подъема скальной трубы, выполняющую основные функции по транспортировке вынутого шлама от забоя к установке разделения поверхности, обеспечению давления поддержки забоя для предотвращения неконтролируемого притока грунтовых вод или нестабильного материала к забою, а также смазывания кольцевого пространства между внешней поверхностью трубы и профилем пробуренной породы для уменьшения трения при подъеме. Насос подачи шлама, обычно центробежный или винтового типа, установленный на поверхности, проталкивает свежий шлам под давлением через линию подачи к режущей головке. Насос возврата шлама — более требовательное применение, поскольку он должен перекачивать суспензию, содержащую абразивные частицы породы, — обычно представляет собой центробежный насос, размер которого позволяет поддерживать требуемую скорость обратного потока выше скорости осаждения самой крупной фракции транспортируемых частиц породы. Поддержание правильной плотности, вязкости и pH суспензии в пределах расчетных параметров на протяжении всего привода является обязанностью инженера по суспензиям и требует регулярного отбора проб и тестирования как подающего, так и обратного потоков.

Основная домкратная рама и промежуточные подъемные станции

Основная домкратная рама, установленная в пусковой шахте, обеспечивает основную силу тяги для продвижения колонны труб и машины через горную породу. Он состоит из конструкционной стальной рамы, несущей два или четыре гидравлических цилиндра с ходом от 1000 до 2000 мм, направляющей системы трубной опоры для поддержания соосности входящих секций трубы, а также распорной балки или подъемного кольца, которые равномерно распределяют усилие цилиндра по окружности конца трубы для предотвращения локализованных концентраций напряжений, которые могут привести к растрескиванию трубы. Промежуточные подъемные станции, встроенные в колонну труб с интервалом от 100 до 300 м, в зависимости от условий сцепления с грунтом, состоят из тонких кассет гидроцилиндров, которые расширяются внутри специально построенного увеличенного трубного соединения, толкая переднюю колонну труб против реакции задней колонны. После завершения привода пустоты IJS затираются, а цилиндры снимаются или оставляются на месте в зависимости от конструкции системы, оставляя трубопровод в окончательной установленной конфигурации.

Типы подъемных машин для горных труб по диаметру и состоянию грунта

Машины для подъема горных пород производятся в широком диапазоне диаметров и конфигураций режущих головок, чтобы соответствовать всему спектру размеров трубопроводов и геологических условий, встречающихся при подземном строительстве. В следующей таблице приведены основные категории компьютеров, их рабочие характеристики и наиболее распространенные области применения.

Требования к геотехническим исследованиям для подъема горных труб

Ни один другой фактор не оказывает большего влияния на выбор машины для подъема горных труб, характеристик режущего инструмента и стоимости проекта, чем качество и полнота программы геотехнических исследований, проводимых до тендера и строительства. Подъём каменных труб в ненадлежащим образом охарактеризованном грунте является одной из основных причин перерасхода средств проекта, задержек в графике и повреждения оборудования при бестраншейном строительстве во всем мире.

Испытание прочности и абразивности горных пород

Испытание на прочность при неограниченном сжатии (UCS) репрезентативных образцов керна из предлагаемой трассы привода является минимальным базовым требованием для выбора машины для подъема горных труб. Значения UCS для нескольких испытательных образцов должны быть представлены статистически, а не просто как одно среднее значение, чтобы отразить изменчивость, которая повлияет на прогнозы скорости опережения и оценки расхода фрезы. Бразильские испытания прочности на растяжение (BTS) дополняют данные UCS, характеризуя поведение породы при изломе при растяжении, которое определяет эффективность измельчения дисковой фрезой. Абразивность горных пород, количественно определяемая с помощью индекса абразивности Cerchar (CAI) или коэффициента абразивности LCPC, не менее важна, поскольку она напрямую предсказывает скорость износа резца и частоту замены резца, необходимую во время работы. Испытание на абразивность образцов керна из фактического коридора проходки, а не опубликованных значений из общей геологической литературы, имеет важное значение, поскольку абразивность может резко варьироваться в пределах одной горной породы в зависимости от содержания кварца, размера зерен и степени выветривания.

Характеристика горного массива

Помимо прочности неповрежденной породы, структурные характеристики горной массы — расстояние между швами, ориентация швов, степень выветривания, наличие зон разломов и состояние грунтовых вод — глубоко влияют на производительность машины и эксплуатационный риск. Тесно сросшиеся или сильно трещиноватые массивы горных пород могут вызвать нестабильность режущей головки и обрушение забоя, даже если прочность неповрежденной породы очень высока. Основные зоны разломов или зоны сдвига, пересекающие трассу привода, представляют собой риск внезапного перехода от прочной твердой породы к разломам и измельченному материалу, что может потребовать совершенно других рабочих параметров машины. Гидрогеологическая характеристика, включая измерения давления грунтовых вод, испытания на проницаемость и оценку потенциальных притоков, необходима для проектирования параметров давления опоры забоя и производительности системы пульпы, а также для оценки риска притока воды во время операций по проверке и замене фрезы, которые требуют разгерметизации забоя машины.

Материалы труб, используемые при подъеме скальных труб

Секции труб, установленные за подъемной машиной для горных пород, выполняют двойную роль: они образуют постоянную инфраструктуру трубопровода и действуют как несущая колонна, через которую передаются все подъемные усилия от основной подъемной рамы и промежуточных подъемных станций на режущую головку на приводном забое. Поэтому материал трубы должен удовлетворять как долгосрочным требованиям эксплуатации трубопровода, так и краткосрочным структурным требованиям процесса установки.

• Железобетонные подъемные трубы (RCJP): Специально изготовленные железобетонные трубы, соответствующие стандартам ASTM C1628, ISO 9664 или эквивалентным стандартам, являются наиболее широко используемым материалом для подъема горных пород диаметром более 600 мм. RCJP изготавливается с прецизионно обработанными стальными концевыми кольцами, которые образуют опорную поверхность для передачи подъемного усилия и обеспечивают равномерное распределение нагрузки по окружности трубы. Прочность бетона на сжатие при подъеме трубы обычно составляет или превышает 60 МПа, что позволяет противостоять высоким контактным напряжениям в соединениях труб под нагрузкой при подъеме. Гладкая внутренняя перевернутая поверхность трубы поддерживает поток навозной жижи во время строительства и обеспечивает гидравлические характеристики, необходимые для самотечной канализации после ввода в эксплуатацию.
• Труба для подъема стеклокерамической глины: Трубы из керамической глины (VCP) обладают превосходной химической стойкостью к агрессивным канализационным газам, промышленным сточным водам и кислым грунтовым водам, что делает их предпочтительным материалом для самотечной канализации в высокоагрессивных средах, где разрушение бетонных труб является проблемой. Поддомкрачивающая труба VCP изготавливается с прецизионно отшлифованными стальными муфтовыми соединениями и обеспечивает допустимую подъемную нагрузку от 2000 до 8000 кН в зависимости от диаметра трубы и классификации толщины стенки.
• Стальная подъемная труба: Сварные стальные трубы с внешней защитой от коррозии и внутренней облицовкой используются в установках для подъема скальных труб, где трубопровод будет работать под внутренним давлением (водопроводы, магистральные магистрали и газопроводы) или где профиль отверстия требует очень жестких позиционных допусков, которые выигрывают от более высокой структурной жесткости и более тонкой стенки стальной трубы. Секции стальных труб соединяются сваркой внутри пусковой шахты при монтаже, что исключает потери на сжатие, связанные с соединениями бетонных и глиняных труб, и снижает трение между колонной труб и профилем пробуренной породы.
• Подъёмная труба из стеклопластика (GRP): Поддомкрачивающая труба из стеклопластика обеспечивает отличную коррозионную стойкость, низкое трение стенок и гладкую внутреннюю гидравлическую поверхность в легком изделии, что снижает требования к обращению с валом. Стеклопластиковые трубы для подъема широко используются в канализационных системах в агрессивных грунтовых условиях и доступны в диаметрах от 300 мм до 2400 мм, при этом допустимые нагрузки при подъеме сертифицированы в рамках независимых программ структурных испытаний.

Факторы, влияющие на темпы опережения и стоимость проекта прокладки горных труб

Скорость продвижения, достигаемая с помощью машины для подъема горных труб, измеряемая в метрах завершенного трубопровода, установленного за смену или в день, является основным фактором, определяющим график проекта и стоимость единицы продукции, и это наиболее сложный параметр для точного прогнозирования на этапе тендера из-за множества взаимодействующих переменных, которые влияют на него на практике.

Прочность породы и скорость износа резца

Скорость продвижения снижается по мере увеличения UCS и абразивности породы, поскольку более твердая и абразивная порода требует большей энергии резания на единицу вынутого объема и быстрее изнашивает режущий инструмент. В гранитных породах со значениями CAI выше 4,0 отдельные кольца дисковых фрез могут потребовать замены уже после 20–50 метров продвижения, что требует остановки привода для проверки и замены фрезы через частые промежутки времени. Каждое вмешательство по замене фрезы включает в себя сброс давления в забое, вход в машину через пусковую шахту или через входные отверстия для людей в машинах большего диаметра, замену изношенных фрез и повторное уплотнение машины перед возобновлением бурения. Это непроизводительное время для обслуживания фрезы может составлять от 40 до 60 процентов общей продолжительности привода в условиях высокоабразивной породы, и точная оценка этого компонента графика имеет важное значение для реалистичного моделирования стоимости проекта.

Планирование длины привода и промежуточной подъемной станции

По мере увеличения длины привода трение при подъеме накапливается вдоль длины контакта колонны труб с окружающей породой скважины, постепенно увеличивая общую силу тяги, необходимую для продвижения машины. Смазка внешней поверхности трубы бентонитовой или полимерной суспензией, впрыскиваемой через отверстия в стенке трубы, значительно снижает это трение (эффективная смазка может снизить коэффициенты трения с 0,3–0,5 до 0,1–0,2), но не устраняет его полностью. Промежуточные подъемные станции необходимо спланировать и разместить до начала строительства, чтобы колонна труб никогда не приближалась к допустимому пределу сжимающей нагрузки. Анализ позиционирования IJS должен учитывать наихудшее сочетание максимального торцевого сопротивления, максимального поверхностного трения и конструктивной прочности самого слабого участка трубы в колонне, включая участки трубы, прилегающие к местам расположения кассеты IJS, где площадь поперечного сечения может быть уменьшена.

Управление подземными водами и контроль навоза

Высокие притоки грунтовых вод в профиль пробуренного туннеля значительно снижают темпы продвижения за счет разбавления рабочего раствора ниже пороговых значений функциональной плотности и вязкости, перегрузки установки сепарации шлама избыточным объемом воды и создания проблем с устойчивостью забоя во время работ по техническому обслуживанию фрезы. Обработка грунта перед проведением земляных работ, включая химическую цементацию, проникающую цементацию или насыщение сжатым воздухом горной массы перед машиной, может снизить приток грунтовых вод до управляемого уровня в зонах проницаемых трещиноватых пород, выявленных в ходе геотехнических исследований. Управление плотностью раствора требует постоянного мониторинга и корректировки добавок бентонита или полимера в подаваемый раствор для поддержания давления опоры забоя выше давления грунтовых вод на протяжении всей эксплуатации, особенно во время любых плановых остановок, когда циркуляция раствора прекращается и пассивная поддержка забоя должна поддерживаться статическим столбом раствора.

Выбор подходящей машины для подъема каменных труб для вашего проекта

Выбор правильной конфигурации машины для подъема горных труб для конкретного проекта требует систематической оценки состояния грунта, геометрии трубопровода, ограничений площадки и устойчивости к рискам проекта. Приведенная ниже система критериев помогает принимать решения по выбору оборудования и помогает владельцам проектов и подрядчикам определить ключевые технические требования, которые должны быть отражены в тендерных спецификациях и предложениях подрядчиков.

• Максимальная UCS и абразивность породы: Пиковые значения UCS и CAI, полученные в результате геотехнических исследований, определяют минимальную осевую нагрузку режущей головки, диаметр дисковой фрезы и номинальную нагрузку на подшипник, а также требуемую марку стали фрезы. Машина, рассчитанная на горную породу с давлением 150 МПа, будет конструктивно неподходящей для привода, который сталкивается с кварцитом с давлением 250 МПа, независимо от прогнозируемой скорости: структурная перегрузка опорной конструкции режущей головки является серьезным и дорогостоящим видом отказа.
• Геологическая изменчивость и смешанный риск: Для проходки через геологически изменчивые профили, включая переходы между твердыми породами и зонами выветривания, валунными полями в почвенной массе или переслаивающимися слоями твердых и мягких пород, требуются режущие головки, предназначенные для условий со смешанными забоями, с дисковыми фрезами и волочильными долотами/зубьями ковша, а не конфигурация дисковых фрез для чистых пород, которая не может эффективно обрабатывать мягкие зоны.
• Длина привода и максимальная сила подъема: Длинные подъемы на высоту более 300 м требуют наличия промежуточной подъемной станции, заложенной в конструкцию системы с самого начала, а основная домкратная рама должна обеспечивать достаточный ход и усилие для создания начального движущего момента через горную породу с высоким сопротивлением, прежде чем агрегаты IJS возьмут на себя функцию распределенной тяги.
• Минимальная чувствительность вскрышных пород и поверхности: Неглубокие проходы с ограниченной вскрышной породой над машиной создают риск выброса забоя — неконтролируемого выброса суспензии под давлением на поверхность — и требуют тщательного управления забойным давлением и потенциально снижения скорости продвижения машины во время прохождения критически важных участков, чувствительных к поверхности, под инфраструктурой или водными путями.
• Вход человека и дистанционный осмотр резака: Приводы диаметром менее 900 мм исключают безопасный доступ человека к машине для проверки и замены фрезы, требуя либо инструментов с увеличенным сроком службы фрезы, предназначенных для выполнения полного привода без вмешательства, либо извлечения режущей головки с поверхности к пусковому валу для замены фрезы. Это различие существенно влияет на характеристики оснастки, планирование на случай непредвиденных обстоятельств и ограничения длины привода по сравнению со станками большего диаметра, где обслуживание фрезы с участием человека практически осуществимо.
• Наличие местной технической поддержки: Машины для подъема горных труб are complex precision equipment operating in remote underground environments where equipment failure has disproportionate cost and schedule consequences. Machine manufacturer technical support response time, local spare parts availability, and the depth of the operating contractor's maintenance capability should all be evaluated as risk factors alongside the purely technical performance specifications when selecting equipment for a critical-path underground pipeline project.