Процесс виброударного бурения характеризуется поочередным приложением к трубе-лидеру со стороны вибромолота ударной и выдергивающей сил. Под действием первой лидер последовательно погружается в грунт, а под действием второй каждый раз чуть возвращается назад, не доходя, однако, до положения, соответ­ствующего началу каждого цикла. При этом грунт, входящий во внутреннюю полость трубы-лидера в виде керна, в момент удара остается (в результате инерционных свойств) неподвижным (труба проскальзывает вниз относительно неподвижного грунта), а затем в результате сил сцепления с внутренней поверхностью трубы несколько приподнимается вместе с трубой под действием выдергивающей силы вибромолота. В результате уплотнения керна не происходит, а при соблюдении определенных условий может иметь место даже его разуплотнение.

Бурение скважин виброударным методом протекает следующим образом (рис. 9.). Рабочий орган выставляют на место буду­щей скважины и включают вибромолот. Нанося удары по нако­вальне трубы-лидера, он погружает ее в грунт (рис. 9, а). По достижении необходимой глубины (рис. 9, б) вибромолот вы­ключают и трубу-лидер извлекают из грунта при помощи лебедки (рис. 3, в). В грунте остается скважина с гладкими стенками, точно повторяющая по форме поперечное сечение трубы-лидера. Затем рабочий орган с находящимся в трубе-лидере грунтовым керном перемещают, выставляют на место новой скважины

и включают вибромолот (рис. 9, г). Труба-лидер погружается в грунт, разрабатывая в нем новую скважину, а грунт, извлечен­ный из предыдущей, вытесняется новыми порциями и вывалива­ется из верхнего окна трубы-лидера на поверхность (рис. 9, д). По окончании последней скважины перед остановкой буровой ма­шины необходимо включить вибромолот на весу и выбить из трубы-лидера грунтовый керн, оставшийся от последней скважины (рис. 9, е).

Разработка мерзлого и плотного грунта характеризуется от­скоком рабочего инструмента от его поверхности при нанесении удара. В случае виброударного бурения отскок усугубляется дей­ствием молота на трубу-лидер через пружины. Явление отскока крайне вредно, так как в результате него следующий удар молота по трубе-лидеру может быть нанесен, когда та еще находится в воздухе и даже движется навстречу молоту. Вследствие этого часть энергии молота затрачивается на мгновенную остановку трубы-лидера и сообщение ей противоположной скорости, лишь оставшаяся часть — на разрушение грунта. Это приводит к сни­жению к. п. д. механизма и преждевременному разрушению трубы-лидера.

Для ликвидации отскока и увеличения скорости проходки при­меняются специальные механизмы напорного или фрикционного типа, ограничивающие подвижность погружаемого элемента. Принцип их действия заключается в направленном присоединении к массе трубы-лидера некоторой инертной массы (чаще всего кор­пуса установки), гасящей ее перемещения в противоположную забою сторону. В напорном механизме это достигается при по­мощи канатно-блочной системы или силовых гидроцилиндров, а в фрикционном — при помощи специального зажима, крепяще­гося к корпусу установки и зажимающего с определенным уси­лием трубу-лидер. При этом силы трения, возникающие между обкладками зажима и стенками трубы, препятствуют ее переме­щению вверх при отскоке и практически не влияют на переме­щения вниз под действием удара.

Возможно применение вместо напорного механизма некоторого инвентарного груза, навешиваемого непосредственно на трубу-лидер. Такой груз наилучшим образом разгружает корпус уста­новки от колебаний, но увеличивает ее массу и резко снижает ус­тойчивость в рабочем положении. Напорный и фрикционный ме­ханизмы способствуют передаче вибраций на корпус установки, но зато позволяют уменьшить ее общую массу и повысить устой­чивость. Наиболее простым и удобным в этом отношении явля­ется фрикционный зажим.

Высокие прочностные свойства мерзлых грунтов предопреде­ляют повышенные требования к энергетическим параметрам ра­бочего органа виброударных буровых машин. Для определения основного показателя погружающей способности вибромолота — энергии его единичного удара — следует ориентироваться на по­казатель прочности грунта, определенный числом ударов с плотномера ДорНИИ. Этот показатель наиболее полно характеризует механические свойства грунта применительно к его сопротивляе­мости ударному внедрению трубы-лидера.

Забивка трубы-лидера в грунт в зимних условиях характери­зуется прохождением забойной коронкой слоев, весьма разнород­ных по своим механическим свойствам. Покровная часть грунта при низких температурах окружающего воздуха (до —50 °С) обладает наибольшей прочностью (с = 200—400). С глубиной прочность резко уменьшается и по окончании промерзания стано­вится равной естественной прочности обычного (немерзлого) грунта соответствующей категории. Поэтому в качестве расчетной модели- разбуриваемого грунта следует принимать однородную среду с прочностью, оцениваемой некоторым средним значе­нием с.

Машины ударного бурения

Ударное бурение применяется преимущественно в прочных по­родах с коэффициентом крепости f≥6 по шкале проф. М. М. Протодьяконова. Рабочим инструментом является бур — стальной стержень диаметром 22—32 мм, имеющий плоский затыльник с одного конца и коронку с заостренным лезвием с другого. Прин­цип ударного бурения заключается в следующем. При нанесении удара по затыльнику бура лезвие внедряется в породу на глубину h (рис. 10, с), сминая ее и образуя в ней щель (рис. 10, 6). Часть энергии удара, передаваясь через снятую породу, вызывает ее скалывание по краям щели. Однако величина скалывания огра­ничена зажатием породы на малой поверхности забоя шпура. После первого удара бур поворачивают на некоторый угол со и снова наносят удар по затыльнику, при этом лезвие делает новую щель в породе (рис. 10, в). В момент образования второй щели секторы породы в пределе угла со скалываются. Затем бур опять поворачивают и снова наносят по нему удар и т. д. Разрушенная порода удаляется из шпура сжатым воздухом или водой. Умень­шение угла поворота бура со приводит к бесполезному измельче­нию грунта и увеличивает тем самым энергоемкость процесса бу­рения. Однако чрезмерное увеличение угла также вредно, так как при этом скалывание грунта затрудняется.

Процесс ударного бурения является циклическим, складываю­щимся из удара и отскока бура с его одновременным поворотом. Роль трения бура о породу при ударном бурении во много раз меньше, чем при вращательном бурении инструментом режущего типа, что повышает к. п. д. процесса разрушения и уменьшает износ инструмента. Устройства для ударного бурения шпуров на­зывают перфораторами или буровыми (бурильными) молотками. Слово перфоратор происходит от латинского perforare — проби­вать, пробуривать.

Схема работы всех буровых молотков одинакова. Каждый из них представляет собой пневматический поршневой одноцилиндро­вый двигатель двухстороннего действия, в стальном цилиндре ко­торого под действием сжатого воздуха совершает возвратно-посту­пательные движения с частотой 1700—3000 в минуту поршень-ударник. В конце каждого переднего хода он наносит удар по за­тыльнику, заставляя лезвие разрушать породу в забое шпура.