sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2021-18-2-160-167sibadi-1256Research ArticleТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕTRANSPORT, MINING AND BUILDING MACHINERY ENGINEERINGСравнительный анализ эффективности использования винтового бура на мерзлых грунтахСomparative analysis of efficiency of use a screw drill on frozen soilhttps://orcid.org/0000-0001-7067-6530МартюченкоИ. Г.MartiuchenkoI. G.

Мартюченко Игорь Гаврилович – д-р техн. наук, проф., проф. кафедры «Транспортное строительство».

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Igor G. Martyuchenko – Dr. of Sci., Professor, the Professor of the Transport Construction Department.

410054, Saratov, Politechnicheskaia Street

rosdortex_sstu@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5296-6841ЗенинМ. И.ZeninM. I.

Зенин Максим Иванович – ассистент кафедры.

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Maksim I. Zenin – Assistant of the Transport Construction Department.

410054, Saratov, Politechnicheskaia Street

zenin-1995@mail.ruФГБОУ ВО «СГТУ имени Ю.А. Гагарина»РоссияY.A.Gagarin Saratov State Technical UniversityRussian Federation202120052021182160167Copyright © Мартюченко И.Г., Зенин М.И., 20212021Мартюченко И.Г., Зенин М.И.Martiuchenko I.G., Zenin M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/1256Введение

Введение. Бурение мерзлых и вечномерзлых грунтов является одним из сложных и энергоемких процессов производства земляных работ. Буровые инструменты, используемые на мерзлых грунтах, реализуют процесс бурения грунта деформацией резания или дробящего действия. Существующие буровые инструменты недостаточно эффективны в использовании, т.к. реализуют энергоемкие процессы бурения и не всегда пригодны для различных типов грунтов. Рассматривается винтовой бур, который реализует процесс разрушения грунта деформацией сдвига и скола, что является менее энергоемким.

Материалы и методы

Материалы и методы. На основе теоретических исследований взаимодействия трех типов буровых инструментов с мерзлым грунтом был проведен сравнительный анализ для определения эффективности использования винтового бура. Сравнивали технические показатели процесса бурения. Приведена методика определения эффективности использования винтового бура на базе анализа специальных целевых функций.

Результаты

Результаты. Получены результаты сравнительного анализа буровых инструментов. В зависимости от характера деформации грунта определена эффективность одного бурового инструмента над другим. В результате сравнительного анализа скорости бурения и энергоёмкости процесса бурения была установлена эффективность винтового бура.

Заключение

Заключение. В ходе проведенного сравнительного анализа установлена эффективность винтового бура, реализующего деформацию сдвига и отрыва грунта, обосновывающая целесообразность проведения дальнейших исследований.

Introduction

Introduction. Drilling of frozen and permafrost soils is one of the complex and energy-intensive processes of earthworks. Drilling tools used on frozen soils implement the process of drilling the soil by deformation of cutting or crushing action. Current drilling tools are not efficient enough to use because they implement energy-intensive drilling processes and are not always suitable for various types of soils. A screw drill is considered, which implements the process of soil destruction by shear and shear deformation, which is less energy intensive.

Materials and methods

Materials and methods. On the basis of theoretical studies of the interaction of 3 types of drilling tools with frozen soil, a comparative analysis was carried out to determine the efficiency of a screw drill use. The technical and economic indicators of the drilling process were compared. A method for determining the efficiency of the use a screw drill based on the analysis of special target functions is presented.

Results

Results. The results of a comparative analysis of drilling tools have been obtained. Depending on the nature of soil deformation, the effectiveness of one drilling tool over another is determined. As a result of a comparative analysis of the drilling speed and the energy intensity of the drilling process, the efficiency of the screw drill was established.

Discussions and conclusion. In the course of the comparative analysis, the efficiency of the screw drill was determied, which implements shear deformation and soil separation, justifying the feasibility of further research.

винтовой бурмерзлый грунтбурение мерзлого грунтавинтовая лопастьоткол грунтавнедрение лопастиразрушающая частьбуровой инструментscrew drillfrozen soilfrozen soil drillingscrew bladeground breakblade insertionbreaking partdrilling toolReferencesLev V. E., Lev V. E, Izzy M. K. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019. vol. 38.Lev V. E., Lev V. E, Izzy M. K. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019, 38: 1-9.Shan W. et al. Resistivity Model of Frozen Soil and HighDensity Resistivity Method for Exploration Discontinuous Permafrost. Electrical Resistivity and Conductivity. 2017. pp. 23-52.Shan W. et al. Resistivity Model of Frozen Soil and High-Density Resistivity Method for Exploration Discontinuous Permafrost. Electrical Resistivity and Conductivity. 2017: 23-52.Cao P. et al. Experimental study of the drilling process in debris-rich ice. Cold Regions Science and Technology. 2015. vol. 120. pp. 138-144.Cao P. et al. Experimental study of the drilling process in debris-rich ice. Cold Regions Science and Technology. 2015, 120: 138-144.Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia. Polarforschung. 2012; 81(2): 151-153.Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia. Polarforschung. 2012, vol. 81, no. 2, pp. 151-153.Arenson L. U., Springman S. M. Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 C //Canadian Geotechnical Journal. – 2005; 42(2): 431-442.Arenson L. U., Springman S. M. Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 C. Canadian Geotechnical Journal. 2005, 42(2): 431-442.Герасимов Д. С. [и др.]. О влиянии режима нагружения на механические свойства мерзлых грунтов //Наземные транспортно-технологические комплексы и средства. 2016. С. 73–77.Gerasimov D. S. On the influence of the loading regime on the mechanical properties of frozen soils. Land transport and technological complexes and facilities. 2016: 73-77.Yang Z. J., Still B., Ge X. Mechanical properties of seasonally frozen and permafrost soils at high strain rate. Cold regions science and technology. 2015, vol. 113, pp. 12-19.Yang Z. J., Still B., Ge X. Mechanical properties of seasonally frozen and permafrost soils at high strain rate. Cold regions science and technology. 2015, 113: 12-19.Aksenov, V.I., Kal’bergenov, R.G. & Leonov, A.R. Strength Characteristics of Frozen Saline Soils. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2003, 40:55–59Aksenov, V.I., Kal’bergenov, R.G. & Leonov, A.R. Strength Characteristics of Frozen Saline Soils. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2003, 40: 55–59 (In Russian)Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil //Cold regions science and technology. – 2010; 64(1): 39-45.Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil. Cold regions science and technology. 2010, vol. 64, no. 1, pp. 39-45.Zhou G. et al. Laboratory investigation on tensile strength characteristics of warm frozen soils //Cold Regions Science and Technology. – 2015. – Т. 113. – pp. 81-90.Zhou G. et al. Laboratory investigation on tensile strength characteristics of warm frozen soils. Cold regions science and technology. 2015, 113: 81-90.Тимофеев Н.Г., Жирков А.Н. Концепция разработки инновационного породоразрушающего инструмента для бурения скважин в условиях криолитозоны // Евразийский союз ученых. 2015. №4. С. 151–154.Timofeev N.G., Zhirkov A.N. Koncepcija razrabotki innovacionnogo porodorazrushajushhego instrumenta dlja burenija skvazhin v uslovijah kriolitozony [The concept of developing an innovative rock cutting tool for drilling in cryolithozone conditions]. Eurasian Union of Scientists. 2015, 4: 151-154.Talalay P. G. Introduction to Ice Drilling Technology. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, Singapore, 2016. pp. 1-8.Talalay P. G. Introduction to Ice Drilling Technology. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, Singapore, 2016, pp. 1-8.Ивкин В.С., Алашеев М.О. Влияние физи- ко-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ // Вестник УлГТУ. 2015. №3. С. 62–67.Ivkin V.S., Alasheev M.O. Vlijanie fiziko-mehanicheskih svojstv gruntov na rabotu mashin dlja zemljanyh rabot [The influence of physical and mechanical proper ties of soils on the work of machines for earthworks]. Bulletin of UlSTU. 2015, no. 3, pp. 62-67. (In Russian)Ивкин В. С., Вунберова Н. П. Малообъёмные, рассредоточенные зимние земляные работы в стеснённых условиях строительства // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2018. №. 2. С. 52–55.Ivkin V.S., Vunberova N.P. Maloob#jomnye, rassredotochennye zimnie zemljanye raboty v stesnjonnyh uslovijah stroitel’stva [Small, dispersed winter earthworks in cramped construction conditions]. Vestnik of the Ulyanovsk State Technical University. 2018, 2: 52-55. (In Russian)Валигура Н. С. Способы бурения неглубоких скважин // Разведка и охрана недр. 2014. №. 2. С. 27–30.Valigura N. S. Sposoby burenija neglubokih skvazhin [Methods of drilling shallow wells]. Exploration and protection of the subsoil. 2014, 2: 27-30. (In Russian)Тимофеев Н. Г., Скрябин Р. М., Яковлев Б. В. Повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента при бурении скважин в многолетнемерзлых породах //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. №. 6. С. 105–113.Timofeev NG, Skryabin RM, Yakovlev BV Povyshenie jeffektivnosti raboty porodorazrushajushhego instrumenta pri burenii skvazhin v mnogoletnemerzlyh porodah [Improving the efficiency of rock-cutting tools when drilling wells in permafrost]. Physical and technical problems of mining. - 2017. 6: 105-113. (In Russian)Скрябин Р. М., Леонтьев С. Н., Тимофеев Н. Г. Бурение скважин большого диаметра пневмоударным кластером в породах высокой категории бури- мости // Геология и минерально-сырьевые ресурсы северо-востока России. 2017. С. 570–574.Scriabin RM, Leontiev SN, Timofeev NG Burenie skvazhin bol’shogo diametra pnevmoudarnym klasterom v porodah vysokoj kategorii burimosti [Drilling of large-diameter wells with a pneumatic impact cluster in rocks of a high drillability category]. Geology and mineral resources of the North-East of Russia. 2017: 570-574. (In Russian)Li H., Liu S., Chang H. Experimental research on the influence of working parameters on the drilling efficiency. Tunnelling and Underground Space Technology. – 2020. – Т. 95. – pp. 103-174. https://doi.org/10.1016/j.tust.2019.103174Li H., Liu S., Chang H. Experimental research on the influence of working parameters on the drilling efficiency. Tunnelling and Underground Space Technology. 2020. 95: 103-174. https://doi.org/10.1016/j.tust.2019.103174De Moura J. et al. Widening Drilling Operation: Performance Analysis on the Application of Fixed Cutter Drill Bits in Hard Rock Formation //International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. – American Society of Mechanical Engineers, 2020. – Т. 84430. – С. V011T11A078. https://doi.org/10.1115/OMAE2020-18836De Moura J. et al. Widening Drilling Operation: Performance Analysis on the Application of Fixed Cutter Drill Bits in Hard Rock Formation //International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. – American Society of Mechanical Engineers, 2020. 84430:V011T11A078. https://doi.org/10.1115/OMAE2020-18836Бугаев В. Г., Ереско С. П., Бугаев И. В. Выбор рационального угла резания мерзлых грунтов при бурении строительных скважин // Строительные и дорожные машины. 2018. №. 2. С. 30–36.Bugaev VG, Eresko SP, Bugaev IV Vybor racional’nogo ugla rezanija merzlyh gruntov pri burenii stroitel’nyh skvazhin [Choice of a rational angle of cutting frozen soils when drilling construction wells]. Stroitelnye i dorozhnye mashiny. 2018. 2: 30-36. (In Russian)Богомолов Р. М. [и др]. Бурение дополнительных боковых стволов долотами PDC // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018. №. 2. С. 17–20.Bogomolov RM et al. Burenie dopolnitel’nyh bokovyh stvolov dolotami PDC [Drilling additional sidetracks with PDC bits]. Equipment and technologies for the oil and gas industry. 2018 2: 17-20. (In Russian)Панин Н. М., Богомолов Р. М. Совершенствование промывки шарошечных буровых долот // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020. №. 9. С. 11–14.Panin N.M., Bogomolov R.M. Sovershenstvovanie promyvki sharoshechnyh burovyh dolot [Improvement of flushing of roller cone drill bits]. Construction of oil and gas wells on land and at sea. 2020. 9: 11-14. (In Russian)Сериков Д. Ю. Анализ конструкций и технологий изготовления твердосплавного вооружения шарошечных буровых долот // Сфера. Нефть и Газ. 2017. №. 1. С. 30–35.Serikov D. Yu. Analiz konstrukcij i tehnologij izgotovlenija tverdosplavnogo vooruzhenija sharoshechnyh burovyh dolot [Analysis of structures and manufacturing technologies of carbide weapons for roller-cutter drill bits]. Sfera. Oil and gas. 2017. 1: 30-35. (In Russian)Darwesh A.K., Rasmussen T.M., Al-Ansari N. Controllable drilling parameter optimization for roller cone and polycrystalline diamond bits. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. – 2020. – Т. 10. – №. 4. – pp. 1657-1674.https://doi.org/10.1007/s13202-019-00823-1Darwesh A.K., Rasmussen T.M., Al-Ansari N. Controllable drilling parameter optimization for roller cone and polycrystalline diamond bits. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. – 2020. 10. (4): 1657-1674. https://doi.org/10.1007/s13202-019-00823-1Sporin, Jurij, et al. “The characterization of wear in roller cone drill bit by rock material–Sandstone.” Journal of Petroleum Science and Engineering – 2019. – Т. 173. – pp. 1355-1367. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.10.090Sporin, Jurij, et al. “The characterization of wear in roller cone drill bit by rock material–Sandstone.” Journal of Petroleum Science and Engineering 2019. 173: 1355-1367. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.10.090Zhang, Jie, and Yang Hu. “Mechanical behavior and sealing performance of metal sealing system in roller cone bits.” Journal of Mechanical Science and Technology – 2019. – Т. 33. – №. 6. – pp. 2855-2862. https://doi.org/10.1007/s12206-019-0533-5Zhang, Jie, and Yang Hu. “Mechanical behavior and sealing performance of metal sealing system in roller cone bits.” Journal of Mechanical Science and Technology 2019. 33(6): 2855-2862. https://doi.org/10.1007/s12206-019-0533-5Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Перспективы развития бурового инструмента для вечномерзлых грунтов // Строительные и дорожные машины. 2019. №9. С.47–48.Martyuchenko I.G., Zenin M.I. Perspektivy razvitija burovogo instrumenta dlja vechnomerzlyh gruntov [Prospects for the development of drilling tools for permafrost]. Construction and road machines. 2019. 9: 47-48. (In Russian)Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Взаимодействие винтовой лопасти бурового инструмента с мерзлым грунтом. Вестник СибАДИ . 2020;17(2):162-171. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-2-162-171Martyuchenko I.G., Zenin M.I. Vzaimodejstvie vintovoj lopasti burovogo instrumenta s merzlym gruntom [Interaction of a screw blade of a drilling tool with frozen soil. Scientific peer-reviewed] The Russian Automobile and Highway Industry Journal 2020; 17 (2): 162-171. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-2-162-171 (In Russian)Баловнев В. И. [и др.]. Определение оптимальных параметров транспортно-технологических машин методами теории подобных преобразований //Строительные и дорожные машины. 2019. №. 12. С. 3–11.Balovnev VI et al. Opredelenie optimal’nyh parametrov transportno-tehnologicheskih mashin metodami teorii podobnyh preobrazovanij [Determination of the optimal parameters of transport and technological machines by methods of the theory of similar transformations]. Construction and road machines. 2019; 12:.3-11. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.