Подходит ли пневматический перфоратор с опорной ногой для бурения при строительстве тоннелей?

Понимание функций и применения пневматической перфораторной установки при проходке тоннелей

Как работает пневматическая перфораторная установка в ограниченных подземных пространствах

Сверлильные установки с пневмоподпорками работают за счёт сжатого воздуха, который толкает поршень вперёд, заставляя его многократно ударять по буровому долоту, воздействуя на поверхность породы. Эти машины также довольно компактны — обычно их длина составляет менее 1,5 метра, и они способны полностью поворачиваться во всех направлениях. Это делает их идеальными для работы в узких тоннелях, где высота свободного пространства составляет всего около 2 метров. Согласно последнему отчёту по оборудованию для проходки тоннелей за 2024 год, эти установки сохраняют около 85 % своей эффективности даже при боковом перемещении в очень стеснённых условиях, иногда в пространствах шириной всего полметра. Большинство рабочих в тоннелях используют более короткие буровые штанги, как правило, длиной от 1 до 2 метров, поскольку это помогает им лучше получать доступ к участкам бурения, не жертвуя при этом подвижностью машины в ограниченных пространствах.

Типичные сферы применения: Малые и начальные этапы тоннельных проектов

Более 60% разведывательных тоннельных проектов протяженностью менее 500 метров используют перфораторы с опорой на пневмоподставке (Ponemon 2023), особенно в следующих случаях:

• Вентиляционные шахты, требующие точного бурения под углом
• Коммунальные тоннели в городских районах с ограниченным пространством
• Пилотные скважины для геологических исследований в породах с твердостью до 6 по шкале Мооса

Их быстрое развертывание — менее чем за 30 минут — и низкое энергопотребление (расход воздуха 8–12 куб. футов в минуту) делают их идеальными для работ на начальном этапе, до ввода в эксплуатацию более крупного оборудования.

Соответствие применения перфораторов с опорой на пневмоподставке твердости пород и этапу проходки тоннеля

Эти установки хорошо работают в осадочных породах, таких как известняк и сланец, но их эффективность снижается в более твердых изверженных породах. Скорость проходки значительно падает при бурении гранита из-за его высокой прочности на сжатие:

В тоннелях глубиной более 1 км подрядчики обычно переходят на гидравлические системы, которые обеспечивают лучший отвод тепла и стабильную передачу мощности по сравнению с пневматическими моделями.

Производительность пневматического перфоратора в условиях проходки тоннелей в твердых породах

Методы бурения и скорость проникновения в граните и других твердых породах

Перфораторы с пневмоподпорками способны бурить гранит со скоростью до 40 сантиметров в минуту благодаря ударному действию, обеспечиваемому сжатым воздухом под давлением от 5 до 7 бар. Эти машины сохраняют высокую эффективность даже при работе с породами, имеющими так называемую предел прочности при одноосном сжатии до 250 мегапаскалей. Некоторые полевые испытания на массивах твердых пород также показали впечатляющие результаты — в одном из исследований была зафиксирована эксплуатационная эффективность около 87 процентов именно в условиях кварцитов, при условии замены буровых коронок примерно каждые 35–40 метров проходки. Для достижения хороших результатов при использовании этих инструментов необходимо учитывать несколько важных факторов и методов, заслуживающих внимания в ходе реальных операций.

• Ступенчатое бурение : Начинайте с буровых коронок диаметром 45 мм для направляющих отверстий, затем увеличивайте до диаметра 100 мм
• Сухое продувание воздухом для предотвращения забивания коронки при работе в абразивной породе
• Наклон под углом 30°–45° для следования естественным плоскостям трещин

Однако в базальте скорость проходки снижается на 15–20% из-за его изотропной зернистой структуры, что требует более частого вращения коронки для поддержания производительности.

Основные ограничения в условиях высокого напряжения и глубоких тоннелей

Хотя перфораторы с пневмоподпоркой работают на глубине до 300 метров, они теряют 23% эффективности в тоннелях, где напряжение в породе превышает 10 МПа (Edge Underground 2023). Основные проблемы включают:

Как отмечено в недавнем анализе оборудования для проходки тоннелей, этим перфораторам требуется в 2,3 раза больше ручных перемещений по сравнению с гидравлическими установками в зонах с высоким напряжением пород, что увеличивает количество ошибок, связанных с усталостью, на 18 %. В кремнистых породах уровень пыли может превышать 8 мг/м³ при отсутствии подавления водяным туманом, что требует использования средств респираторной защиты, одобренных OSHA.

Проблемы безопасности и особенности эксплуатации при пневматическом бурении тоннелей

Основные опасности: шум, вибрация и воздействие пыли при использовании пневматического бурового станка

Работники, работающие с тяжелым оборудованием, подвергаются уровню шума, превышающему 115 децибел в течение своей смены, что сопоставимо с нахождением рядом с реактивным двигателем на расстоянии около 30 метров. Вибрации, передаваемые через рукоятки машин, часто превышают 12 метров в секунду квадратную, что значительно повышает риск развития синдрома вибрации руки-плеча (HAVS). Всего за пять лет регулярной эксплуатации работники сталкиваются с повышенным на 34 % риском возникновения этого заболевания. В тоннелях с плохой вентиляцией вдыхаемая пыль диоксида кремния может накапливаться до опасного уровня — около 8 миллиграммов на кубический метр воздуха, что в 16 раз хуже допустимого по стандартам OSHA. Использование респираторов P100, сертифицированных NIOSH, вместе с перчатками, предназначенными для поглощения вибраций, помогает снизить эти угрозы для здоровья на 40–60 %, хотя результаты зависят от того, насколько последовательно средства используются в течение дня.

Сочетание портативности и снижение усталости оператора при длительных сменах

Пневматические перфораторы обычно весят от 50 до 70 фунтов, что делает их достаточно портативными для работы в стеснённых условиях, однако они вызывают более быстрое утомление по сравнению с установленными моделями — примерно на 22% быстрее. Исследование, опубликованное в прошлом году, выявило интересный факт: когда рабочим приходилось перемещать эти инструменты каждые десять-пятнадцать минут, точность бурения снижалась примерно на 30% уже после четырёх часов работы. Однако компании, перешедшие на 90-минутные смены с обязательными перерывами, добились лучших результатов. Производительность увеличилась примерно на 18%, а количество случаев внезапных болей в мышцах или суставах среди сотрудников сократилось на 41%. Ещё один важный момент — напольные покрытия. Некоторые полевые испытания показали, что специальные противоскользящие коврики помогают снизить дискомфорт в пояснице почти на 27% у тех, кто работает длительное время под землёй.

Пневматический перфоратор против установок для полного бурения: практическое сравнение

Автоматизация и охват: когда следует выбирать буровые установки вместо ручных инструментов

Старые пневматические перфораторы требуют постоянного ручного вмешательства операторов при бурении каждой отдельной скважины, что объясняет их актуальность на небольших сечениях тоннелей менее 15 квадратных метров или в условиях сложной геологии. С другой стороны, современные полноразмерные буровые установки оснащены компьютерными системами управления, которые автоматически размещают скважины с точностью около 90 процентов в однородных породах, согласно последним исследованиям в области автоматизации строительства. Большинство подрядчиков продолжают использовать пневматические перфораторы при строительстве тоннелей короче 500 метров или при ограниченном бюджете. Разница в стоимости оборудования составляет от сорока до восьмидесяти тысяч долларов, и для многих проектов эти затраты перевешивают возможный выигрыш в производительности, поскольку автоматизированные установки обычно выполняют объем работы, в три-пять раз превышающий за тот же период.

Сравнение эффективности: стоимость рабочей силы, скорость бурения и анализ простоев

Когда речь идет о бурении гранита, одна установка полного профиля превосходит производительность 6–8 операторов с пневматическими перфораторами, обеспечивая скорость 3,2 метра в час против всего 0,45 м/ч у ручной установки, согласно отчету Ассоциации тоннелирования за 2023 год. С другой стороны, старые пневматические системы в целом потребляют меньше энергии. Экономия также значительна — снижение затрат на энергию составляет от 18 до 22 процентов по сравнению с гидравлическими аналогами, что особенно важно при ограниченной вентиляции. Конечно, этим установкам требуется примерно на 25% больше ежемесячного обслуживания по сравнению с аналогами, но они полностью избегают постоянных циклов простоев, необходимых для машин с ручным управлением. Это означает непрерывную работу без ожидания смены смен, что делает их достойными дополнительных первоначальных затрат для большинства подрядчиков, работающих над долгосрочными проектами.

Часто задаваемые вопросы

Что такое пневматический перфоратор?

Буровая установка с пневмоподдержкой — это пневматический буровой инструмент, используемый при проходке тоннелей, предназначенный для работы в ограниченных подземных пространствах с использованием сжатого воздуха для приведения в движение поршня, который многократно ударяет буровое долото по поверхности породы.

Какие типы проектов используют буровые установки с пневмоподдержкой?

Буровые установки с пневмоподдержкой обычно применяются в небольших проектах и на ранних этапах строительства тоннелей, например, при сооружении вентиляционных шахт, коммунальных тоннелей в городских районах и разведочных скважин для геологических исследований, где пространство ограничено.

Как прочность породы влияет на эффективность работы буровой установки с пневмоподдержкой?

Эффективность буровых установок с пневмоподдержкой зависит от прочности породы. Они хорошо работают в осадочных формациях, таких как известняк, но менее эффективны в более твердых изверженных породах, что приводит к снижению скорости проходки в граните.

Какие проблемы безопасности связаны с использованием буровых установок с пневмоподдержкой?

Проблемы безопасности оператора при использовании пневматических перфораторов включают воздействие высокого уровня шума, вибрации, вызывающей синдром вибрации руки-руки (HAVS), и пыли от бурения породы, которая может накапливаться до опасных уровней.

Чем пневматические перфораторы отличаются от полнолицевых буровых установок?

Пневматические перфораторы требуют ручного управления и подходят для небольших поперечных сечений, тогда как полнолицевые буровые установки обеспечивают автоматизированные решения, охватывают большую площадь с более высокой эффективностью, но при этом имеют более высокую стоимость.