книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современной технологии горного производства значительная роль принадлежит проблеме совершенствования существующих и разработке новых технических средств и методов буровзрывных работ как наиболее трудоемкого процесса. Одной из важнейших проблем при разработке и добыче полезных ископаемых является совершенствование и разработка способов бурения взрывных сква­ жин. В настоящее время основными способами бурения взрывных скважин являются механический и термический. Однако применяе­ мые буровые станки и породоразрушающий инструмент несовер­ шенны и не полностью удовлетворяют современным требованиям производства.

Основной причиной, препятствующей широкому внедрению тер­ мического бурения в производство, является низкая производи­ тельность бурения по некоторым горным породам. В то же время, как показывают исследования и опыт применения станков огневого бурения, существуют реальные резервы повышения производитель­ ности и улучшения технико-экономических показателей этого спо­ соба. Одним из таких резервов является применение наиболее эффективных способов приложения различных видов энергии (теп­ ловой, электрической, механической) на забой скважины. Созда­ ние термоимпульсного, электромеханического и термодинамичес­ кого устройства для разрушения крепких горных пород позволит повысить производительность термического бурения и расширить область его применения.

В связи- с этим основными задачами исследований в области термического бурения являются; совершенствование способа и по­ вышение коэффициента полезного действия процесса хрупкого раз­ рушения пород путем увеличения полноты сгорания топлива и интенсификации теплообмена между газовой струей и породой за

Одним из путей повышения производительности бурения взрыв­ ных скважин является совершенствование и расширение области применения весьма простого, экономичного и отличающегося луч­ шими санитарно-гигиеническими условиями труда вращательного

проф. М. М. Протодьяконова.* Эффективное разрушение пород средней крепости и крепких этим способом обеспечивается при­ менением породоразрушающего инструмента специальной формы, воспринимающего высокие удельные нагрузки (до 1 • ІО6 Я на 1 м длины режущей кромки) и вполне определенного сочетания окруж­ ной и вертикальной нагрузок.

Основными задачами в области исследования процессов раз­ рушения горных пород вращательным способом являются: разра­ ботка породоразрушающего инструмента, обладающего высокой прочностью и обеспечивающего разрушение 40—50% площади за­ боя скважины за счет деформаций скалывания (срез, сдвиг), изгиба, растяжения и отрыва; разработка наивыгоднейших режи­ мов бурения пород средней крепости и крепких, при которых обес­ печиваются высокая скорость бурения, минимальная объемная ра­ бота разрушения и высокая прочность породоразрушающего инст­ румента.

Подготовленная авторами работа является первым обобщением теоретического, экспериментального и производственного материала по совершенствованию способов термического и механического бу­ рения.

Главы I—IV написаны докт. техн. наук А. Н. Москалевым, кан­ дидатами техн. наук В. А. Танцурой и Е. Ю. Пигидой, V—VIII — кандидатами техн. наук С. Я. Сологубом и В. М. Ткаченко.

Авторы выражают благодарность рецензенту книги проф., докт. техн. наук Н. Г. Петрову за большую помощь в подготовке книги

кпечати.

*Здесі, и далее коэффициент крепости пород по шкале проф. М. М. Прото­ дьяконова.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕЛОК СТАНКОВ СБО

1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТЕРМОБУРА

При термодинамическом расчете процесса сгорания топлива учитываются лишь потери тепла, связанные с диссоциацией про­ дуктов сгорания в камере и физическим недогоранием топлива из-за недостатка окислителя. Возврат тепловой энергии, затраченный на диссоциацию, из-за рекомбинации продуктов сгорания в сопле учи­ тывается в термодинамическом расчете приближенно изменением показателя изэнтропы.

Потери тепла, связанные с некачественным смесеобразованием и горением, потери тепла в охлаждающую среду, а также потери, связанные с трением и неравновесностью процесса истечения газо­ вой струи из сопла, в термодинамическом расчете не могут быть учтены. Эти потери количественно определяют экспериментальным путем.

Для определения тепловых потерь, связанных с несовершен­ ством процессов смесеобразования и горения, удобно пользоваться импульсом давления ß [3, 32]

(1)

где Рк — давление в камере сгорания, Я/м2; Гкр — критическое се­ чение сопла, м2; — суммарный расход топлива, Я/с; R —-газовая постоянная, Дж/(кг-К); Т — температура в камере сгорания, К; Ап — величина, зависящая от показателя процесса расширения газа до выхода из сопла, постоянна для конкретной камеры сгорания;

(2)

k — показатель адиабаты.

Уменьшение расчетной величины импульса давления ß по срав­ нению с теоретической и будет характеризовать потери энергии в камере, не учтенные расчетом. Таким образом, в качестве коли­ чественного показателя степени совершенства реальных процессов

в камере сгорания принимают импульсный коэффициент камеры сгорания

Потери, оцениваемые этой величиной, возникают вследствие не­ полного выделения тепла, основной причиной которого является несовершенство смешения компонентов топлива, испарения, диф­ фузии и собственно горения. При низких значениях <рк необходимо либо улучшать процесс смесеобразования, либо увеличивать объем камеры сгорания. Следует отметить, что повышение срк за счет зна­ чительного увеличения объема камеры сгорания нежелательно, так как при этом сильно возрастет расход топливных компонентов. Однако для реализации процессов распыления, смешения и собст­ венно горения топлива необходимо время, которое определяется объемом сгорания. Для заданного процесса смесеобразования, тер­ модинамических и газодинамических параметров продуктов сго­ рания и вида топлива время пребывания последнего в камере сгорания должно обеспечить полное его сгорание. Ввиду сложности рабочего процесса, протекающего в камере сгорания, до сих пор не разработан теоретический метод расчета объема камеры и для его определения используют полуэмпирические зависимости [3, 16].

Для определения объема камеры сгорания Ѵк целесообразно использовать такие характерные параметры, как время пребывания топлива в камере ta, удельный импульс давления ß и температуру в камере сгорания Тк. Время пребывания топлива в камере

Из формулы (4) нетрудно определить объем камеры сгорания, если учесть, что по данным работы [102] время пребывания топ­ лива в последней составляет 0,003—0,004 с.

Если в формуле (1) величину Gs/FKр выразить как относитель­ ный расход топлива

фициент срк определится как отношение давления Р к. ЭКп, получае­

мого в камере сгорания, к теоретическому Рк. теор при данном кри­ тическом сечении сопла Fltp; здесь срк приобретает форму коэффи­ циента полноты давления

Во втором случае импульсный коэффициент фи определится как

отношение теоретического относительного расхода топлива GTeop, необходимого для получения заданного давления в камере сгора­

ния при данном Fир, к действительному G3Iîcn, который потребо­ вался для получения заданного давления в камере сгорания Рк\ здесь импульсный коэффициент приобретает форму коэффициента расхода

Одним из наиболее важных параметров процесса горения является температура в камере сгорания Тк, которая определяет температуру газовой струи. Современная пирометрия не во всех случаях и с недостаточной степенью точности обеспечивает изме­ рение температуры газов, выходящих из камеры сгорания. Опти­ ческие методы позволяют измерять только местные значения тем­ пературы или осредненную температуру по направлению луча света, воспринимаемого прибором, и, как правило, требуют наличия сложной и дорогостоящей аппаратуры. Измерение температуры га­ зов в камере сгорания с помощью вводимых в нее теплоприемников имеет сравнительно узкую область применения, ограниченную допустимыми температурами и в книге не рассматривается. И, на­ конец, ни один из этих методов не позволяет определить среднюю температуру для всей массы вытекающих из горелки газов.

Существует приближенный метод косвенного определения сред­ ней температуры газов в камере сгорания по экспериментальной величине импульсного коэффициента камеры и теоретическому зна­ чению температуры газов в камере сгорания [32]. Подставив в фор­ мулу (3) выражение для импульса давления (1), получим

В настоящее время определить газовую постоянную У?ЗКп экспе­ риментально невозможно. Но учитывая, что при заданных значе­ ниях внутрикамерного давления Рк и коэффициента избытка

окислителя сст газовая постоянная изменяется незначительно, допустим, что

Значение величины Лп. эксп зависит от действительного показа­ теля изэнтропы Пиз при истечении газа из камеры сгорания до выхода из сопла. Величину яиз можно определить, замерив давле­ ние газа на срезе сопла РіэкспОднако достаточно точной мето­ дики замера Ріэксп пока не существует. Так как величина Ас изме­ няется незначительно, можно принять

вдопущениях будет незначительной, выражение для температуры

вкамере сгорания примет вид

Для оценки камеры сгорания с точки зрения полноты сгорания необходимо' также определить энергетический к. п. д. камеры т)к, который связан с импульсным коэффициентом зависимостью т)к =

=q>2. и оценивает совершенство преобразования исходной энергии

вэнергию газовой струи.

И, наконец, определяющими параметрами газовой струи с то­ чки зрения ее возможности разрушать горную породу является ее температура и скорость на срезе сопла, эффективная темпера­ тура воздействия газового потока на разрушаемую поверхность Гг, величина теплового потока в породу q и коэффициент теплоот­ дачи а.

Температура газовой струи и ее скорость на срезе сопла опре­ деляются из следующих зависимрстей:

2.ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГАЗОВЫХ СТРУЙ

ОГНЕСТРУЙНЫХ ГОРЕЛОК И МЕТОДИКА ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Научно обоснованное проектирование огнеструйных горелок, спо­ собных обеспечить потребные для разрушения горных пород тепло­ вые параметры газовой струи, а также выбор рациональных режи­ мов бурения по различным породам, могут основываться только на достаточно надежных данных по тепловым параметрам газовых струй.

Установлено [12, 13, 17, 27, 37], что линейная скорость терми­ ческого бурения крепких горных пород при отсутствии плавления

примерно пропорциональна величине удельного теплового потока, вводимого в разрушаемую породу с помощью газовой струи или, в конечном счете, интенсивности термомеханических процессов, протекающих в породе при ее практически мгновенном нагреве. Значит, с точки зрения физики процесса термического разрушения крепких горных пород интенсивность теплового воздействия газо­ вой струи на породу при прочих равных условиях определяется газодинамическими параметрами последней в непосредственной близости от разрушаемой поверхности или, точнее, в зоне погра­ ничного слоя газовая струя—-разрушаемая поверхность. Таким образом, интенсивность термического разрушения крепких горных пород определяется не параметрами горения и истечения газа из камеры сгорания, а параметрами самой газовой струи в зоне раз­ рушения, хотя параметры горения и истечения газа являются опре­ деляющими в формировании параметров газовой струи.

Величина разрушающих термических напряжений, возникаю­ щих в породе, определяется: эффективной температурой ТДК), ко­ эффициентом теплоотдачи от газовой струи к разрушаемой породе, который характеризует интенсивность теплообмена между газовой струей и разрушаемой породой а (Вт/м2-К), и удельным тепловым потоком, вводимым в разрушаемую породу q (Вт/м2).

Значения Тт, а и q, отнесенные к определенной температуре разрушаемой поверхности, характеризуют тепловые возможности газовой струи с точки зрения ее способности создать разрушаю­ щие термические напряжения в данных конкретных условиях и являются тепловыми параметрами газовой струи. Но величины Гг, а, и q зависят не только от энергетических возможностей газовой струи, но и при прочих равных условиях от температуры разру­ шаемой породы, которая в свою очередь зависит от ее теплофизи­ ческих характеристик. При этом наиболее существенное влияние температура разрушаемой породы оказывает на величину удель­ ного теплового потока, вводимого в нее газовой струей. Таким обра­ зом, тепловые параметры газовой струи Тт, а и q являются не только параметрами самой газовой струи, но и параметрами сово­ купного процесса теплообмена между газовой струей и разру­ шаемой породой.

Для сравнения максимальных возможностей газовой струи с точки зрения теплового потока с достаточной степенью точности можно пользоваться тепловым потоком, отнесенным к температуре разрушаемой породы, равной нулю. Величину этого удельного теп­ лового потока называют н а ч а л ь н ы м у д е л ь н ы м т е п л о в ым п о т о к о м <7о. Начальный удельный тепловой поток — это реаль­

ный тепловой поток, поступающий в разрушаемую породу в начале нагрева, когда температура поверхности породы очень мала по сравнению с температурой газовой струи.

Известно, что тепловое воздействие газовой струи на породу при термическом разрушении имеет несколько специфических осо­ бенностей, основными из которых являются: