Вопрос №55 (термические напряжения в горных породах)

Термические напряжения в горных породах возникают за счет либо неоднородного нагрева породы, либо различия в значе­ниях коэффициентов теплового расширения и упругих свойств слагающих породу минералов и агрегатов.

Так, если представить стержень длиной I, свободное расши­рение которого невозможно, то при его нагреве на ДТ в нем воз­никнут термические напряжения сг_т, равные напряжениям, необ­ходимым для сжатия удлинившегося стержня до первоначаль­ных размеров, т. е.

Аналогично можно рассчитать термические напряжения в не­котором нагреваемом объеме породы, находящемся в массиве, когда возможности расширяться отсутствуют:

В этом случае нагреваемый объем испытывает напряжения сжатия, в то время как окружающие его объемы в зависимости от ил расположения испытывают напряжения сжатия и растя­жения.

Если нагреваемый объем породы представить в виде стер­жня, зажатого с обоих концов другими стержнями той же по­роды (рис. 6.7), то не нагреваемые стержни породы при

отсутствии возможности расширяться будут испытывать напряжения сжатия, которые, очевидно, не будут равны вычисленным по формуле (6.26), поскольку любая порода способна до некото­рой степени упруго деформироваться, т. е. (в случае одномер­ной задачи)

где Ен — модуль упругости нагретого объема; е — относитель­ная деформация нагретого объема, обусловленная упругостью окружающей породы ; Ео — модуль упругости не на­гретого объема (чаще всего Е₀>Е_Н).

После преобразований (6.28), приняв равенство нагревае­мого и не нагреваемого объемов, получаем

где Ко и Кн — модули объемного сжатия соответственно не на­гретого и нагретого объемов породы; Еnp и Кпр — приведенные модули упругости горных пород» учитывающие изменение Е и К с нагревом, относительное расположение и величины нагретого и не нагретого объемов породы.

Вопрос №56 (термические способы бурения горных пород)

В настоящее время из немеханических способов наиболее ши­роко в практике используют термическое бурение. Оно осуще­ствляется воздействием на породу высокотемпературной сверхзвуковой газовой струи, интенсивно разогревающей тонкий поверхностный слой породы, в котором возникают термиче­ские напряжения, приводящие к хрупкому отколу от поверх­ности мелких чешуек и частиц (рис. 17.1).

Так как эффективность термобурения, в первую очередь, оп­ределяется величиной возникающих в породе термонапряжений, которые тем больше, чем больше жесткость породы, т. е. модуль Юнга Е (см. разд. 6.5), при термобурении в отличие от механических способов бурения наблюдается увеличение скорости бурения с ростом крепости пород Для того чтобы процесс бурения шел бы­стро, необходимы высокие градиенты температур. Последние зависят не только от свойств породы, но и от интенсивности теплопередачи и, следовательно, от скорости истечение газовой струн и величины теплового потоке. Чем больше градиент температур, тем больше термические напряжения, no мемыие толщина откалываемых чешуек

Интенсивные тепловые потоки создаются специальными га­зовыми горелками, в рабочей камере которых происходят пе­ремешивание горючего и окислителя и бурное их сгорание (с* рис. 17.1,6).

В зависимости от типа окислителя в качестве горючего при­меняют либо керосин (окислитель — кислород), либо бензин (окислитель — воздух).

Горячие газы через сопло выбрасываются наружу и, уда­ряясь о породу, передают последней тепловую энергию.

Наиболее эффективно разрушаются породы, сложенные ми­нералами с различными коэффициентами теплового расшире­ния, имеющие жесткий, противодействующий расширению зерен цемент, небольшие коэффициенты теплопроводности и большие значения модуля упругости Е.

Высокая теплопроводность пород и низкие градиенты тем­ператур отрицательно сказываются на эффективности термобу­рения. Производительность бурения резко снижается в случае увеличения пластичности породы при нагреве ее и плавлении На плавление затрачивается большое количество тепла, а шлак, получающийся в результате плавления, плохо удаля­ется из забоя и затрудняет бурение.

В мягких и рыхлых породах (группа строения 3} возни­кающие термические напряжения невелики. Железистые по­роды склонны к плавлению, легко прогреваются газовой струей на большие глубины, что приводит к снижению градиента тем­ператур и термических напряжений. Поэтому перечисленные породы трудно поддаются термическому разрушению.

В трещиноватых породах скорость бурения уменьшается до двух раз.

Как показывает опыт, термическому бурению хорошо под­даются породы, в состав которых входит кварц, обладающий высоким параметром П_тб, высокой температурой плавления и не теряющий своей хрупкости с повышением температуры.

Производительность станков термического бурения значи­тельно более высокая, чем механического, в том числе шарошечного. Так, среднесменная производительность станка ог­невого бурения по бакальским кварцитам составляет 90 м, по железистым кварцитам ЮГОКа —16—18 м, по железистым кварцитам Оленегорска — 9—10 м. На карьерах работают бензовоздушные станки СБТМ-20..

КОМБИНИРОВАННОЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ БУРЕНИЕ ПОРОД

Термомеханическое бурение осуществляют либо совмещением обычного механического бурения с нагревом, либо воздействием на породу потоком твердых частиц наряду с теп­ловым потоком.

При этом на термические напряжения накладываются ме­ханические, способствующие более быстрому разрушению по­роды.

В первом случае тепловой поток создается, как обычно, с помощью газовой или плазменной горелки. Механическое воздействие осуществляют шарошками.

На подобном принципе работают станки СБШО-250, СБШ-250К. Прирост скорости бурения по сравнению с обыч­ным термическим в породах крепостью f—15+16 составляет %Э0 %, Скорость бурения достигает 32 м/ч,

МГИ совместно с институтом Гипромашобогащение разра­ботаны термогидробуры (ТГБ-2), где в качестве теплоносителя используется воздушно-водяная смесь, нагревающая породу забое скважины до 300°С. Одновременно с этим осуществляется механическое бурение шарошками. Применение потока твердых частиц, образующих с горя- ми газами двухфазную среду, также повышает производительность при бурении. В качестве твердых частиц используют либо мелкие частицы самой разрушенной породы, либо стальную дробь, засыпанную в скважину. Твердые частицы» ударяясь о нагретую породу, производят окончательное ее разрушение. Производительность бурения возрастает на 40%. На таком принципе работает термобур ТВР-46, созданный в МГИ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Электромагнитные способы разрушения горных пород разделяются на электродинамические электромагнитотермические.

Электродинамические (ЭД) способы основаны на осуществлении электрического пробоя. Электромагнитотермические (ЭМ), в свою очередь, подразделяются на электро­термические (ЭТ) способы, основанные на электротепловом пробое (ЭТП) и на разогреве пород электромагнитными по­лями без осуществления пробоя (ЭТН), магнитные, инфракрас­ные и оптические.

При ЭД способах разрушения пробой производят либо не­посредственно по горной породе, либо по жид­кости над поверхностью разрушаемой породы.

В первом случае разрушение происходит непосредственно за счет динамического действия электрического разряда в породе, приводящего к ее растрескиванию и разрыву по линии канала пробоя.

Электрический прибой по породе используют для раскалывания негабарита, отбойки от массива бурения скважин для его осуществления требуются высокие напряжения импульсного электрического поля.

Уменьшение электрической прочности Ну наблюдается с увеличением влажности, пористости пород» с возрастанием давления на них. Эти закономерности позволяют управлять процессом ЭД разрушения*

Положительным качеством электрического разрушения яв- ляется его быстродействие — практически мгновенный пробой и разрушение при достижении пробивного напряжения. Время осуществления пробоя — с. Разрушение наиболее эффективно в хрупких горных породах.

Электротермическиеразрушения пород пробоем (ЭТИ) подразделяются по частоте применяемого элек­тромагнитного поля на низкочастотные (частота поля до 1 МГц) и высокочастотные (частота поля от 1 до300 МГц).

Основной предпосылкой применения низкочастотных методов (НЧ) является относительно высокая первоначаль­ная проводимость тока пород. Горная порода разогревается под действием электрического поля, в ней образуется канал пробоя. Разрушение наступает либо непосредственно сразу после теплового пробоя, либо после дополнительного прогрева по­роды за счет усиленного выделения тепла в канале пробоя и возникновения разрушающих термических напряжений.