книги из ГПНТБ / Кутузов, Б. Н. Взрывные работы учебник

если не будет обеспечена высокоточная до нескольких миллиметров фиксация расстояния от забоя до среза сопла, то нельзя рассчиты­ вать на получение устойчивого режима разрушения породы. Эффек­ тивность таких установок можно повысить путем усовершенствова­ ния плазменных генераторов и повышения температуры плавления.

Лазерные буровые установки. Лазеры, дающие концентрации мощности порядка 1,61а Вт/см2, могут плавить любые породы. Лазер­ ный луч получается посредством возбуждения, или «накачивания» группы атомов в кристалле или газе до их высокоэнергетического состояния. Когда это произойдет, атомы начинают излучать фотоны, образуя когерентный световой луч.

Кристаллические лазеры могут использоваться только короткими вспышками, так как 99% энергии возбуждения теряется в охлажда­ ющей жидкости и возникает проблема рассеивания большого коли­ чества тепла. Один из крупнейших кристаллических лазеров через каждые 2 с дает вспышку (энергией 100 Дж), длящуюся 1 мс. Это соответствует мгновенному выделению мощности в 100 кВт и сред­ нему выходу мощности лишь в 50 Вт.

В газовых лазерах для получения различных энергетических уровней используются смеси газов, непрерывно накачиваемые электронными лучами. Газовые лазеры более эффективны и имеют более высокий выход мощности, чем кристаллические лазеры. Сей­ час разрабатываются лазеры, имеющие мощность 10—20 кВт.

Лазеры могут быть применены для термического разрушения пород путем нагревания их до 260—580° С. Высокие температурные градиенты и различное тепловое расширение минеральных соста­ вляющих создают термические напряжения, которые ослабляют и разрушают связи между кристаллами и зернами породы.

Из-за больших затрат энергии на плавление породы (500 кгс - м/см3) и низкого выхода мощности электронных лучей и лазеров эти установки будут иметь низкие скорости бурения. Например, подсчитано, что лазерная установка мощностью 10 кВт расплавит скважину диаметром 200 мм со скоростью 30 мм/мин (принимая, что 50% выходной мощности передается породе).

Вследствие высоких концентраций мощности лазеры могут бурить скважины небольших диаметров быстрее, чем обычные буровые установки. Например, буровая установка мощностью 10 кВт может расплавить в породе отверстие диаметром 2,54 мм со скоростью 18 см/с. Эта скорость выше, чем скорость бурения обычными уста­ новками. Лазерные и электронные установки можно успешно при­ менять для образования отверстий небольшого диаметра в деталях точных электронных и оптических приборов. При условии увеличе­ ния выходной мощности лазеров последние могут найти применение в бурении горных пород в больших масштабах. Схема лазерной буро­ вой установки показана на рис. 197.

Высокочастотные электробуровые установки. Испытания пока­ зали, что электрический ток высокой частоты может применяться для разрушения электропроводящих горных пород. Диэлектри­

3 5 0

ческое нагревание сопротивления вызывается электрическим током, проходящим через горную породу между электродами.

Как диэлектрическое, так и нагревание через сопротивление пропорциональны квадрату разности потенциала электродов. По­ этому в этих установках обычно используются высокие напряжения от 1 до 10 кВт. Диэлектрическое нагревание пропорционально частоте тока, а нагревание через сопротивление не зависит от частоты. Поэтому для бурения горных пород с высоким электрическим со­ противлением требуются токи высоких частот.

По мере увеличения температуры в горной породе между контак­ тирующими с ней электродами образуется раскаленный токопрово­ дящий канал (канал пробоя). После образования проводящего ка­ нала электрическое сопротивление между электродами резко сни­ жается, температура породы в сечении канала увеличивается и в ре­ зультате термонапряжений происходит разрушение породы на забое, которое дополняется механическими способами. Схема буровой установки приведена на рис. 198.

Микроволновые буровые установки. Лабораторными испытаниями установлено, что микроволны (1000—3000 мГц) могут эффективно нагревать и разрушать горную породу. В микроволновой буровой установке (рис. 199) микроволны создаются в магнетронах и напра­ вляются к горной породе по специальным волнопроводящим кана­ лам. Микроволновыми буровыми установками можно бурить с очист­ кой забоя только воздухом или газом, так как вода поглощает

351

большую часть микроволновой энергии. Эффективность магнетронов составляет лишь 30—40% , из-за чего возникает необходимость произ­ водить отвод большого количества тепла.

При опытах в песчаниках тонкие чешуйки начинали отскакивать от поверхности через 20—120 с, горная порода разрушалась спустя 3—10 мин. Образование трещин сопровождалось звуками, которые были слышны до появления видных разломов горной породы. В неко­ торых испытаниях наблюдалось бурное отскакивание чешуек от поверхности.

Количество микроволновой энергии, поглощенной песчаником, увеличивается с увеличением насыщения его водой. Микроволновые буровые установки при наличии в скважине воды малоэффективны.

Индукционные буровые установки. При помощи магнитных полей высокой частоты можно нагревать и разрушать горные породы, имеющие высокую магнитную восприимчивость к индукционному нагреванию. Индукционное нагревание можно применять для буре­ ния расслаивающихся пород с высокой магнитной восприимчи­ востью.

Индукционное нагревание вызывается потерями гистерезиса и вихревыми потоками, образуемыми в горной породе.

Нагревание гистерезисом и вихревыми потоками пропорцио­ нально квадрату магнитной проницаемости; таким образом, индук­ ционные буровые установки будут эффективны только в горных поро­ дах с высокой магнитной чувствительностью. Потери гистерезиса преобладают в горных породах с высоким сопротивлением, тогда как вихревые потоки наиболее важны в породах" с низкой чувстви­ тельностью.

Применение индукционных буровых установок (рис. 200) ограни­ чено из-за низкого выхода мощности и низких скоростей бурения.

Химические буровые установки. Лабораторными химическими буровыми установками эффективно бурили песчаник, известняк и гранит. В этих установках используется флюорин и другие высоко­ активные химические вещества, которые вступают в реакцию с гор­ ной породой и разрушают ее. В результате этих реакций образуются безвредные продукты, выдуваемые из скважины.

Химическая буровая установка (рис. 201) на стальном канате может опускаться на дно скважины, где взрывом электродетонатора разрушаются изолирующие слои, позволяя сжатому газу продуть высокоактивное химическое вещество через катализатор. Это при­ водит к образованию химических струй, выдуваемых газом из отвер­ стий головки буровой установки, которые и разрушают породу, вступая с ней в химическую реакцию.

Применение химических буровых установок ограничено из-за высокой стоимости соединений и из-за трудностей в хранении и транс­ портировании больших количеств высокоактивных химических ве­ ществ.

Образование скважин пенетраторами непрерывного действия.

Пенетратор непрерывного действия (рис. 202) непрерывно углу­

352

бляется в горную породу, разрушая и раздвигая ее в стороны. Усилия наконечнику передаются ударным способом или статическим нагружением, для чего пенетратор раскрепляется анкерами в стенки скважины и нагружается гидравлически.

Данные испытаний на удар показывают, что для углубления пенетратора диаметром 20 см в осадочную породу средней крепости потребуется давление 900—4500 тс. Необходимость использования такого высокого давления делает применение пенетраторов непре­ рывного действия малоэффективными, за исключением образования скважин в слабых породах.

Пенетратор вокруг скважины создает зону разрушенной породы, имеющую диаметр, больший диаметра пенетратора. Это позволит использовать вначале пенетратор небольшого диаметра и расширять механическим бурением зону разрушенной породы до требуемого диаметра.

Ультразвуковые буровые установки (рис. 203) применяются для бурения твердых материалов (алмазы и керамика) и могут использо­ ваться для бурения горных пород. Эти установки используют магнитострикционные или электрострикционные сердечники для создания колебания излучателей с частотами 20—30 кГц.

Ультразвуковые установки разрушают горную породу вслед­ ствие кавитации жидкости и абразивного износа. Кавитация сначала разрушает более мягкие минералы; затем образуются микротрещины и происходит отделение более крупных частей в виде шелушения.

Под ультразвуковые инструменты обычно вводятся суспензии твер­ дых абразивов: карбида бора или карборунда. Турбулентность и ка­ витация вокруг вибрирующих излучателей притягивают частички под излучатели, где они с большой скоростью направляются к гор­ ной породе. Исследования, проведенные в Институте акустики Академии наук СССР, показывают, что главными факторами, раз­ рушающими горную породу, являются высокоскоростные удары абразивных частиц; кавитация играет вторичную роль.

Максимальная скорость разрушения ультразвуковым инстру­ ментом составляет 0,244 м/ч в драгоценных камнях и 1,2 м/ч в стекле.

Скорость бурения увеличивается с увеличением твердости абразив­ ных частиц и амплитуды вибрации излучателя. Установлено, что наилучшей промывочной жидкостью является вода, позволяющая получать скорости в три раза большие, чем смазочные масла, и в 15 раз большие, чем тонкие масла.

Вследствие низких скоростей бурения, низкого выхода мощности применение ультразвуковых буровых установок ограничено образо­ ванием отверстий малого диаметра (порядка нескольких милли­ метров) в крепких и хрупких образцах горных пород.

Искровые установки. В искровых или электрогидравлических установках используются обладающие большим запасом энергии искры для разрушения и удаления из скважин горной породы. Искры, длящиеся 21—50 мкс, вызываются высоковольтными конден­ саторами (0,1—10 мкф), заряженными до 30—70 кВ. Конденсаторы

354

разряжаются от 1 до 10 раз в секунду, вызывая пульсирующие давле­ ния, превышающие 7000 кгс/см3.

Энергия, выделяемая при образовании каждой искры (1000 кгс-м), приблизительно равна энергии взрыва 2 г тротила.

Разработана конструкция радиальной искровой установки (рис. 204), в которой искры образуются между вращающимся цен­ тральным электродом и наружным, расположенным по периферии скважины. Скорость бурения скважин диаметром 4—5 см соста­ вила 0,18 м/ч в диабазе, 0,61 м/ч в мраморе и 3 м/ч в сланце. Скорость искрообразования в этой установке составляла две искры в секунду при напряжении разряда 25—30 кВ, давая выход мощности 0,12— 0,17 кВт.

23*

357

358

3 5 9