книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения
..pdfПОВЫШЕНИЕ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕРМИЧЕСКОГО И МЕХАНИЧЕСКОГО
БУРЕНИЯ
Под общей редакцией докт. техн. наук А. Н. МОСКАЛЕВА
X
ч
\
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА»
М О С К В А 1973
Повышение эффективности термического и механи ческого бурения. М., «Недра». 1973. 184 с. Авт.: А. Н. Мос калев, В. А. Танцура, С. Я. Сологуб, В. М. Тка ченко, Е. Ю. Пигида.
В книге освещены вопросы интенсификации термического и механического способов разрушения горных пород, различных по »физико-механическим свойствам, при бурении и расширении скважин. Рассмотрены ра циональные режимы работы огнеструйных горелок для бурения скважин, раздельная и комбинированная техно логия образования котловых расширений, механизм раз рушения горных пород сверхзвуковым двухфазным по током. Определены наивыгоднейшие условия работы по родоразрушающего инструмента и даны рекомендации по повышению его прочности. Рассмотрены новые тех нические средства бурения и расширения скважин, при ведены результаты промышленных иопытаний.
Книга предназначена для инженерно-технических работников горных предприятий, научно-исследователь ских институтов и проектных организаций.
Таблиц 50, иллюстраций 70, список литературы — 106 назв.
к
У З - 3 3 + / ^ ^
(6 ) Издательство «Недра», 1973.
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
счет ввода |
в газовый поток твердой фазы; разработка средств |
и способов |
проходки труднобуримых горных пород. |
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
способа бурения. Исследования, |
выполненные в последние годы |
|
в ИГТМ АН УССР, показали, |
что этим способом |
эффективно |
можно бурить породы с коэффициентом крепости до |
12 по шкале |
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
<Рк= РэкспРтсор |
* |
(3) |
где Рэксп и Ртеор — импульс давления |
в камере сгорания, |
получен |
ный соответственно экспериментально и теоретически. |
|
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
, |
Ртеор |
Ѵк |
(4 ) |
|
n~~RTT'*K~ f ^ |
||||
|
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
G |
|
|
|
(5) |
то выражение (3) может быть приведено к следующему виду: |
|
|||
®K= _gsJ5£n-----Е ^ - . |
(6) |
|||
И к . теор |
0 Эксп |
|
||
При стендовых испытаниях горелки может быть с достаточной |
||||
степенью точности выдержан |
режим |
по |
расходу Gauen«5 GTe0p |
или |
по давлению Р к. Эн с п ~ Р к . теор- |
В первом |
случае импульсный коэф |
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
Рк. эксп |
(7 ) |
|
Рк. теор |
||
|
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
С?теор |
(8) |
|
Одксп |
||
|
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
|
(^^к)эксп |
■^п. теор |
» |
(9) |
||
|
(-^^кОтеор |
~~Л |
|
|||
|
л п. эксп |
|
|
|||
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
^теор |
А* |
|
гр |
|
|
Т1 V |
п. эксп |
|
( 10) |
|||
^ЭК'СП |
• 2 |
|
к. теор • |
|||
|
л п. теор |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
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
Яэ |
Rтеор • |
(П) |
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
■^п. эксп ^ А П' теор ■ |
(1 2 ) |
|
Тогда на основании формул (10), |
(11), (12) |
и учитывая, что |
при достаточно высокой температуре |
в камере |
сгорания ошибка |
вдопущениях будет незначительной, выражение для температуры
вкамере сгорания примет вид
* к |
тк.теор • |
(1 3 ) |
Т |
|
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:
эксп |
Т к Д . теор 1 |
(1 4 ) |
11^1 ЭКСП ■- |
K Ä x e op- |
(1 5 ) |
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: