книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

При бурении трещиноватых пород изменение скорости бурения при изменении расхода охлаждающей воды замечено не было.

Бурение пород IV и V категорий при малом расходе охлаж­ дающей воды практически невозможно, так как в этом случае стойкость элементов горелки значительно снижается вследствие сильного шлакования породы на забое скважины.

7. РАЗБУРИВАНИЕ КОТЛОВЫХ РАСШИРЕНИИ

Возможность получения котловых расширений при бурении скважин огневым способом позволяет увеличить сетку скважин и тем самым увеличить выход горной массы с 1 м скважины [47, 63, 64, 65]. В задачу исследования входило определение влияния ре­ жимных и технологических параметров работы горелки, а также конструкция соплового аппарата на диаметр котлового расши­ рения.

Выполнение этих исследований осуществлялось по следующим

сериям:

1 серия. Постоянные эксперимента — сопловой аппарат, частота вращения и скорость подачи горелки; переменные — режим работы горелки.

2 серия. Постоянные эксперимента — режим работы, частота вращения и скорость подачи горелки; переменные — сопловой ап­ парат.

3 серия. Постоянные эксперимента — режим работы горелки, сопловой аппарат; переменные — частота вращения и скорость по­ дачи горелки.

В процессе исследования было испытано четыре типа расши­ рителей:

1.Трехсопловая горелка — расширитель.

2.Двухсопловая горелка с углом наклона сопл 30°.

3.Односопловая горелка с углом наклона сопла к оси 29°.

4.Односопловая горелка с углом наклона сопла 35—40°. Пло­ щадь критического сечения сопл у всех расширителей была равна площади критического сечения промышленного трехсоплового ап­ парата.

Обработка результатов экспериментов показала, что наиболее эффективным для разбуривания скважин является односопловая горелка-расширитель с углом наклона сопла 35—40°.

При разбуривании скважин по породам I и II категорий воз­ можно использовать трехсопловую горелку, так как диаметры кот­

монолитные, гематитомагиетитовые рогови­ ки, неокисленные, сла­ ботрещиноватые

По породам остальных категорий применение односоплового расширителя для разбуривания скважин более эффективно по сравнению с трехсопловой горелкой-расширителем. При определе­ нии влияния режимных параметров работы горелки на величину котлового расширения установлено следующее.

Для пород I, II и III категорий значения коэффициента из­ бытка окислителя нужно выбирать в пределах 0,65—0,8. Для пород IV и V категорий влияние величины коэффициента избытка окис­ лителя на диаметр котлового расширения практически установить не удалось.

На величину котлового расширения влияет изменение внутрикамерного давления для пород I, II и III категорий (табл. 12).

Изучение влияния скорости разбуривания на диаметр котло­ вого расширения показало, что при обычных режимах работы го­ релки с внутрпкамерным давлением 5,88-ІО5 Н/м2 рациональное ее значение для пород I, II и III категорий находится в пределах (3,06—3,33) • 10-3 м/с. При увеличении внутрикамерного давления до 7,94-ІО5 Н/м2 скорость разбуривания возможно увеличить до 3,89 • 10_3 м/с. При разбуривании скважин в породах IV и V кате­ горий скорость подачи горелки не должна превышать 2,7810~3 м/с.

8.СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РАБОТЫ ОГНЕСТРУЙНЫХ ГОРЕЛОК

СРАЗЛИЧНЫМИ СХЕМАМИ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ОБЪЕМАМИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПО КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ

ИВЗРЫВООПАСНЫХ ГАЗОВ

Врезультате сжигания топлива в камере сгорания горелки образуются газы, количество и состав которых зависят от массы сжигаемого топлива, его химического состава, температуры и дав­ ления в камере сгорания и ее объема, а также от качества подго­ товки смеси.

Основными продуктами сгорания керосино-кислородной смеси в огнеструйной горелке являются углекислый газ, окись углерода,

3500 К), то наряду с основными химическими реакциями окисления углерода и водорода протекают и реакции диссоциации молекул углекислого газа, водяных паров и др. Вследствие этого в про­ дуктах сгорания в значительных количествах кроме СОг и НгО со­ держатся также СО, Н<>, ОН, Н и Ог. Наличие в продуктах сго­ рания свободного водорода Но и окиси углерода СО является след­ ствием высокой температуры в камере сгорания п не может быть устранено регулировкой соотношения горючего и окислителя. Это обстоятельство необходимо учитывать и при работе огневых стан­ ков, так как концентрации водорода в количестве 10—14% по объе­ му в смеси с воздухом достаточно для образования взрывоопас­ ной смеси. Это приводит к вспышке и выбросу огненного факела из скважин на высоту нескольких метров с попутным выбросом мелких частиц породы и пыли, а также к серьезным ожогам лю­ дей или к травмам их частицами породы и пыли.

Большой вред приносит наличие в продуктах сгорания окиси углерода. Выбрасываемая из скважин окись углерода не только значительно ухудшает санитарно-гигиенические условия труда ра­ бочих, занятых бурением, но также и загрязняет атмосферу всего карьера. Другие продукты сгорания керосино-кислородной смеси существенной опасности не представляют.

Таким образом, для улучшения условий труда рабочих на стан­ ках огневого бурения необходимо снизить концентрации окиси угле­ рода и свободного водорода в продуктах сгорания.

Для сравнения состава и количества газов, образующихся при сжигании керосино-кислородной смеси в горелках станков СБО

сприменением струйного и центробежного р&спыливання горючего,

атакже камеры сгорания различного объема институтом Металлургвентиляция (г. Кривой Рог) сделан анализ, некоторые резуль­ таты анализа приведены в табл. 13.

Т а б л и ц а 13

При струйном распиливании горючего концентрация окиси угле­ рода в продуктах сгорания составляет 30—38% по объему, а сво­ бодного водорода 15—20%. Применение центробежных форсунок, особенно в сочетании с камерой увеличенного объема, позволило снизить в продуктах сгорания концентрацию окиси углерода в 5— 6 раз и водорода в 2,5—3 раза.

П р и м еч а н и е. Отбор проб производился в устье скважины при следующем режиме работы горелки:

внутрикамерное давление Рк = 5,88 ■105 н/м2; коэффициент избытка окислителя ат= 0,75.

При небольшом содержании кислорода и свободного водорода в продуктах сгорания и большом количестве неактивных газов СОг и NO2, когда количество газов, вступающих в реакцию окисления,

составляет менее 25% по объему, взрыв газа, как правило, не про­ исходит, что обеспечивает большую безопасность производства бу­ ровых работ при огневом бурении скважин.

Применение режимов позволяет бурить скважины на более ра­ циональных расходных и технологических параметрах работы го­ релки, что способствует снижению расходов топливных компонен­ тов, улучшению санитарно-гигиенических условий труда рабочих и повышению эффективности процесса бурения.

Кроме того, правильное обоснование норм расхода топливных компонентов на единицу продукции с учетом конструкции горелки, ее тепловой характеристики, эксплуатационных возможностей и режима работы являются основными факторами при нормирова­ нии, планировании и проведении буровых работ.

И С С Л Е Д О В А Н И Е Р А З Д Е Л Ь Н О Й И К О М Б И Н И Р О В А Н Н О Й

Т Е Х Н О Л О Г И И О Б Р А З О В А Н И Я К О Т Л О В Ы Х Р А С Ш И Р Е Н И Й

10. ФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДЫ ПРИ ОГНЕВОМ СПОСОБЕ РАСШИРЕНИЯ СКВАЖИН

Породы в стенках скважины разрушаются под действием кон­ центрированных потоков тепловой и кинетической энергии газовых струй огнеструйной горелки. В результате подвода тепла от газо­ вого потока порода в стенках скважины находится в условиях не­ равномерного, нестационарного нагрева, при котором изменяются ее физико-механические свойства и возникают градиенты темпера­ туры, сопровождающиеся неодинаковым тепловым расширением отдельных ' частиц породы. Воздействие теплового потока газовой струи на стенки скважины при образовании котловых расширений можно свести к двум условиям.

1.При расширении скважины трехсопловой огнеструйной го­ релкой приближенно принимаем, что в стенках скважины возни­ кает асимметричное температурное поле.

2.При расширении скважины односопловой огнеструйной го­ релкой с углом наклона сопла 30—40° приближенно принимаем схему разрушения такую же, как и при воздействии газового по­ тока на плоскую пластину.

При расчетах температурных полей и температурных напряже­

ний сделано допущение, что физико-механические свойства пород остаются постоянными.

I. Рассмотрим возникновение температурных напряжений в стенках скважины (цилиндра). Для этого определим распреде­ ление температуры вокруг скважины. Решаем дифференциальное уравнение теплопроводности

при начальном и-граничном условиях в начальный момент вре­ мени r = const; температура поверхности постоянная 7’n = const на протяжении всего процесса теплообмена.

При Тп = const для полуограниченного тела [67]

т(х, D = T n - ( T „ - T no) e r f ^ y = - ,

где Т(Х' і)— температура породы на расстоянии х от поверхности скважины через время t после начала нагревания, К; Ти— тем­ пература поверхности скважины, К; Тпо— температура поверхно­ сти скважины до начала нагрева, К.

Температурное поле, определенное этим решением, с достаточ­ ной точностью совпадает с температурным полем, полученным при нагревании полуограниченного тела [48].

Рис. 24. Элемент нагрева:

а — полого цилиндра; б — плоской пластины

В последующем изложении распределение температуры прини­ мается симметричным относительно оси скважины (цилиндра) и постоянным вдоль этой оси. В этом случае деформации будут сим­ метричны относительно оси и можно будет воспользоваться мето­ дом, изложенным в работе [92].

Рассмотрим кольцо, вырезанное из цилиндра двумя перпенди­ кулярными к его оси плоскостями (рис. 24, а и б). Допускаем, чтопри деформации эти поперечные сечения остаются плоскими, если взять их на достаточном расстоянии от концов цилиндра; следо­ вательно, относительные деформации в осевом направлении будут постоянными.

При осевом перемещении ш по оси z относительные деформации

U

St-- ' r