книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

и пользуясь выражениями (36) и (39), получаем

Если закон распределения температуры по толщине стенки скважины известен, то можно раскрыть интегралы выражений (40), (41) il (42) и получить az, сй, о,- для каждого частного случая.

Когда стенки скважины имеют температуру TR на внутренней поверхности н температуру, равную нулю, на наружной, то закон распространения температуры

(43)

ln —

Г\

Подставив значения Т из формулы (43) в (40), (41) и (42), получим

Расчеты показали, что окружные напряжения оt, например, же­ лезистых кварцитов в области зоны нагрева являются сжимаю­ щими (до —5000- ІО5 Н/м2), а за пределами этой зоны растяги­ вающими (до 4800 -ІО5 Н/м2). Радиальные напряжения а,- и на­ пряжения параллельно оси скважины az являются сжимающими

исоответственно достигают — 108ІО5 и —5005- ІО5 Н/м2.

II. На основании решения уравнения теплопроводности и тео­ рии упругости определим поля температур и напряжений в породе, подвергшейся действию высокотемпературной газовой струи. На основе решения дифференциальных уравнений [10, 48] при гранич­

ных условиях

поле температур может быть получено в виде хорошо сходящегося ряда

Вприведенных уравнениях приняты следующие обозначения:

Т— температура в точке с координатой х, отсчитанная от перво­ начальной температуры тела, К; t — время нагрева, с; а — коэффи­ циент теплоотдачи от струи к поверхности тела, Вт/(м2-К); Я,— коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); L — критическая тол­

Тг и Ти— температура соответственно газового потока и поверхно­

Элементы поверхности, подверженной воздействию высокотем­ пературной высокоскоростной газовой струи, находятся в сложно­ напряженном состоянии. Самые большие по величине напряжения сжатия возникают на поверхности. По мере удаления от поверхности

эти напряжения резко убывают, переходят в напряжения рас­ тяжения, максимальные значения которых в несколько раз меньше значении напряжений сжатия на поверхности, затем и эти напря­ жения уменьшаются, переходят опять в малые напряжения сжа­ тия.

Таким образом, решение задачи о термических напряжениях с известным приближением отражает реальный физический про­ цесс, протекающий при огневом расширении скважины.

И. ВЫБОР ГОРЕЛКИ-РАСШИРИТЕЛЯ И ЕЕ РЕЖИМА РАБОТЫ

При проведении экспериментов по расширению скважин было испытано два типа расширителей:

1. Трехсопловой расширитель (промышленный) с углом на­ клона сопл 8, 12 и 20°.

2. Односопловой расширитель с углом наклона сопла 35—40°. Выбор этого расширителя обоснован исследованиями, приведен­ ными в работах [19, 64, 65].

Расширители испытывали на хорошо и средне термобуримых породах. Образование котловых расширений производилось по раз­ дельным технологическим операциям (бурение скважин огневым способом, охлаждение скважины, расширение скважины огневым

Из табл. 15 видно, что эффективность образования котловых расширений односопловым расширителем выше, чем трехсопловьш. Исходя из этого дальнейшие исследовательские работы по расши­ рению скважин проводились с применением расширителя с углом наклона сопла 30—40°.

В процессе экспериментов выявлялось влияние коэффициента избытка окислителя и внутрикамерного давления на величину диа­ метра котлового расширения. Были установлены рациональные значения коэффициента избытка окислителя. Для хорошо и средне термобуримых пород значения коэффициента избытка окислителя находятся в пределах 0,7—0,8. Для плохо термобуримых пород

влияние коэффициента избытка окислителя ат= 0,7— 1,2 на ве­ личину котлового расширения практически заметить не удалось.

Значительное влияние на величину диаметра котлового расши­ рения для хорошо термобуримых пород оказывает изменение внутрнкамерного давления. Повышение внутрикамерного давления от 5,886-ІО5 до 7,947-ІО5 Н/м2 для хорошо термобуримых пород (табл. 16) дает увеличение диаметра котлового расширения на 5—6%, а для средней буримости пород — на 3—4%.

Увеличение внутрикамерного давления до 7,947 ■ІО5 Н/м2 позво­ ляет увеличить скорость подачи горелки при расширении сква­ жин в хорошо буримых и средней буримости породах до 3,89 X ХІО-3 м/с, при этом величина диаметра котлового расширения не изменяется.

Изучение влияния скорости разбуривания на величину котло­ вого расширения показало, что при обычных режимах работы ра­ циональные значения скорости разбуривания находятся в преде­ лах (3,33 — 3,89) • ІО-3 м/с.

12. Р А З Д Е Л Ь Н А Я Т Е Х Н О Л О Г И Я 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 НА Ж Е Л Е З О Р У Д Н Ы Х К А Р Ь Е Р А Х

В настоящее время большой объем буровых работ на железо­ рудных карьерах Кривбасса выполняется станками огневого бу­ рения СБО.

Станки СБО используют при бурении и расширении скважин в горных породах с коэффициентом крепости / = 1 4 — 20. При при­ менявшейся технологии бурения и расширения скважин обе техно­ логические операции выполнялись одной и той же огнеструйной горелкой последовательно и без перерыва [70, 102, 103]. По окон­ чании бурения скважины на полную глубину машинист станка при­ ступает к операции расширения скважины, которая производится при движении огнеструйной горелки от дна скважины снизу вверх на высоту 10 м.

Преимуществом такой последовательности технологических опе­ раций (совмещенных) бурения и расширения скважины является

Бурение и расширение скважин производилось по среднебурнмым породам (карбонатно-магнетитовые роговики) на горизонте

— 15 м.

При бурении и расширении скважин на блоках по раздельной технологии производилось также бурение и расширение ряда кон­ трольных скважин по совмещенным технологическим операциям.

В табл. 17 даны средние диаметры котловых расширений, по­ лученные по совмещенным и раздельным технологическим опера­ циям.

Таблица 17

При применении раздельной технологии средний диаметр кот­ ловых расширений значительно возрастает, что позволяет расши­ рить сетку скважин и тем самым увеличить выход горной массы

с1 м скважины.

Втабл. 18 приведены сравнительные показатели обуривания блоков карбонатно-магнетитовых роговиков карьера ЮГОК на горизонте — 15 м по совмещенным и раздельным технологическим операциям.

имеет место при диаметре скважин (200—220) • 103 м с последую­ щим расширением их огнеструйными горелками.

На карьере ИНГОК исследования комбинированной техноло­ гии образования котловых расширений производились на двух ти­ пах горных пород. На горизонте —30 м по карбонатно-магнетито- вым и магнетито-силикатным роговикам с коэффициентом крепо­ сти / = 1 4 — 16 было пробурено шарошечными станками СБШ-250 и подвергнуто расширению станками СБО 100 скважин диамет­ ром 250 • 10_3 м.

Диаметры котловых расширений были получены в пределах (350 — 365) • 10_3 м. Этим диаметры позволяют изменить сетку скважин с 6X7 на 8x8,5 м, в результате чего выход горной массы значительно увеличивается.

Некоторые результаты применения комбинированной техноло­

Применение комбинированной технологии образования котло­ вых расширений на железорудных карьерах позволяет сократить объем бурения шарошечными станками, расширить область огне­ вого бурения и повысить эффективность буровзрывных работ.

Р А З Р У Ш Е Н И Е Г О Р Н Ы Х П О Р О Д С В Е Р Х З В У К О В Ы М

Д В У Х Ф А З Н Ы М П О Т О К О М

14. МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ СВЕРХЗВУКОВЫМ ДВУХФАЗНЫМ п о т о к о м

Процессы, происходящие при взаимодействии двухфазного по­ тока с разрушаемой поверхностью. При взаимодействии сверхзву­ кового двухфазного потока с поверхностью породы последняя раз­ рушается в результате возникновения в поверхностном слое терми­ ческих напряжений, обусловленных одновременным воздействием газовой и твердой фаз. При этом изменяются механизм передачи тепла на границе газ—порода и механизм разрушения горной по­ роды, что приводит к повышению эффективности ее разрушения.

Механизм термического разрушения крепких горных пород яв­ ляется предметом многочисленных исследований [10, 11, 27]. Ра­ ботами коллективов ученых МГИ, КазПТИ, МВТУ им. Баумана установлены основные закономерности качественной стороны ме­ ханизма термического разрушения горных пород (роль градиентов температуры, характер напряженного состояния, влияние тепло­ физических свойств, структуры и текстуры пород и др.). В работах [9, 13] предложен ряд методов, позволяющих получить прибли­ женные значения потребных тепловых потоков.

При термическом и термомеханическом способах разрушения крепких горных пород имеет место низкое использование тепловой энергии, которой располагают газовые струи термоинструментов. Особо низкое теплонспользование наблюдается при термическом бурении скважин. Оно, как правило, осуществляется при воздейст­ вии газовых струй на породу с наличием прямых скачков уплот­ нения перед разрушаемой поверхностью. За фронтом прямого скачка происходит растекание струи в радиальном направлении.

Кривизна фронта прямого скачка уплотнения зависит от рас­ хода газа через сопло, с увеличением которого длина криволиней­ ного участка прямого скачка увеличивается. В радиальном направ­ лении, от центра пятна растекания, происходит увеличение рас­ стояния от разрушаемой поверхности до фронта скачка (рис. 25).

При движении газа вдоль разрушаемой поверхности ввиду больших скоростей образуется всегда турбулентный пограничный слой, в пределах которого скорость потока уменьшается от значе­ ния, равного скорости свободного потока, до нуля. Однако из тео­ рии пограничного слоя известно, что в области, непосредственно