БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

действиях на породу импульсной высоконапорной струи жидкости. Величина давления струи в этом случае достигает нескольких тысяч Н/м2. Под действием импульсных струй однородная твердая порода скалывается с образованием конусообразной формы углубления. В породах, сравнительно мягких при разрушении, образуются отверстия цилиндрической формы за счет отрыва мелких частиц (рис. 1.5). Скорость импульсных струй достигает 1000 м/с.

Рис. 1.5. Схема установки для гидроимпульсного способа РГП прерывистой высоконапорной струей жидкости, получаемой при помощи механического

мультипликатора давления:

1 − поршень высокого давления; 2 − сопло; 3 − обратный клапан; 4 – поршень низкого давления жидкости; 5 − главный клапан; 6 – выпускной клапан;

7 − кулачковый клапан; 8 − гидравлический демпфер; 9 − вентиль; 10 – лубрикатор; 11 − ресивер; 12 − компрессор; 13 − блок породы

Гидроударный способ заключается в разрушении пород гидравлическим ударом струи жидкости большой силы. Реализуется этот способ разрушения разными путями: с помощью взрыва или электрического разряда в жидкости; сбрасыванием тяжелой болванки на столб жидкости, заполняющей призабойную часть скважины; созданием полостей с вакуумом и др.

Электрогидроударный способ основан на эффекте инженера П.А. Юткина. Сущность этого эффекта сводится к трансформации электрической энергии в механическую в форме гидравлического удара жидкости (рис. 1.6). Если к электродам,

21

помещенным в жидкость, подвести очень кратковременный, но достаточно мощный электрический импульс высокого напряжения, то произойдет разряд электрического тока в жидкости. В результате энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию молекул и в канале разряда резко возрастает давление. Жидкость, соприкасающаяся с каналом разряда, получает огромные радиальные ускорения, благодаря чему происходит разрыв ее толщи по пути следования разрядов с образованием вакуумной полости, которая впоследствии быстро смыкается. Этот процесс сопровождается образованием ударных волн. В результате частого действия мощных гидравлических ударов, величина которых может мгновенно достигать сотен тысяч Н/м2, происходит механическое разрушение породы, находящейся в контакте с жидкостью вблизи разряда.

Рис. 1.6. Схемы устройств для осуществления электрогидроударного способа разрушения горных пород (Л.А. Юткина):

а− электрическая схема установки:

1− повышающий трансформатор тока; 2 − кенотрон; 3 − конденсатор постоянной мощности; 4 − регулируемые разрядные промежутки; 5 − электроды; 6 − жидкость (вода), заполняющая углубление; 7 − высоковольтный разряд;

8 − блок породы; 9 − ударная волна; б − схема бурового снаряда: 1, 3 − электроды; 2 − изолятор; 4 − корпус бурового снаряда (колонковая труба); 5 − штуцер;

6 − скважина; 7 − высоковольтный разряд

22

Гидровакуумный способ разрушения пород является разновидностью гидроударного способа. Заключается он в действии гидравлических ударных волн, возникающих в жидкости, заполняющей ствол скважины, при захлопывании (смыкании) искусственно создаваемых вакуумных полостей (способ А.Н. Островского и Е.Б. Когана). С этой целью в скважину подаются специальные ампулы с хрупкой оболочкой, из которых предварительно удаляется воздух (рис. 1.7, а). Ударяясь о забой, ампулы разрушаются, происходит смыкание (захлопывание) вакуумной полости, в результате чего возникает мощный гидравлический удар (импульс высокого давления), вызывающий разрушение породы. При непосредственном контакте вакуумной полости с породой, вследствие мгновенной разгрузки поверхности забоя в зоне контакта, порода разрушается еще и под действием внутренних напряжений (горного давления) в некотором объеме. Последовательной подачей ампул на забой достигается углубка скважины. Подобное явление известно в технике и носит название кавитационной эрозии. Разрушается порода при этом способе дроблением и отрывом частиц.

Рис. 1.7. Схемы гидровакуумного РГП с применением раскалывающихся при ударе о забой ампул с вакуумом:

а − при свободном падении ампулы на забой: 1 − ствол скважины, заполненный жидкостью; 2 − вакуумная ампула со стабилизатором; 3 − зона действия гидравлического удара; б − при направленном движении ампулы: 1 − каналы движения ампул; 2 − корпус забойного устройства; 3 − ствол скважины, заполненной жидкостью; 4 − вакуумная ампула; 5 − область формирования ударной волны;

6 − зоны действия гидравлического удара

23

Группа термических способов разрушения пород

В группу термических входит большое количество разновидностей способов разрушения пород, основанных на изменении температурного режима: термодинамический, термостатический, термоэлектрический, термоэлектроиндукционный, термоэлектродуговой, термоплазменный, термогазолазерный, термо-электроннолучевой, термоядерный, огневой, термоциклический и др. [5, 6, 7].

Термодинамический способ разрушения пород осуществляется при помощи струи раскаленных газов, формирующейся в газовых горелках − термобурах

(рис. 1.8, а, б).

Рис. 1.8. Схемы работы горелки термобура:

а: 1 − бурильные трубы; 2 − канал для подачи промывочной жидкости; 3 − трубки для подачи горючего и окислителя; 4 − канал для прохода промывочной

жидкости; 5 − камера горелки; 6 − сопла термобура; 7 − продукты разрушения породы; 8 − газовые струи; 9 − зона РГП;

б: 1 − переходник; 2 − форсунка; 3 − кожух; 4 − корпус; 5 − камера сгорания; 6 − днище горелки; 7 − башмак; 8 − сопло

24

Температура газов в камере сгорания может достигать 3000 °С и более при давлении до 20…40 атм. Газовые струи вылетают из такой горелки со сверхзвуковой скоростью 1800…2000 м/с, что обеспечивает мгновенную передачу тепла породе. В результате неравномерного нагревания порода на поверхности растрескивается и происходит отслоение некоторых элементов (чешуек, пластинок и кусочков) размером до 1,5…2,5 см (процесс шелушения). Динамическое воздействие струи газов способствует отделению частиц породы, подхватываемых потоком газов и паров, движущихся вверх по стволу скважины. Разрушение породы, в зависимости от ее минералогического состава, может происходить без плавления с незначительными изменениями свойств и с плавлением и существенным видоизменением состава разрушаемой породы.

К термоэлектрическим относятся способы разрушения пород, осуществляемые с использованием электрического тока. Это, прежде всего, применение электронагревательных приборов (тэнов) различной формы. В частности, практическое применение находят снаряды с электронагревательным прибором кольцевой формы для бурения скважин в толще многолетних ледяных покровов с получением образцов льда в виде столбика цилиндрической формы (керна). На рис. 1.9 приведена принципиальная схема устройства термобурового снаряда ТБЗС-152-2М конструкции Ленинградского горного института.

Нагревание пород может происходить также в высокочастотном электрическом поле, создаваемом с помощью магнетона, что вызывает в породе разрушающие напряжения за счет увеличения размеров отдельных минералов, способных поглощать электромагнитную энергию (рис. 1.10, а). При этом создается ультравысокочастотное электрическое поле с частотой 1000…3000 МГц. Разрушение породы в этом случае происходит с поверхности, так как интенсивность нагрева быстро уменьшается с увеличением глубины. При этом от породы отделяются тонкие пластинки.

Кроме того, прочность пород в этом процессе уменьшается еще и за счет расплавления, испарения и выгорания некоторых минералов с образованием газов и пара внутри породы. Предполагается, что нагрев может происходить в породах не только с плохой проводимостью тока (диэлектрических) за счет образования вихревых токов (токи Фуко), но и в породах, обладающих проводимостью.

Термоэлектроиндукционный способ разрушения осуществляется при воздействии электромагнитного поля на породу, обладающую высокой магнитной чувствительностью к индукционному нагреванию. За счет неравномерного расширения отдельных минералов при этом также возникают напряжения, превышающие прочность породы, и она разрушается (дробление глыб).

Для разрушения породы в институте горного дела АН применялся генератор ПГПЗ-60 с колебательной мощностью 60 КВт при частоте 240 КГц. Магнитное поле создавалось одновитковым индуктором, накладываемым на породу с небольшим зазором (рис. 1.10, б). При этом нагревалась только часть породы, находящаяся вблизи витка с током в его контуре, на глубину 6…8 см. В результате этого процесса происходит раскалывание породы на куски или уменьшение ее прочности после некоторого времени облучения (50…840 с).

Разрушение пород электрическим полем конденсатора. Этот способ заклю-

чается в том, что к пластинам конденсатора, лежащим на поверхности образца породы, подводится напряжение (6…14 КВт) высокой частоты (до 50 МГц), как пока-

25

зано на схеме (рис. 1.11). Через некоторое время в слоистых породах появляются быстро увеличивающиеся трещины, главным образом, по плоскостям наслоения. При разрушении породы, находящейся в зажиме, от нее отделяются слои толщиной 1…8 см. Толщина их тем больше, чем выше скорость высокочастотного нагрева по сравнению с распространением тепла в породе.

а

Рис. 1.9. Термический способ разрушения горной породы (а):

1 – термобур; 2 – блок породы (льда);

схема снаряда для теплового бурения скважин (б):

1 – коронка-нагреватель; 2, 8, 11 – датчики температуры;

3– керновательное устройство;

4– колонковая труба; 5, 12 – переходники; 6, 9 – обогреваемые водоподъемные трубки;

7– водосборный бак; 10, 13 – датчики максимального уровня воды в водосборном баке

ипроизводительности насоса; 14 – насос;

15– датчик нагрузки на забой;

16– электроотсек; 17 – кабельный замок;

26

В монолитных породах по истечении 60…80 с воздействия высокочастотного поля наблюдается уменьшение прочности без видимого нарушения сплошности. В массивных породах с однородной структурой разрушение происходит так же, как и при взрыве ВВ.

Рис. 1.10. Принципиальные схемы разрушения горных пород:

а − в ультравысоком переменном электрическом поле: 1 − магнетон; 2 − волновод; 3 − блок породы; б − в электромагнитном поле: 1 − индуктор;

2 − изоляционная прокладка; 3 − блок породы

Рис. 1.11. Принципиальная схема разрушения горных пород в быстропеременном электромагнитном поле под пластинами конденсатора:

1 − конденсатор; 2 − изоляционная прокладка; 3 − блок горной породы

27

Установлено, что эффективность разрушения пород тем выше, чем прочнее порода. В подземных условиях она также увеличивается, так как порода находится в напряженном состоянии из-за действия горного давления.

Термоэлектродуговой способ заключается в том, что порода нагревается с помощью электрической дуги и плавится. Так, в электродуговом снаряде, разработанном в России (Л.А. Верте), электрическая дуга 2 (рис. 1.12, а) возникает между центральным электродом 4 и кожухом 5, между которыми расположен изолятор 1. Возникающей высокотемпературной электрической дугой порода плавится при непрерывной подаче бурового снаряда.

Рис. 1.12. Принципиальная схема реализации термических способов разрушения пород:

а − термоэлектродугового: 1 − изолятор; 2 − электрическая дуга; 3 − расплавленная порода; 4 − электрод;

5 − кожух; б − термоплазменного: 1 −кольцевой катод; 2 − корпус; 3 − подвод охлаждающего агента; 4 − анод; 5 − источник постоянного тока; 6 – плазменная струя

Термоплазменный способ разрушения пород осуществляется с помощью газов сверхвысокой температуры или плазмой. Разрушение пород происходит за счет плавления породообразующих минералов. Нагревание газов до сверхвысокой температуры возможно при электрическом разряде, что вызывает их ионизацию. Ионизируясь, газ переходит в особое состояние − плазму (рис. 1.12, б). Такая высокотемпературная плазма способна расплавлять и испарять породы.

При термоплазменном способе на забое скважины в специальной газоразрядной камере (рис. 1.12, б) осуществляются электрические разряды, позволяющие получить высокотемпературную плазму (8000…17000 °С), струя которой движется со сверхзвуковой скоростью (5000…6000 м/с). При этом происходит не только плавление и испарение породообразующих минералов, но и возникают термические напряжения, вызывающие растрескивание породы и отслоение частиц. Продукты раз-

28

рушения удаляются промывкой, потоком пара и газа, выделяющегося при плавлении породы.

В режиме горения при определенных условиях могут работать и термодинамические горелки. В этом случае разрушение породы также будет происходить за счет плавления, испарения и выгорания отдельных минералов.

Термогазолазерный способ разрушения пород с помощью луча лазера является весьма перспективным. Температура, достигаемая в пульсирующем пучке лучей света рубинового лазера, как показывают исследования, может превышать почти в 20 раз температуру солнца, а сконцентрированная на площади 1 см2 энергия достигает 1 млн Вт.

Термоэлектронно-лучевой способ раз-

рушения породы заключается в плавлении любой горной породы с помощью электронных лучей при концентрации энергии до 1,54 × 109 Вт/см2 [2]. На рис. 1.13 приведена схема электронно-лучевого бурового снаряда. Таким снарядом осуществлялось получение отверстий при напряжении 25 кВ, силе тока 0,4 А, с выходной мощностью до 16,4 кВт. Диаметр луча (пучка) 3,17 мм. Катод нагревался до 2000 °С, вакуум в лучевой трубке достигал 0,001 мм рт. ст.

Рис. 1.13. Принципиальная схема устройства бурового снаряда при термоэлектронном способе РГП:

1 − электрические кабели; 2 − анод;

3 − вакуумная полость; 4 − катушка отклонителя; 5 – уплотнение;

6 − трубопровод для подачи промывочной жидкости; 7 − катод; 8 − фокусная решетка;

9 − фокусная линза; 10 − расширитель;

11 − электронный луч (пучок)

Термоядерный способ. Делаются попытки использовать для разрушения пород процесс расщепления водорода, тепло ядерного распада и др. физические процессы. Разрушение пород при этом происходит за счет действия сверхвысокой температуры – плавлением, испарением, сжиганием с погружением автономного атомного снаряда в толщу горных пород.

Снаряд состоит из трех основных частей: цилиндрического корпуса, внутри которого размещается реактор, концевой части с балластом, устройства освобождения от нее и головной части, играющей роль поплавка, обеспечивающего вертикальное положение снаряда в расплавленной породе в процессе бурения и его продвижения. По мере необходимости атомный снаряд может «всплыть» с помощью поплавка на поверхность земли, для чего он освобождается от балласта [4].

29

Огневой способ разрушения пород осуществляется при их нагревании пламенем до температуры плавления, испарения или горения. При этом используются кислородное копье, термит и другие средства.

Разрушение пород может осуществляться кислородным копьем. При этом в кислородной среде сжигается железо (трубка, проволока, стружа) аналогично процессу газовой (кислородной) резки металлов. Процесс РГП заключается в расплавлении, сжигании и испарении минералов. Продукт расплава выбрасывается струей газов и паров. Эффективность такого способа РГП существенно превышает механические способы бурения (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Графики зависимости скорости бурения от крепости пород f (по Протодьяконову):

1, 2 − пневмоударниками КЦМ и ПА-23; 3 − кислородным копьем

Разрушение пород термитом происходит при сжигании на забое смеси порошков алюминия и железной окалины. Под действием выделяемого тепла порода нагревается и плавится. Практически этот способ применяется только для дробления глыб крепких пород. При быстром нагревании породы в значительном объеме глыбы возникают напряжения, превышающие прочность породы, и она раскалывается.

В табл. 1.4 приводятся некоторые технико-экономические показатели бурения различных пород кислородным копьем.

30