1.1.4. Физические основы термического (огневого) бурения

Термическое разрушение горной породы происходит вследствие ее интенсивного одностороннего нагревания, ведущего к большему расширению поверхностных слоев нагреваемой породы по сравнению с нижележащими. Неравномерное расширение создает механические напряжения в породе и, когда они достигают величины временного сопротивления скалыванию, происходит хрупкое разрушение. Величина напряжений в породе зависит от разности температур ее слоев, т. е. от температурного градиента.

В породах с низкой теплопроводностью отмечается более резкий перепад температур, чем в породах с более высокой теплопроводимостью. Следовательно, при прочих равных условиях температурный градиент в первом случае будет выше.

Температурный градиент зависит также от величины тепло­вого потока, т. е. количества тепла, передаваемого газовой струей в единицу времени единице поверхности горной породы.

Удельный тепловой поток q [Дж/(м²∙с)] при известном коли­честве тепла Q_п (Дж/с), сообщаемом газовыми струями в единицу времени поверхности F (м²), определяется по формуле

_{q = Qп/F.}

Величина удельного теплового потока зависит от скорости струи газов и возрастает с ее увеличением. Последнее возможно с помощью сопел Лаваля, проходя через которые струя достигает сверхзвуковой скорости. Температура газов ограничивается тер­мической стойкостью горелки.

Тепловые потоки для термического бурения создаются в ре­зультате сжигания в камере сгорания высококалорийных смесей (кислород – керосин, бензин – сжатый воздух, соляровое масло – азотная кислота, а также керосин – сжатый воздух).

Скорость термобурения зависит от петрографических осо­бенностей породы, а также от скорости подачи и частоты вращения термобура. С увеличением подачи скорость бурения сначала рас­тет, но, достигнув максимального значения, падает. С увеличением частоты вращений процесс разрушения породы, как правило, улучшается и до некоторого предела растет скорость бурения. Выше этого предела увеличение частоты вращения ведет к снижению скоро­сти бурения.

Эффективность термического бурения горных пород в пер­вую очередь определяется их склонностью к хрупкому термиче­скому разрушению и зависит от структуры, текстуры, прочност­ных, упругих и теплофизических показателей пород. Эти показате­ли определяют необходимые для разрушения породы тепловой поток и температуру. Количественно термобуримость характери­зуется показателем термобуримости П_т.б (см³/кал) и температурой разрушения Т_р (⁰С):

_{П т.б = βт Еу/(σраст Ст);}

_{Тр = 1,5 σсж (1 - γп)/(βт Еу),}

где β_т – коэффициент линейного теплового расширения породы, 1/^оС;

С_т – объемная теплоемкость породы, кал/(см³/^оС);

Е_у – модуль упругости, Па;

γ_п – коэффициент Пуассона.

1.1.5. Определение производительности буровых станков

Сменная производительность бурового станка П_см (м/смену) определяется по формуле [4]

(1.24)

или

, (1.25)

где – коэффициент использования нормативного времени смены

(ч) для бурения за вычетом вероятных простоев станка (в среднем = 0,6…0,8);

– техническая скорость бурения, в среднем = (0.75…0,8) V,

м/ч;

V – теоретическая скорость чистого бурения, м/ч;

– удельные затраты времени на чистое бурение, ч/м;

– сумма удельных затрат времени на выполнение

вспомогательных технологических операций (переезд от

скважины к скважине с учетом снятия станка с домкратов,

замена долота; наращивание бурового става и т.д.), ч/м.

Продолжительность вспомогательных операций (ч), проводимых после подъема става из скважины и до начала бурения очередной скважины, в общем виде состоит из затрат времени на:

• опускание мачты в транспортное положение (если это необходимо по технологическим соображениям) ;

• съем станка с домкратов и подъем фартука пылесборника ;

• переезд от скважины к скважине с необходимой скоростью

V_x, – t_x;

• постановку станка на домкраты на новой скважине ;

• подъем мачты из транспортного положения до нужного угла ее установки для бурения ;

• замену долота ;

• замену штанги t_ЗШ;

• подвод долота от центратора к поверхности уступа на уменьшенной скорости подачи, забуривание долота и стабилизатора на их суммарную высоту на уменьшенных скорости подачи, оборотах долота и усилии подачи, м:

_;

• наращивание става до полной глубины скважины Н, м

_{штанг по ;}

• демонтаж става после достижения заданной глубины скважины Н, м:

_{штанг по ;}

_.

Значения различны для случаев ( – проходка на долото):

• бурения в крепких породах, когда долото меняется раньше, чем закончена проходка скважины ( ):

• бурения одним долотом многих скважин ( );

• бурения одной штангой уступа глубиной Н без наращивания

( или ).

Сумма удельных затрат времени (ч/м) на выполнение вспомогательных технологических операций при бурении одной скважины глубиной Н (м) определяется по формуле

.

Время цикла бурения одной скважины (ч) – время до на­чала бурения следующей):

_.

Месячная (м/мес.) и годовая (м/год) производительности:

П_МЕС = П_СМ n; (1.26)

или , (1.27)

где п и N — соответственно среднее число рабочих смен в кален­дарном

месяце и число рабочих месяцев в году.

Сменная производительность бурового станка по обуренной горной массе (м³/смену) определяется с учетом среднего вы­хода горной массы (м³) с 1 м скважины В (м³/м):

_,

где В = W/ L; W — объем взорванной массы, м³;

L – суммарное число метров скважин, пробуренных, заряженных и

взорванных, м.

Аналогично определяются месячная и годовая производительности.