- •Глава 5. Разрушение горных пород при вращательном способе бурения скважин
- •5.1. Разрушение горных пород буровым инструментом с резцами
- •5.1.1. Твердые сплавы и их свойства
- •5.1.2. Основные типы бурового инструмента, вооруженного твердосплавными резцами
- •5.1.3. Основы механизма разрушения горной породы инструментами режуще-скалывающего действия, вооруженных твердосплавными резцами
- •5.1.4. Основы выбора параметров режима бурения твердосплавными коронками
- •5.2. Разрушение горных пород буровым инструментом с резцами
- •5.2.1. Буровые инструменты с резцами из композиционного сверхтвердого материала
- •5.2.2. Буровые инструменты с резцами из твердых материалов
- •5.3.Разрушение горных пород алмазным буровым инструментом
- •5.3.1. Общие сведения об алмазном буровом инструменте
- •5.3.3. Механизм разрушения горной породы алмазными резцами бурового инструмента
- •5.3.4. Динамические нагрузки на алмазы в процессе разрушения горных пород
- •5.3.5. Влияние величины выпуска алмазов из матрицы
- •5.3.6. Влияние сил трения и температурный режим работы алмазного бурового инструмента
- •5.3.7. Заполирование алмазов в буровых коронках
- •5.3.8. Параметры режима алмазного бурения
- •5.3.9. Разработки в области разрушения горных пород алмазным инструментом компаний Atlas Copco и Boart Longyear
- •5.4. Разрушение горных пород шарошечными долотами
- •5.4.1. Конструкции и вооружение шарошечных долот
- •5.4.2. Основы механики разрушения горных пород шарошечными долотами
- •5.4.3. Системы очистки забоя и интенсификация процесса разрушения при бурении шарошечными долотами
- •5.4.4. Динамика работы шарошечных долот с учетом влияния бурильной колонны
- •5.4.5. Параметры режима бурения шарошечными долотами дробящее-скалывающего действия
- •Глава 6. Разрушение горных пород при вращательно-ударном, ударно-вращательном и ударном способах бурения
- •6.1. Разрушение горных пород при вращательно-ударном способе бурения
- •6.1.1. Разрушение горных пород алмазным инструментом в режиме вращательно-ударного бурения
- •6.1.2. Разрушение горных пород шарошечными долотами в режиме вращательно-ударного бурения
- •6.2.Разрушение горных пород при ударно-вращательном способе бурения
- •Глава 7. Условия кернообразования и удаление продуктов разрушения с забоя буримой скважины
- •7.1. Условия кернообразования при различных способах разрушения горных пород
- •7.2. Удаление продуктов разрушения с забоя буримой скважины
- •7.3. Особенности бурения скважин при использовании в качестве очистных агентов пен и воздуха
- •Глава 8. Взрывное разрушение
- •8.1. Понятие о взрыве
- •8.2. Механизм разрушения пород взрывом
Глава 8. Взрывное разрушение
8.1. Понятие о взрыве
Взрывные работы широко применяют в геологоразведочном деле и при добыче полезных ископаемых. Взрывным способом создают котлованы, дамбы, плотины, дороги и другие сооружения, при которых применяют взрывы на сброс или выброс. Особое место занимают взрывные работы при проведении горно-разведочных работ.
При геологоразведке взрывные работы применяют при сейсморазведке для возбуждения упругих волн, по скорости распространения которых определяют свойства горных пород, выделяют геологические структуры и наличие залежей углеводородов и других полезных ископаемых.
Взрывным способом ликвидируют аварии при бурении скважин, повышают дебит газ и нефти за счет повышения трещиноватости пластов. Взрывные работы используют при тушении пожаров.
При проведении горно-разведочных горных выработок взрыванием обеспечивается формирование канав и разрушение породы (отбойка) в забое горной выработки.
Технология разрушения горных пород взрывом существенно усовершенствовалась при появлении короткозамедленного взрывания.
Взрывные работы характеризуются высокой производительностью и экономичностью, поэтому они нашли широкое применение при проведении горно-разведочных выработок, особенно для разрушения твердых горных пород.
Впервые задача физической сущности взрыва была исследована М.В. Ломоносовым, в работе «О природе и рождении селитры» в 1748 г. Им дано определение взрыва как очень быстрого выделения значительного количества энергии и большого объема газов.
В современной интерпретации взрыв – процесс сверхзвукового физического или химического превращения взрывчатого вещества за счет прохождения по нему детонационной волны, сопровождающейся переходом потенциальной энергии этого вещества или продуктов его превращения в кинетическую [5].
Взрывчатым веществом называют смеси и химические соединения. способные под влиянием внешнего воздействия (нагрева, удара, трения) взрываться, т.е. чрезвычайно быстро превращаться в другие соединения с образованием большого количества тепла и газов.
Таким образом, взрыв, взрывчатое превращение – это быстро протекающая в веществе химическая реакция, сопровождающаяся образованием большого количества газов и значительным выделением тепла, в результате чего газы нагреваются до высокой температуры, а в месте нахождения взрывчатого вещества развивается высокое давление. Взрывчатое вещество применяют в зарядах, под которыми понимают определенную массу вещества, подготовленную к взрыву.
Скорость взрывчатого разложения внутри заряда взрывчатого вещества может быть разной и в значительной степени определяет разрушительное действие взрыва на окружающую среду.
По характеру воздействия на горную породу взрывчатые вещества делятся на две группы:
бризантные;
метательные (пороха).
Среди бризантных взрывчатых веществ в особую группу выделяют обладающие высокой чувствительностью инициирующие вещества, которые применяют в качестве средств инициирования (детонаторы).
Промышленные взрывчатые вещества предназначаются для дробления, разрушения и перемещения горных пород.
Существуют три формы химических превращений взрывчатых веществ:
- медленное химическое превращение;
- горение;
- детонация.
Медленное химическое превращение протекает при низких температурах по всему объему вещества.
При горении передача тепла от слоя к слою происходит в результате теплопроводности. Скорость горения может быть от долей сантиметра до десятков метров в секунду.
Взрыв, распространяющийся с постоянной и высокой скоростью, называют детонацией. При детонации энергия по заряду взрывчатого вещества распространяется со скоростью 2-8 тысяч в секунду.
Быстрое химическое и физическое превращение вещества сопровождается мгновенным переходом потенциальной энергии в тепловую, резким повышением давления на окружающую среду и звуковым эффектом. По своей природе взрывы делятся на:
- физические, которые приводят только к физическим преобразованиям веществ, например, беспламенное взрывание с помощью сжатого воздуха;
- химические, при которых наблюдаются быстрые химические реакции с выделением тепла;
- ядерные, в основе которых реакции деления ядер вещества с образованием новых элементов.
При взрывных работах на горных предприятиях применяют химические взрывы.
Физическая сущность детонации. Ударная волна характеризуется резким скачкообразным изменением параметров вещества – давления, плотности, температуры и скорости. Поэтому детонационная волна от ударной отличается тем, что за фронтом ударной волны идет зона химической реакции, где выделяется энергия взрывчатого превращения, часть которой расходуется на поддержание устойчивого распростра-нения детонации.
П ромежуточным между горением и детонацией является взрывное горение, которое от основных форм отличается непостоянством скорости. Формы взрывчатого превращения, в зависимости от условий, могут переходить одна в другую (горение в детонацию и наоборот). Порохам присуще сравнительно медленное разложение в форме горения, поэтому они оказывают на внешнюю среду преимущественно метательное действие.
Ударная волна, проходящая по взрывчатому веществу, сжимает и разогревает его, вызывая химическую реакцию. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла, которое трансформируется в энергию сжатых газов и передается в головную ударную волну, компенсируя потери ее энергии на сжатие вещества.
Изменение состояния взрывчатого вещества в детонационной волне и координатах р, V, где V – удельный объем или величина, обратная плотности ρ, приведено на рис.8.1.
Вещество с начальным объемом V0 и давлением р0 (точка А) сжимается в ударной волне до определенного состояния (точка М). При этом начинается химическая реакция, и давление достигает максимального значения рmax при объеме Vmin. Реакция развивается с выделением тепла и расширением продуктов взрыва, давление при этом падает, а объем увеличивается. Заканчивается реакция в точке N на ударной диабате продуктов взрыва, называемой точкой Чепмена-Жуге, с параметрами рж и Vж. При этом прямая 2 соединяет параметры состояния исходного вещества с параметрами всплеска в состоянии максимального сжатия и завершения реакции.
Вещество в денотационной волне последовательно проходит все состояния по прямой ANM. Участок AN соответствует зоне сжатия в ударной волне, участок NM – зоне химических реакций.
По гидродинамической теории детонации взрывчатое вещество характеризуется ударной адиабатой 1, а конечные продукты – адиабатой 3 [ 5 ]. Продолжительность химической реакции в детонационной волне составляет 10-6-10-7 с.
Скорость детонации Ωд, скорость движения продуктов взрыва Ωп и скорость звука в продуктах взрыва С связаны соотношением Ωд= Ωп+С.
Давление в точке N – точка Чепмена-Жуге [ 5 ] (риc. 8.1) рассчитывается по зависимости
(8.1)
где ρ0 – начальная плотность взрывчатого вещества, кг/м3.
Скорость движения продуктов взрыва рассчитывается из выражения:
(8.2)
Давление, скорость детонации и скорость движения продуктов взрыва связаны зависимостью
(8.3)
Скорость детонации находится по теплоте взрыва и показателю политропы продуктов взрыва
(8.4)
где n – показатель политропы, (n = 3 для взрывчатых веществ с плотностью 1-1,2 г/cм3);
Q – теплота взрыва, кДж/кг.