Основные способы разрушения горных пород. Электроимпульсный способ разрушения и бурение взрывных скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и высшей науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ М.К. АММОСОВА»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра горного дела по направлению 21.05.04 «Горные

машины и оборудования»

ДОКЛАД

на тему: «Основные способы разрушения горных пород. Электроимпульсный способ разрушения и бурение взрывных скважин»

Выполнил студент 4 курса, группы ГМ-18

ГИ СВФУ Колесов Максим Семенович

Руководитель: Бочкарев Ю.С.

Якутск, 2022

Содержание

Введение

Основные способы разрушения горных пород

Электроимпульсный способ разрушения горных пород и бурение взрывных скважин

Технология бурения скважин

Вероятность внедрения канала разряда в горную породу

Исследование эффективности разрушения горных пород

Частота посылки импульсов на забой

Заключение

Список литературы

разрушение горный скважина

Введение

Разрушение горных пород - нарушение сплошности природных структур горных пород (минеральных агрегатов, массивов горных пород) под действием естественных и искусственных сил. Разрушение -- сложный физический или физико-химический процесс, характер развития которого зависит от величины и скорости приложения нагрузки, напряженного состояния объекта, его прочности и структурных свойств. В соответствии с этим разрушение может протекать на микро- и макроскопическом уровнях. Микроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения до 1 мм) возникает в месте контакта разрушающего элемента с породой и сопровождается разрывом связей между зёрнами или нарушением химических связей в кристалле, микротрещинами, сдвигом вдоль поверхностей скольжения. Макроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения 1 см и более) характеризуется развитием одной или многих трещин, нарушающих сплошность массивов в значительных объёмах. Во всех случаях разрушение начинается с процесса на микроскопическом уровне, при определённых условиях приобретающего макроскопические масштабы.

Поверхностный слой горной породы в процессе продвижения забоя приобретает определенные нарушения целостности (развивается система микро- и макротрещин). Изломанная поверхность горной породы на забое скважины увеличивает длину пути поверхностного разряда, что, в свою очередь, должно привести к повышению вероятности внедрения канала разряда в горную породу.

Таким образом, закономерности разрушения горных пород на забое скважины существенно отличаются от аналогичных зависимостей, полученных ранее при экспериментальных исследованиях одноимпульсного разрушения плоских образцов.

Основные способы разрушения горных пород

В настоящее время известны механические, физико-химические, термические, термомеханические и др. способы разрушения горных пород (способы бурения) - всего несколько десятков. При механических способах в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. При термических способах разрушение пород происходит за счет возникновения в них термических напряжений и различного рода эффектов (дегидратация, диссоциация, плавление, испарение и т. д.). При термомеханических способах тепловое воздействие осуществляется целенаправленно для предварительного снижения сопротивляемости породы последующему механическому разрушению. Химические (физико-химические) способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества.

При механическом способе разрушения в породе создаются очень значительные местные напряжения, приводящие к ее разрушению. При бурении породы разрушаются в основном за счет сжатия и скалывания.

Механический способ бурения представлен двумя главнейшими видами: ударным и вращательным бурением. При ударном бурении порода разрушается под действием ударов буровыми клиновыми наконечниками, называемыми долотами; при вращательном бурении порода срезается или раздавливается и истирается в забое специальными режущими и дробящими долотами или резцами коронок.

Ударное бурение, в свою очередь, разделяется на штанговое и канатное. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие металлическими стержнями - штангами, во втором случае - канатом.

Ударное бурение на штангах может производиться с промывкой забоя скважины или без промывки. Разрушение породы при ударном бурении осуществляется по всей площади поперечного сечения скважины; такой способ бурения называется бурением сплошным забоем.

При механическом вращательном бурении резанием к породоразрушающему инструменту (алмазные, твердосплавные коронки, долота) прикладывают крутящий момент и усилие подачи. Мощность, передаваемая породоразрушающему инструменту, возрастает с увеличением частоты вращения бурового снаряда, осевой нагрузки и сопротивления породы разрушению. Граничными условиями являются: прочность коронок, колонковых и бурильных труб, с одной стороны, и физико-механические свойства пород - с другой.

При бурении резанием с наложением ударов (ударно-вращательное бурение) к породоразрушающему инструменту приложены усилие подачи, крутящий момент и ударные импульсы определенной частоты и силы. При создании колебаний породоразрушающего инструмента породе передается дополнительная удельная энергия, а процесс разрушения породы сопровождается образованием более крупных частиц, что приводит к уменьшению энергоемкости процесса. Изменяя частоту и силу ударов, статическое усилие подачи и окружную скорость, можно в широком диапазоне менять характер воздействия резцов на породу. Для создания ударных импульсов могут быть использованы устройства, работающие в инфразвуковом (<20 Гц), звуковом (20-20 000 Гц) и ультразвуковом (>20 000 Гц) диапазонах частот.

Ударные нагрузки возникают при бурении шарошечными долотами (бурение дроблением и скалыванием). Генераторами инфразвуковых колебаний в настоящее время являются гидроударные и пневмоударные машины. Звуковые и ультразвуковые колебания инструмента создаются магнитострикторами и орбитальными осцилляторами, а также высокочастотными гидроударными машинами.

Бездолотные способы разрушения горных пород связаны с использованием энергии взрыва (взрывное бурение), кавитационной эрозии (имплозионное бурение), энергии удара стальных шариков о породу (шароструйное бурение), энергии струи жидкости (гидромониторное и гидроэрозионное бурение).

При взрывном бурении компоненты, образующие взрывчатую смесь, в капсулах доставляются на забой, где при ударе происходит их смешение. Они могут подаваться на забой и раздельно по трубопроводам; там они смешиваются и взрываются.

При электрогидравлическом бурении электрический разряд в жидкости образует кавитационные полости, при заполнении которых происходит гидравлический удар, или проходит непосредственно через породу благодаря заполнению скважины диэлектрической жидкостью.

При имплозионном бурении в скважину подают герметически закрытые капсулы, из которых предварительно удален воздух. В момент разбивания капсул о забой происходит интенсивное смыкание вакуумной полости. Жидкость, окружающая вакуумную полость, под воздействием гидростатического давления приобретает большую скорость, и порода разрушается под действием импульсов высоких давлений.

Гидромониторное и гидроэрозионное бурение. Энергия высоконапорных струй жидкости может использоваться для разрушения породы в комбинации с резцовыми или шарошечными долотами или самостоятельно. Добавление в рабочую жидкость абразивных частиц повышает эффективность разрушения породы при тех же давлениях. При соответствующей конструкции гидромониторных насадок можно получить эффект кавитации струи промывочной жидкости непосредственно на забое скважины.

Электроимпульсный способ разрушения горных пород и бурение взрывных скважин

Одним из самых перспективных оказался электроимпульсный (ЭИ) метод разрушения материалов, сущность которого заключается в разрушающем действии электрических импульсных разрядов в твердых непроводящих и полупроводящих телах.

Теоретическое обоснование и лабораторные исследования ЭИ способа управляемого разрушения твердых диэлектриков и полупроводников, к числу которых по своим электрофизическим свойствам относятся большинство горных пород, дано Воробьевым А.А., Воробьевым Г.А., Чепиковым А.Т. и др.

В основу способа положено установленное в Томском политехническом институте явление превышения электрической прочности жидких диэлектриков над электрической прочностью твердых диэлектриков при малых временах воздействия импульсных напряжений порядка 10-6с и менее. [6,7,9,20]. Российская академия естественных наук и Международная ассоциация авторов научных открытий зарегистрировала в 1999г. открытие "Закономерность пробоя твердого диэлектрика на разделе с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения" с приоритетом от 14 декабря 1961 г. (авторы - Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Чепиков А.Т.).

При исследованиях электрической прочности жидких и твердых диэлектриков было установлено, с уменьшением времени экспозиции импульсного напряжения прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем для твердых диэлектриков.

При экспозиции напряжения менее 10-6с электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды возрастает настолько, что становится выше прочности твердых диэлектриков и горных пород. Сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя на фронте косоугольного импульса напряжения для горной породы, трансформаторного масла и технической воды (в системе "острие-плоскость").

Технология бурения скважин

В самой сущности способа заложена возможность достижения более высокой в сравнении с механическими способами эффективности разрушения с низкими энергетическими затратами. При ЭИ разрушении механизм формирования в материале разрушающего поля напряжений аналогичен разрушению с помощью ВВ. Источник нагружения (канал разряда) находится в твердом теле, разрушение которого происходит за счет усилий растяжения. Учитывая, что прочность материалов на растяжение ниже в 3 - 10 раз, чем на сжатие, эффективность данного способа по сравнению с механическими способами должна пропорционально возрастать. Динамический характер нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала без потерь энергии на пластическую деформацию. По сравнению с использованием взрывчатых веществ ЭИ способ имеет то преимущество, что усилия, создаваемые в канале разряда, обеспечиваются подводом энергии от внешнего емкостного накопителя, и могут регулироваться по величине и во времени воздействия, что позволяет оптимизировать процесс разрушения в зависимости от физико-механических свойств горной породы. При этом энергозатраты на разрушение при электроимпульсном бурении скважин резко снижаются, так как разрушение происходит крупным сколом.

Эффективность электроимпульсного разрушения пород определяется в основном их электрофизическими, а не прочностными свойствами, а поэтому становится особенно высокой в сравнении с механическими способами разрушения по крепким и особо прочным породам. Между тем, электрическая и механической прочностью пород взаимосвязаны, хотя по электрической прочности горные пород отличаются не столь значительно, как по механической. На основании этого можно говорить о малой зависимости эффективности электроимпульсного бурения от крепости горных пород. Были проведены исследования и составлена предварительная классификация пород по их электрической прочности.

Вероятность внедрения канала разряда в горную породу

Как выше отмечено, в предпробивной стадии в горной породе под действием приложенного напряжения образуется токопроводящий канал, вероятность образования которого в горной породе зависит от ряда факторов, основными из которых являются: искажение электрического поля при различных диэлектрических проницаемостях твердых тел и жидких сред; влияние ёмкостных токов, протекающих на поверхности твёрдого диэлектрика; свойства поверхности твёрдого диэлектрика, которые способствуют сосредоточению на ней газовых пузырьков, влаги и т.д. Указанные факторы могут оказывать существенное влияние на вероятность пробоя Ш горной породы в её параллельной комбинации с жидкой средой.

При изменении времени запаздывания разряда tз от 0,013 · 10-6с до 10-6с вероятность внедрения разряда во все исследованные породы, постепенно повышаясь, достигает оптимума. Затем происходит снижение Ш. Поэтому некоторое снижение вероятности внедрения разряда при уменьшении tз, по-видимому, может быть объяснено сближением пробивных напряжений горных пород с напряжениями перекрытия по поверхности образца при увеличении перенапряжения, что отмечено при исследовании пробоя и перекрытия твердых диэлектриков в различных жидкостях при tз < 10-7с. Это связано, по-видимому, с тем, что началу ионизации в твёрдом диэлектрике предшествует ионизация в жидкости по поверхности образца [19], а процесс формирования разряда носит толчкообразный характер. Развитие в образце горной породы ионизационного процесса, появившегося позднее, чем в жидкости, зависит от скорости развивающегося поверхностного разряда. При относительно высокой скорости развития канала поверхностного разряда (область tз < 10-7с) сокращается длительность пауз между толчками и повышается вероятность блокировки поверхностным разрядом ионизационных процессов в горной породе, т.к. поверхностный разряд, в основном, развивается между электродами по кратчайшему расстоянию вследствие высокой напряженности поля в этом направлении. Следовательно, развитие ионизации в горной породе может происходить только во время пауз между толчками, когда скорость поверхностного разряда мала. Но в момент толчка ионизация в горной породе блокируется в связи с тем, что область наивысших напряженностей выносится на головку скользящего разряда в направлении к противоположному электроду.

Исследование эффективности разрушения горных пород

Выбор оптимальных параметров и формы импульса напряжения и энергетических характеристик канала пробоя сопровождается повышением эффективности разрушения горных пород, имеющих различные физико-механические и электрофизические свойства.

Представляет большой научный и практический интерес исследование влияния различных факторов на эффективность электроимпульсного разрушения, а именно: изменения доли энергии, выделившейся в начале пробоя и перешедшей в энергию ударных волн, время поступления энергии в накал пробоя, изменение межэлектродного расстояния, свойства горных пород и т.д.

Повышение объемной производительности импульса напряжения с увеличением межэлектродного промежутка сопровождается значительным снижением удельной энергоёмкости процесса. Так, при увеличении S в 3 раза (от 10 до 30 мм) для песчаника, гранита и мрамора объёмная производительность повысилась в 20 - 25 раз при снижении энергозатрат в 6 - 8 раз.

Повышение эффективности разрушения горных пород при использовании ПИНФ по сравнению с косоугольной волной напряжения может быть объяснено при рассмотрении характера выделения энергии в канале разряда и влиянием его на образование ударной волны в толще горной породы.

Процесс разрушения горных пород электрическими импульсными разрядами, по аналогии со взрывным разрушением, характеризуется отрывом некоторого объёма горной породы от массива под действием растягивающих напряжений.

При введении энергии в канал пробоя часть её расходуется на пластические деформации в зоне, равной двум - трём радиусам канала , а значительная часть переходит в энергию ударной волны. В зоне, прилегающей к каналу пробоя, ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью, а за пределами этой зоны она переходит в волну сжатия, распространяющуюся в массиве со звуковой скоростью. Под действием волны сжатия (прямой волны) в горной породе возникают и развиваются радиальные трещины за счет тангенциальных растягивающих усилий. При достижении волной сжатия границы раздела горной породы и жидкой среды частицы горной породы, имеющие слабую преграду, начинают свободно распространяться в сторону границы раздела, вовлекая в этот процесс всё более отдаленные от поверхности горной породы участки среды. В массиве горной породы при этом распространяются отраженные волны напряжения, напряжения которых по знаку противоположны напряжению прямой волны.

Ранее нами отмечалось, что параметры ударной волны пропорциональны скорости нарастания мощности в канале пробоя Pф ? dN/dt. Следовательно, эффективность разрушения горных пород, находящаяся в прямой связи с параметрами ударной волны, может быть существенно повышена при увеличении Pф за счет увеличения скорости нарастания мощности в канале пробоя.

Для качественной оценки величины напряжений, возникающих в горной породе при воздействии ПИНФ, нами выполнены экспериментальные исследования по определению энергетических характеристик накала пробоя и проведено сравнение с подобными данными, полученными при использовании косоугольных импульсов напряжения.

Частота посылки импульсов

Частота посылки импульсов f, как один из основных факторов, определяющих производительность ЭИ бурения (с повышением частоты следования импульсов практически пропорционально повышается механическая скорость бурения), может быть повышена только до определенного предела, выше которого произойдет резкое снижение вероятности внедрения разряда в горную породу. Это вызвано тем, что жидкая среда не успевает восстанавливать свою электрическую прочность в интервале времени между двумя последующими импульсами. Из условий деионизации жидкой среды частота f может достигать 103 имп/с. Однако деионизация не означает еще полного восстановления прочности жидкой среды в межэлектродном промежутке, так как наличие в нем паро-газовой полости и продуктов разрушения горных пород значительно снижает пробивное напряжение в промежутке и происходит либо перекрытие промежутка по поверхности, либо пробой жидкой среды, а не горной породы.

Частота посылки импульсов на забой определяется условиями промывки забоя скважины для очистки призабойной зоны от образующегося шлама и газовых микровключений. В отличие от бурения механическими способами промывка скважин, кроме удаления шлама с забоя, имеет дополнительную функцию - обеспечить присутствие и сплошность жидкости в приэлектродном пространстве. Электрический разряд в промежутке, даже если имеет место внедрение разряда в твердое тело, сопровождается образованием газовых микровключений за счет испарения и разложения жидкости, контактирующей с каналом разряда. Если за время между разрядами газовые включения не успевают удаляться из межэлектродного промежутка, то резко увеличивается вероятность пробоя в жидкости по газовым включениям с прекращением процесса разрушения материала. Практика показывает, что процесс электроимпульсного разрушения идет нормально, пока интенсивность промывки обеспечивает не менее чем 1,5-кратный обмен жидкости в призабойной области между импульсами.

О многоимпульсной прочности и эффективности разрушения горных пород

Экспериментальные исследования электрической прочности горных пород, эффективности их разрушения проводятся при однократном воздействии импульса напряжения (Малахов В.С., Кленин Ш.Т, Брылин В.И. и др.). При этом система электродов устанавливается на поверхности плоского образца, который вырезают из монолита горной породы обычно алмазными фрезами, в результате чего поверхность образцов является практически шлифованной.

При электроимпульсном бурении забой скважины может быть представлен в подобном виде лишь в начальный момент бурения, когда все электроды бурового наконечника расположены на плоской поверхности забоя скважины и все участки горной породы находятся в равных условиях. При воздействии импульса напряжения происходит пробой горной породы в наиболее слабом в электрическом отношении месте [21]. Разряд происходит не обязательно по кратчайшему межэлектродному расстоянию, вследствие электрической анизотропии горных пород. После пробоя и образования откольной воронки, которая заполняется промывочной жидкостью, следующий пробой происходит по другому направлению с разрушением нового объема горной породы на забое. Разрушенная горная порода удаляется с забоя скважины потоком промывочной жидкости на поверхность.

Вследствие того, что при каждом последующем импульсе пробой происходит по новому направлению, разрушению подвергается вся площадь забоя скважины при неизменном положении бурового наконечника. После завершения цикла разрушения буровой снаряд опускается и процесс разрушения повторяется. При этом забой представляет собой уже не плоскую, а изломанную поверхность.

Для выяснения влияния на величину пробивного напряжения горных пород предшествующих импульсов и для определения эффективности разрушения горных пород последующими нами поставлены экспериментальные исследования на роговике, граните и крупнозернистом песчанике при изменении межэлектродных расстояний от 10 до 20 мм. Пробой производится при строго фиксированном положении образца и постоянной амплитуде ПИНФ (для определенного S) с измерением времени запаздывания, амплитуды напряжения и объема откольной воронки после подачи каждого импульса напряжения.

Выявлено, что при увеличении количества импульсов напряжения время запаздывания уменьшается приближенно по экспоненциальному закону, т.е. при многократном воздействии напряжения электрическая прочность горных пород снижается. Так, для песчаника первый импульс напряжения внедрился в горную породу при tз = 0,4·10-6с, а шестой - при tз = 0,085·10-6с при постоянной амплитуде напряжения Uпр = 145кВ. А при одноипульсном воздействии при tз=0,085·10-6с пробивное напряжение песчаника ровно Uпр=194 кВ, т.е. электрическая прочность горной породы снизилась на 25% при многократном воздействии импульсного напряжения.

Снижение электрической прочности горных пород при многократном воздействии импульсного напряжения обусловлено протеканием в теле вторичных процессов (растрескивание, увеличение внутренней пористости и др.). По этим механически ослабленным местам и развивается канал пробоя.

Заключение

Результаты проведенных нами экспериментальных исследований на образцах горной породы показывают качественную картину электрической прочности и эффективности разрушения различных видов горных пород и могут быть использованы в практических целях (для проектирования и разработки буровых снарядов, наконечников; для определения параметров импульса напряжения для эффективного разрушения горных пород в определенных условиях) лишь при введении коэффициентов, определенных при проведении исследований многоимпульсной прочности горных пород и эффективности их разрушения при этом.

Список литературы

1. Воробьев А.А. Разрушение горных пород электрическими импульсными разрядами.- Томск: Изд-во ТГУ, 2011.-150 с.

2. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. - М.: Высшая школа, 2013.- 224 с.

3. Игнатенко Л.Л. Кандидатская диссертация.- Томск. ТПИ, 2014.

4. Каляцкий И.И. Докторская диссертация.- Томск. ТПИ, 2011.

5. Клей Р.В., Кук М.А., Кейс Р.Т. В сб. Разрушение и механика горных пород.- М.: Госгортехиздат, 2012.

6. Кленин Ш.Т. Кандидатская диссертация.- Томск. ТПИ, 2011.

7. Лопатин Ю.С., Осипов Г.М., Перегудов А.АВ. Бурение взрывных скважин на карьерах.- М.: Недра, 2012.

8. Малахов В.С. Кандидатская диссертация.- Томск. ТПИ, 2017.

9. Оксанич И. Ф., Усик И.Н., Трегубов Н. М. Машинист станка огневого бурения.- М.: Недра, 2019.- 176с.

10. Покровский Г.И. В сб. Короткозамедленное взрывание. - М.: Углетехиздат, 2013.

11. Ракишев Б.Р., Шерстюк Б.Ф., Ястребов Е.К. и др. Бурение скважин в мерзлых горных породах.- М.: Недра, 2011.- 314 с.

12. Рябчиков С.Я. Кандидатская диссертация.- Томск. ТПИ, 2012.

13. Семкин Б.В. Кандидатская диссертация.- Томск. ТПИ, 2010.

Размещено на Allbest.ru