Перспективные разработки новых методов разрушения горных пород

TECHNICAL SCIENCES

Promising development of new methods for destruction of rocks Yatsenko S.1, Yatsenko M.2, Doroshev Yu.3 (Russian Federation) Перспективные разработки новых методов разрушения

горных пород Яценко С. Н.1, Яценко М. А.2, Дорошев Ю. С.3

1Яценко Сергей Николаевич / Yatsenko Sergey Nikolaevich - аспирант, кафедра горного дела и комплексного освоения георесурсов, Инженерная школа; 2Яценко Мария Андреевна / Yatsenko Mariya Andreevna - студент, кафедра общей физики, Школа естественных наук; 3Дорошев Юрий Степанович /Doroshev Yuri Stepanovich - доктор технических наук, кафедра горного дела и комплексного освоения георесурсов, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток

Аннотация: в статье рассматриваются новые методы разрушения горных пород при помощи СВЧизлучения, лазера, а также механические способы. Abstract: the article considers new methods of destruction of rocks by means of microwave radiation, laser, as well as mechanical methods.

Ключевые слова: методы, разрушение горных пород, лазер, электротермическое бурение, электроимпульсное бурение, СВЧ излучение.

Keywords: methods, destruction of rocks, laser, electro-drilling, drilling electropulse, microwave radiation.

На сегодняшний день существует более 40 способов разрушения горных пород. По характеру применяемого оборудования и разрушения горных пород - способы делятся на механические, физические и химические способы.

Механические способы [1]. Различают ударный, вращательный, вращательно-ударный и ударно-вращательный способы бурения шпуров и скважин (рисунки 1 и 2). Ударный метод механического бурения используется в крепких породах, замерзших грунтах и скальных породах глубиной до 100 м и более. Основные виды вращательного способа бурения - шнековое, колонковое и роторное. Шнековое бурение применяют для скважин глубиной до 30 м в мягких и мерзлых грунтах. Колонковое бурение применяют для проходки скважин глубиной до 200 м. Современные режимы роторного бурения скважин шарошечными долотами в твёрдых и крепких породах характеризуются нагрузками до 1 т на 1 см диаметра долота. Глубины бурения вращательным способом могут достигать 10 км.

Рис. 1. Схемы прикладываемых к буровому инструменту нагрузок и разрушения породы от воздействия лезвия инструмента с забоем: а - при вращательном; б - при ударном; в - при вращательно-ударном; г - при ударно-вращательном способах бурения; Рос - осевое усилие подачи, <2уд - ударная нагрузка, М - крутящий момент; 1 - разрушение породы за счет скалывания передней режущей кромкой при вращении инструмента, 2 - разрушение породы при раздавливании и скалывании ударной нагрузкой

Рис. 2. Способы бурения

Достоинства механического бурения: возможность отбора натуральных образцов пород для составления геологического разреза и их всестороннего изучения; благоприятные условия для вскрытия и исследования водоносных и нефтегазоносных горизонтов.

Недостатки механического бурения: с увеличение крепости пород происходит быстрый износ рабочих элементов породоразрушающих инструментов, приводящий к необходимости его замены; высокие энергозатраты и невысокая скорость бурения.

Традиционные способы воздействия на горные породы, основанные на их механическом разрушении, практически приблизились к пределу своих технических

возможностей. В связи с этим в мире возникла проблема разработки новых, более эффективных способов разрушения горных пород, обеспечивающих на длительную перспективу конкурентоспособность таких устройств по сравнению с лучшими в мире образцами буровой техники. В настоящее время, на базе традиционных способов практически невозможно создание способа, обладающего способностью разрушать горные породы различной крепости с равной высокой эффективностью. Анализ применяемых механических способов разрушения показывает, что развитие существующих и разработка новых методов идут, главным образом, по пути совершенствования средств воздействия на горную породу. Несмотря на значительный прогресс в области техники и технологии разрушения горных пород, производительность существующих методов разрушения остается низкой при высокой стоимости работ и материалов. Главными причинами этого являются быстрый износ породоразрушающего инструмента, трудности передачи на забой достаточного количества энергии и низкий КПД. Поэтому непрерывно усиливается поиск и исследование новых способов разрушения твердых тел, основанных на современных передовых достижениях науки и техники.

Развитие новых видов породоразрушающего инструмента связано в перспективе с новыми принципами разрушения горных пород. Всем известным способам разрушения присущи недостатки, ограничивающие эффективность и технико -экономическую целесообразность их применения, особенно при разрушении крепких и весьма крепких горных пород.

Главной особенностью нагружения горной породы инструментом является то, что к разрушаемому телу прикладывается статическая или ударная нагрузка с преобладанием напряжений сжатия или среза. Разрушение производится при высоком давлении разрушающего инструмента на горную породу и сопровождается большими потерями энергии. Следствием применения интенсивного давления на породу является малая стойкость и высокий износ бурового инструмента и значительные потери времени на его замену, особенно при бурении.

Бурение горных пород - один из самых затратных и трудоемких технологических процессов при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых.

Технико-экономический анализ современных способов бурения скважин показывает невозможность устранения целого ряда присущих им принципиальных недостатков:

- низкий КПД (2-10 %);

- наличие сложных кинематических передач;

- быстроизнашивающийся и недостаточно надёжный породоразрушающий элемент;

- резкое уменьшение скорости разрушения с увеличением крепости разрушаемых пород и диаметра скважин;

- высокая себестоимость работ и др.

В этой связи в высокоразвитых странах не ослабевает интерес как к совершенствованию традиционных, так и к поиску и разработке принципиально новых способов бурения, дробления и измельчения, обработки твердых минеральных и искусственных материалов.

На сегодняшний день из разработок новых методов разрушения горных пород выделяются физические способы: электроимпульсное бурение, бурение лазером, электротермические способы, а также представляют интерес применение СВЧ при разрушении горных пород.

Применение СВЧ [2]. Сущность изобретения заключается в том, что процесс разрушения породы осуществляется непрерывно вращающимся механическим инструментом и импульсами энергии СВЧ, снижающими прочность породы, при этом механический инструмент вращают с частотой, зависящей от длительности импульса. Физическая сущность этого способа заключается в том, что при вращении бурового органа на забой скважины подают в режиме резонанса электромагнитных волн

мощные импульсы СВЧ энергии, в результате воздействия которых на приповерхностный слой породы снижается их крепость и слой разрушается по каналам теплового пробоя, после чего ослабленная порода доразрушается резцами бурового органа и удаляется из скважины сжатым воздухом. Исследования СВЧ ЭТМ способа бурения показали, что скорость бурения этим способам по крепким породам в 2 - 3 раза превышает скорости бурения шарошечным инструментом. Примерно в 1,5 - 2 раза уменьшается энергоемкость процесса разрушения, а осевое усилие снижается минимум в 5 раз. К недостаткам СВЧ ЭТМ способа бурения относятся: несогласованное воздействие на забой электромагнитными импульсами и механическим инструментом, что снижает реальную эффективность разрушения пород при бурении; не одновременное, а последовательное облучение зон забоя электромагнитным полем, в результате чего разрушение породы на забое осуществляется периодически с периодом в 1 оборот, что также снижает производительность бурения.

Электроимпульсное бурение [3]. Основано на разрушении горной породы мощным электрическим разрядом (пробоем) высокого напряжения (до 200 кВ), происходящим в приповерхностной зоне забоя скважины, заполненной жидким диэлектриком (трансформаторное масло). Бур выполнен в виде кольцевого зубчатого и центрального электродов. При бурении электроды прижимаются к забою, а центральный электрод вращается, обеспечивая создание последовательных электрических импульсов-пробоев с определенной частотой по всей площади скважины (рисунок 3).

Горная порода разрушается за счёт напряжений, возникающих в ней при электрическом пробое. Удаление продуктов разрушения производится циркуляцией жидкого диэлектрика. Эффективность бурения не зависит от крепости пород и глубины скважины и определяется параметрами электрического пробоя и условиями удаления продуктов разрушения. Скорость бурения до 6 — 10м/ч. Область применения — нисходящие скважины в плотных горных породах, обладающих высоким электрическим сопротивлением и не поглощающих циркулирующий в скважине жидкий диэлектрик.

Рис. 3. Схема установки для бурения с прямой циркуляцией промывочной жидкости: 1 - высоковольтный трансформатор; 2 - выпрямитель; 3 - дроссель; 4 - генератор импульсных напряжений; 5 - высоковольтный токоподвод; 6 - буровой снаряд; 7 - лебедка; 8 - буровой насос; 9 - бак с промывочной жидкостью; 10 - вышка; 11 - направляющая обсадная труба

Эффективность ЭИ разрушения пород главным образом определяется их электрофизическими, а не прочностными свойствами, а потому становится особенно выигрышной в сравнении с механическими способами в случаях разрушения прочных и особо прочных пород. По электрической прочности горные породы отличаются не

столь значительно, как по механической, и практически допустимо говорить о малой зависимости ЭИ разрушения от крепости горных пород. ЭИ способом могут быть разрушены практически все горные породы, что тоже является преимуществом.

Электротермический способ [4]. Способ электротермического бурения включает нагрев породы до ее размягчения устройством с головкой и цилиндрической частью и подъем породы. Размягченную породу подвергают разрушению резанием, затем поднимают породу на высоту цилиндрической части и нагревают ее до температуры расплава. Недостаток, заключается в том, что расплав, вытесняемый газовым давлением, быстро остывает и, охлаждаясь, прилипает к трубе и стенкам скважины, что ведет к аварийной ситуации (прихвату).

Лазерное бурение [5, 6, 7]. Механизм разрушения горной породы лазерным лучом необычен, весьма разнообразен и зависит от плотности энергии импульса. При небольшой плотности поглощенное оптическое излучение вызывает нагрев породы и разрушение ее плавлением. Иначе реагирует порода на воздействие мощного лазерного луча. Разрушение напоминает электрический пробой диэлектрика: после появления узкого канала пробоя возникает ударная волна (рисунок 4). Лазерный буровой инструмент не имеет механического контакта с горной породой и поэтому его износостойкость теоретически не ограничена. В этом состоит одно из главных преимуществ лазерного бурения. Для лазерного луча твердость горной породы не имеет какого-либо существенного значения (решающее отличие от всех механических способов бурения). Зато приходится считаться с тугоплавкостью отдельных горных пород или минеральных включений, например графита, асбеста и др. Кстати, все эти минералы обладают весьма низкой микротвердостью и для обычного бурения считаются легкобуримыми породами. В настоящее время возможно производство газовых лазеров непрерывного действия с выходной мощностью 100 кВт и выше. Коэффициент полезного действия газовых лазеров может достигать 20-60 %. Одной из основных проблем в конкурентоспособности лазерного бурения - это высокие энергозатраты при бурении глубоких скважин. При решении этой проблемы способ бурения лазером будет явно превосходить механические способы бурения по многим показателям.

Рис. 4. Взаимодействие сфокусированного лазерного луча с горной породой (а) и схемы лазерных буровых снарядов (б): 1 - лазерный луч; 2 - распределение интенсивности луча; 3 - отраженная энергия; 4 - струя

газов; 5 - удаляемые пары и расплавленная порода; 6, 7 - потери тепла конвекцией и излучением; 8 - зона нагрева; 9 - кристаллический или газовый лазер; 10 - расширитель; 11 -линза; 12 - кабели; 13 - промывочная жидкость или газ; 14 - отражающая поверхность; 15 -нагрузка на долото; 16 - периферийная канавка, прорезанная лазерным лучом

Одной из проблем в развитии новых технологий бурения является конкуренция с обычными, широко применяемыми устройствами, которые разрабатывались десятки-сотни лет, что принципиально улучшило показатели бурения. Подобные улучшения могут ожидаться и для новых технологий: неэкономичные сегодня, они найдут применение в ближайшие годы, при дальнейшем их развитии.

Нами представляется использование комбинированных способов разрушения горных пород, т. е совмещение механических и физических способов, что позволило бы расширить области применения и значительно понизить энергозатраты при разрушении пород различной крепости. Разработка комбинированных методов требует дополнительных исследований, разработки новых комплексов оборудования и технико-экономических обоснований.

Литература

1. Классификация способов бурения. [Электронный ресурс]. URL: http://www.stroypraym.ru/knigi/stroitelnaya-tehnika/1262-klassifikaciya-sposobov bureniya.html.

2. Способ и устройство сверхвысокочастотного электротермомеханического бурения (Патент RU 2204008). [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/220/2204008.html.

3. Электроимпульсный способ разрушения горных пород (Патент RU 2232271). [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/223/2232271.html.

4. Способ электротермического бурения и устройство для его осуществления (РФ № 2013514). [Электронный ресурс]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2013514

5. Проведение буровых скважин посредством жара. [Электронный ресурс]. URL: http://byrim.com/burenie/20. html.

6. Способ бурения скважин с использованием лазерной энергии и устройство для его реализации (RU 2449106). [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/244/2449106.htmI.

7. Лазерное бурение. [Электронный ресурс]. URL: http://computerchoppers.ru/razrushe nie/2722-lazernoe-burenie. html.

The concept of expert system supporting the execution

of scientific research 1 2 Mochenov S. , Ahmetgaleev R.

Концепция экспертной системы поддержки выполнения

научно-исследовательских работ

Моченов С. В.1, Ахметгалеев Р. Р.2

1Моченов Станислав Васильевич /Mochenov Stanislav - кандидат технических наук, профессор; 2Ахметгалеев Рустам Рамилевич /Ahmetgaleev Rustam - аспирант, кафедра вычислительной техники, факультет информатики и вычислительной техники, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, г. Ижевск

Аннотация: в статье предложен подход по повышению эффективности выполнения научно-исследовательских работ с использованием экспертной системы, включающей в себя методы обработки текста на естественном языке и методологии научного исследования.

Abstract: the article suggests an approach to improve the efficiency of execution scientific research by using an expert system, which includes methods of natural language processing and the scientific research methodology.