Краткое описание установок

Электронагревательные буровые установки. В США разрабо­тана плавящая установка (рис. 17.1), в которой рабочий торец бура нагревается до 1200—1600 °С, что обеспечивает плавление пород (гранита, базальта) при проходке скважины. Для охлаж­дения боковых сторон установки используется вода. Осевое уси­лие на инструмент 2—4 кН. При вогнутой форме торца расплав­ленная порода движется к центру установки (на рис. 17.1 показано стрелками), где струя гелия гранулирует породу и выдувает ее из скважины.

Скорость бурения в базальте составила 0,6 м/ч при диа­метре шпура 50 мм. Установки такого типа наиболее перспек­тивны для бурения льда.

Ядерные плавящие буровые установки. Тепло, выделяемое ядер­ными реакторами, используется для нагревания и плавления по­роды при бурении скважины (рис. 17.2). Газ или вода удаляет расплавленную породу с забоя аналогично вышеописанному. Для большей эффективности наконечник плавящего бура де­лается из тугоплавкого металла.

Рис. 17.1. Схема электронагреватель- Рис. 17.2. Схема бура с ядерным реактором:

ного бура: атомный реактор; 2 - вольфрамовый наконечник; 3

1 - вольфрамовый наконечник: 2 - рас- _; — расплавленная порода; 4 — вода или газ
плавленная порода; 3 — нагревательная

спираль; 4 — охлаждающая вода; 5 —

электрический кабель

Рис. 17.3. Схема плазменно-дугового бура:

/ — расширитель; 2 — буровая

жидкость; 3 — газ (гелий или ар­гон); 4 — электрическая дуга; 5 — плазма

Рис. 17.4. Схема лазерного бура:

/ — кристалл; 2 — буровая жидкость; 3 — отражающая поверхность; 4 — расширитель; 5 — когерентный световой луч

Максимальная скорость проникновения буров с ядерными реакторами в породу сопоставима со скоростью проникновения электронагревательных буров.

Существенное преимущество ядерных установок — в их авто­номности и долговечности работы: термические установки рабо­тают без вращения и большого осевого усилия, что упрощает конструкцию буровой установки и не требует большой массы для реализации процесса.

Плазменно-дуговые буровые установки. Устойчивая электри­ческая дуга создается между двумя электродами. При выдува­нии ее из сопла с помощью сжатого воздуха в факеле разряда тем­пература достигает 6000. °С и более, а скорость истечения газов (плазмы) 2 км/с. Под воздействием плазменных струй с такими высокими параметрами горные породы быстро плавятся и частично испаряются, образуется скважина, которую можно затем расши­рить механическим бурением. Вращение дуги в плазмобурах. Для обеспечения длительной работы электродов обеспечивается воз­душным потоком с тангенциальным вводом (рис. 17.3). Мощность горелки 150—400 кВт, напряжение 1600 В.

При опытном бурении в кварцитах достигнута скорость 5 м/ч в труднобуримых и 30 м/ч в хорошо буримых породах.

На выходе из сопла плазмобура происходит взрывное догора­ние ионизированной смеси (Н₂ + О₂). Этот процесс может быть значительно усилен введением в газовую смесь плазмобура реагирующего компонента (керосина, воды и т.п.). В результате

воздействия ударных волн эффективность

разрушения породы увеличивается и резко снижается энергоемкость.

процесса. Крупность продуктов разрушения при этом режиме значительно возрастает.

Недостаток этого способа в том, что температура плазменного факела резко уменьшается с удалением от среза сопла. Поэтому, не обеспечив высокоточной — до нескольких миллиметров — фиксации расстояния от забоя до среза сопла, нельзя получить устойчивый режим разрушения породы. Эффективность таких установок можно повысить путем усовершенствования генерато­ров и повышения температуры газов.

Лазерные буровые установки. Лазеры, дающие концентрации мощности порядка 1,6 -10¹⁴ кВт/м², могут плавить любые породы. Лазерный луч получается посредством возбуждения, или «на­качивания», группы атомов в кристалле или газа до их высокоэнер­гетического состояния. Когда это происходит, атомы начинают из­лучать фотоны, образуя когерентный световой луч (рис. 17.4).

Кристаллические лазеры могут использоваться только ко­роткими вспышками, так как 99 % энергии, возбуждения теряется в охлаждающей жидкости и рассеивается большое количество тепла. Один из крупных кристаллических лазеров через каждые 2с дает вспышку энергией 100 Дж, длящуюся 1 мс. Это соответ­ствует мгновенному выделению мощности в 100 кВт и среднему выходу мощности лишь в 50 Вт.

Газовые лазеры более эффективны и имеют более высокий выход мощности, чем кристаллические лазеры.

Лазеры могут быть применены для термического разрушения пород путем нагревания их до 260—580 °С. Высокие температур­ные градиенты и различное тепловое расширение минеральных составляющих создают термические напряжения, которые ослаб­ляют и разрушают связи между кристаллами и зернами породы.

Из-за больших затрат энергии на плавление породы 5х X 10^е кДж/м³ и низкого выхода мощности электронных лучей и лазеров эти установки будут иметь низкие скорости бурения. Например, подсчитано, что лазерная установка мощностью 10 кВт расплавляет скважину диаметром 200 мм со скоростью 1,8 м/ч (50 % выходной мощности передается породе). При про­ходке скважин малых диаметров вследствие высоких концентра­ций мощности скорость бурения лазером значительно выше. На­пример, лазерная установка мощностью 10 кВт может расплав­лять в породе отверстие диаметром 2,5 мм со скоростью более 12 м/ч. Эта скорость выше, чем скорость бурения обычными буро­выми установками.

Лазерные и электронные установки можно применять для образования отверстий небольшого диаметра в деталях точных электронных и оптических приборов.

Лазеры могут найти применение для извлечения из скальных кусков драгоценных кристаллов изумруда, сапфира, алмазов и т. п. При современных конструкциях лазеров применять их для бурения скважин большого диаметра, разрушения больших

Рис. 17.5. Схема высокочастот­ного электробура: Рис. 17.6. Схема микроволно­вого бура:

/ — канал пробоя: 2 — электроды; 3 — / — механический расширитель;

электрические кабели; 4 — промывочный агент 2 — канал для луча; 3 — электри­ческие кабели; 4

— промывочный агент; 5 — магнетрон; 6 —

радар­ный луч

объемов скальных массивов невыгодно из-за низкой производи­тельности и высокой стоимости процесса. Нет пока конструктив­ных решений лазерного станка для бурения или извлечения кри­сталлов.

Кроме того, при воздействии лазерного луча на некоторые породы происходит их испарение, сопровождающееся выделением ядовитых газов.

В обозримой перспективе лазеры найдут широкое применение в качестве светового луча для определения направления подзем­ных выработок, измерения расстояний, разметке шпуров при взрывных работах по проходке выработок, но не бурения или разрушения массивов пород.

Высокочастотные электробуровые установки. Испытания по­казали, что электрический ток высокой частоты можно применять для разрушения электропроводящих горных пород. Диэлектри­ческое нагревание сопротивления вызывается электрическим то­ком, проходящим через породу между электродами (рис. 17.5).

Нагревание диэлектрическое через сопротивление пропорционально квадрату разности потенциалов электродов. Поэтому используются высокие напряжения (от 1 до 10 кВт). Диэлектриче­ское нагревание пропорционально частоте тока, а нагрева и через сопротивление не зависит от частоты. Поэтому для бурения горных пород с высоким электрическим сопротивлением требуются токи высоких частот.

По мере увеличения температуры в горной породе между контактирующими с ней электродами образуется раскаленный токо-

проводящий канал (канал пробоя). После образования проводя­щего канала электрическое сопротивление между электродами резко снижается, температура породы в сечении канала увеличи­вается, и в результате термонапряжений происходит разрушение породы на забое.

В качестве промывочного агента в высокочастотных буровых установках должна использоваться жидкость с высокими диэлек­трическими свойствами (трансформаторное, соляровое масло). Проводились опыты и с промывкой водой. Работы по созданию высокочастотных электрических буровых установок продол­жаются.

Микроволновые установки. Лабораторными испытаниями уста­новлено, что микроволны (1000—3000 Гц) могут эффективно на­гревать и разрушать горную породу. В микроволновой буровой установке микроволны создаются в магнетронах и направляются к горной породе по специальным волнопроводящим каналам (рис. 17.6). При работе микроволновых буровых установок очи­стка забоя выполняется воздухом или газом, так как вода погло­щает большую часть микроволновой энергии. Эффективность магнетронов составляет лишь 30—40 %, из-за чего возникает необходимость отводить большое количество тепла.

При проведении опытов в песчаниках тонкие чешуйки начи­нали отскакивать от поверхности через 20—120с, горная порода разрушалась спустя 3—10 мин. Образование трещин сопровож­далось звуками, которые были слышны до появления видимых разрушений горной породы. При некоторых испытаниях наблю­далось интенсивное отскакивание чешуек от поверхности.

Количество микроволновой энергии, поглощенной песчаником, возрастает с увеличением насыщения его водой. В обводненных скважинах микроволновые буровые установки неэффективны. Заслуживает внимания использование таких установок для от­бойки массива при добыче драгоценных минералов.

Индукционные буровые установки. При помощи магнитных по­лей высокой частоты можно нагревать и разрушать при бурении горные породы, имеющие высокую магнитную восприимчивость к индукционному нагреванию.

Индукционное нагревание вызывается потерями гистерезиса и вихревыми потоками, образуемыми в горной породе. Нагрева­ние гистерезисом и вихревыми потоками пропорционально ква­драту магнитной проницаемости. Таким образом, индукционные буровые установки смогут быть эффективными только в горных породах с высокой магнитной чувствительностью. Пока не най­дено удачных конструкций буровых индукционных установок, и они применяются только для нагрева поверхности негабаритных кусков с целью их невзрывного разрушения.

Химические буровые установки. В лаборатории ими эффективно бурят песчаник, известняк и гранит. В этих установках исполь­зуются флюорит и другие высокоактивные химические вещества,

Рис. 17,8. Схема искрового бура:

/ — невращающийся электрод; 2— вращающийся электрод; 3 — промывочная жидкость

Рис. 17.7. Схема индукционного бура:

/ — зона индукционного разрушения; 2 — механический расширитель; 3 — индукционная катушка; 4 — промывочный материал; 5 — электрические кабели

которые вступают в реакцию с горной породой и разрушают ее. В результате этих реакций образуются безвредные продукты, выдуваемые из скважины.

Химический бур на стальном канате может быть опущен на дно скважины, где взрывом электродетонатора разрушаются изолирующие слои, позволяя сжатому газу продуть высокоактив­ное химическое вещество через катализатор на забой скважины (рис. 17.7). Это приводит к образованию химических струй, выдуваемых газом из отверстий головки бура, которые и разрушают породу, вступая с ней в химическую реакцию.

Применение химических буровых установок неперспективно из-за высокой стоимости высокоактивных химических веществ, а также малой эффективности процесса.

Разрядные установки. В разрядных или электрогидравлический установках для разрушения и удаления из скважин горной нот роды используют обладающие большим запасом энергии разряди, продолжительностью 21—50 мкс, получаемые с высоковольтных конденсаторов емкостью 0,1—10 мкФ, заряженных до 200 Конденсаторы разряжаются 1—10 раз в секунду, вызывая пульсирующие давления, превышающие 700 МПа, которыми и разрушается порода.

Энергия, выделяемая при образовании каждой иск Л (10 кДж), приблизительно соответствует энергии взрыва 1 тротила.

Разработана конструкция радиальной искровой установки, в которой искры образуются между вращающимся центральным электродом и наружным, расположенным по периферии сква­жины (рис. 17.8). Скорость бурения скважин диаметром 40—50 мм в диабазе, мраморе и сланце составила соответственно 0,18, 0,61 и 3 м/ч. Скорость искрообразования в этой установке составляла две искры в секунду при напряжении разряда 25—30 кВ и выход­ной мощности 0,12—1,17 кВт. С увеличением напряжения диа­метр бурения может увеличиваться до 300—400 мм и более.

Инфракрасные излучатели большой мощности испытываются для поверхностного разрушения забоев подготовительных выра­боток или блоков очистных забоев. Эффективность разрушения породы значительно возрастает, если ее поверхность охлаждать опрыскиванием водой. На базе этой схемы создаются установки для отработки руды в блоках, а также проходческие комбайны.

Электрическое ослабление массива достигается при опускании электродов во взрывные скважины на блоке в результате воздей­ствия на токопроводящий массив электрического тока. При таком воздействии происходит ослабление отдельностей массива и луч­шее дробление при взрыве. Создаются установки для промышлен­ного применения этого метода.