Механический способ разрушения горной породы

МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Под механическим разрушением горных пород принято понимать технологи­ческое отделение от массива и дробление твердого вещества литосферы за счет использования механической энергии.

В современной горнодобывающей индустрии механическое разрушение гор­ных пород производится за счет ударных нагрузок или усилий резания.

На разрушении массива за счет энергии удара основываются основные спосо­бы бурения прочных горных пород — ударно-вращательное, ударно-поворотное и шарошечное.

В результате удара инструмента по забою шпура (скважины) кинетическая энергия инструмента (энергия ударного импульса) затрачивается на дробление породы и вытеснение отделившихся частиц из образующейся лунки. Очевидно, чем большая доля энергии затрачивается на поступательное движение инструмен­та, тем большее значение приобретают удары для разрушения. При ударных спо­собах бурения вследствие принудительного вращения инструмента при последу­ющих ударах разрушаются новые участки забоя скважины.

При ударном и ударно-вращательном способах бурения разрушение поро­ды происходит в основном в результате последовательных ударов инструмента по забою. Инструмент движется возвратно-поступательно и вращается, при этом обеспечивается разрушение породы по всей площади забоя. В машинах ударно­го бурения, как правило, принудительный поворот инструмента осуществляет­ся только при его возвратном движении, поэтому такие машины иногда называ­ют ударноповортными.

При вращательно-ударном бурении инструмент вдавливается в породу под действием динамических нагрузок, как при вращательном способе.

Бурение шарошечными долотами может быть отнесено к ударному, если раз­рушение происходит только в результате перекатывания шарошки по забою, и к вращательно-ударному, если, кроме того, наблюдается скольжение зуба шарош­ки по забою.

Разрушение горных пород за счет усилий резания составляет основу враща­тельного способа бурения малопрочных горных пород, разработки этих пород экскаваторами непрерывного действия (роторными или многоковшовыми), а так­же комбайновой и струговой добычи горючих полезных ископаемых — углей и го­рючих сланцев.

В мировой практике открытых горных работ наиболыпее распространение получили роторные экскаваторы, позволяющие обеспечивать большие усилия ко­пания и высоту уступов. Эти экскаваторы отличаются высоким КПД, относитель­но небольшим износом элементов рабочего оборудования, универсальностью. Производительность этих экскаваторов колеблется от 200 до 19000 м3/ч при высо­те уступов от б до 50 м.

Многоковшовые цепные экскаваторы применяются при разработке отно­сительно мягких горных пород с удельным сопротивлением копанию до 0,6 — 0,7 МПа. Цепные экскаваторы, применяемые на горнодобывающих предприятиях, имеют производительность от 300 — 400 до 6000 м3/ч.

На открытых горных работах широко используются специализированные машины для механического рыхления горных пород. Бульдозеры используются для послойной разработки горных пород с пределами прочности на сжатие до 40 МПа.

Рыхлители на базе мощных промышленных тракторов применяются для безвзрывной подготовки к выемке и погрузке разрабатываемых горных пород с пре­делом прочности на сжатие до 90 МПа, а также мерзлых и трещиноватых скаль­ных пород.

Колесные скреперы применяются для послойной разработки горных пород с пределами прочности на сжатие до 40 МПа с последующим транспортированием и укладкой этих пород.

Достаточно широко применяется механическое разрушение горных пород в процессе вторичного дробления крупногабаритных кусков, образующихся при взрывном дроблении горного массива.

Для этих целей в крановых бутобоях используют энергию удара падающего груза массой до 3 — 5 т.

Для дробления негабарита созданы также различные типы пневматических и гидропневматических бутобоев, выполняемых либо как стационарные установ­ки на перегрузочных пунктах, либо как навесное оборудование к экскаваторам.

Наиболее широкое применение механического разрушения пород непосред­ственно на добыче полезных ископаемых имеет место в угледобывающей про­мышленности.

Эффективность механического разрушения угля зависит прежде всего от его прочности и крепости. Интегральным показателем усилия резания является со­противляемость угля резанию.

Сопротивляемость угля резанию — характеристика сопротивления, оказыва­емая углем разрушению режущим инструментом. Показателем сопротивляемо­сти резанию А (кН/см) является приращение силы резания на один сантиметр тол­щины стружки.

Между сопротивляемостью угля резанию А и коэффициентом крепости / су­ществует корреляционная зависимость вида А = 1,5/.

Угольные пласты с сопротивляемостью резанию до 1,8 кН/см благоприятны для применения стругов; 1,8 — 2,4 кН/см — для обычных комбайнов и стругов от­рывного действия с высокой энерговооруженностью; 2,4 — 3,6— для очистных комбайнов высокой энерговооруженности.

Механическое разрушение при добыче угля осуществляется исполнитель­ным органом очистного комбайна. Очистной угольный комбайн — машина, одно­временно выполняющая в забое операции по отделению угля от массива, дробле­нию его до кусков транспортабельного размера и навалке на забойный конвей­ер. Угольный комбайн как выемочная машина состоит из электродвигателя, по­дающей части, исполнительного органа, погрузочного устройства и других узлов.

Действие исполнительных органов большинства комбайнов основано на принципе механического разрушения угля. Наиболее эффективными являются такие исполнительные органы, при работе которых в угле возникают растягиваю­щие напряжения без образования объемного напряженного состояния.

Струговая установка — выемочная машина, предназначенная для механиче­ской отбойки, погрузки и доставки угля в очистных забоях. Исполнительным ор­ганом установки является струг. При движении вдоль забоя прижимаемого к нему струга снимается стружка угля толщиной 100—150 мм. Отбитый таким образом уголь корпусом струга грузится на конвейер. В отече-ственной практике струго­вые установки распространения не получили.

Механическое разрушение углей и пород при проходке выработок осущест­вляется исполнительным органом проходческого комбайна. Распространены ис­полнительные органы с коническими резцовыми коронками или шаровыми фре­зами, установленными на стреле.

К механическому способу разрушения по сути своей относится и гидравличе­ское разрушение.

Гидравлическое разрушение горных пород основано на использовании кине­тической энергии струи воды, выбрасываемой из гидромонитора. Считается, что эффективная отбойка происходит при напоре, развиваемом гидромонитором.

Гидравлическое разрушение применяют на открытых работах при разработ­ке наносных отложений (вскрышные работы) и в отдельных случаях при подзем­ной добыче угля. В зависимости от крепости угля применяют гидравлическое, взрывогидравлическое и гидромеханическое разрушение.

Гидромонитор — устройство, служащее для создания (формирования) плот­ной летящей с большой скоростью водяной струи и управления ею при размыве и отбойке полезного ископаемого или породы.

На шахтах, где осуществляется гидродобыча, для выемки угля и проведения горных выработок применяются гидромониторы, развивающие давление воды 12-16 МПа.

Наиболее широкое распространение гидравлический способ разрушения массивов приобрел при разработке рассыпных месторождений полезных иско­паемых.

Кроме этих основных способов разрушения горных пород в той или иной сте­пени готовности к массовому применению находятся разработки по использова­нию тепловой энергии сред разрушения горных пород за счет эффекта теплового расширения твердых тел. Здесь можно выделить также принципиальные направ­ления:

нагревание породы внешним источником тепла;

нагревание породы за счет электрофизических излучений.

Эти направления представлены единичными экспериментальными работами по созданию специализированного горного оборудования с инфракрасными или высокочастотными излучателями. Полученные результаты, пока только обнаде­живают технологов своими дальними перспективами, но не дают оснований для разработки полупромышленных и тем более промышленных установок.

Дата добавления: 2015-07-14 ; просмотров: 6426 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

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 ( 20 000 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.

Создан инструмент для гидравлического бурения гидрогеологических скважин в мягких породах. При диаметре труб 250–300 мм подается 58–80 м 3 /ч жидкости под давлением 1–3 МПа. Жидкость с большой скоростью истекает из сопел конусной головки и размывает грунт. Лабораторные опыты, проводившиеся со струями при давлении 70–100 МПа, показали способность воды разрушать и твердые горные породы. Эффективно также разрушение пород прерывистой импульсной струей, выбрасываемой из сопла отдельными порциями при давлениях 300–500 МПа.

При эрозионном гидромониторном бурении порода разрушается струей жидкости, вытекающей из гидромониторных насадок при перепаде давления около 35 МПа со скоростью не менее 200 м/с и содержащей абразивный материал (кварцевый песок, стальную дробь) в концентрации 5–15 % по объему.

При термическом разрушении пород их нагрев осуществляется путем передачи им непосредственно тепловой энергии (прямой нагрев) или электромагнитной и лучевой энергии (косвенный нагрев).

Методы с прямым нагревом породы: огнеструйный (воздействие на породу тепла сгорающего топлива и усилия газового потока); плазменный (передача воздействия тепла от плазмы, возникающей при прохождении электрического тока через газы); плазменно-огнеструйный (передача тепла от плазмы, возникающей при прохождении электрического тока через пары топлива); электродуговой (передача тепла от электрической дуги); электронагревательный (нагрев за счет тепла, образующегося при преобразовании в снаряде электрической энергии в тепловую); атомный (использование тепла, выделяемого в атомных реакторах); циклический (воздействие тепла и холода).

Методы с косвенным нагревом породы: электротермический (разрушение породы в результате диэлектрического нагревания с использованием токов низкой, высокой и сверхвысокой частоты); электроиндукционный (нагрев с помощью высокочастотных магнитных полей); лазерный (нагрев и разрушение породы за счет передачи ей лучевой энергии); электронно-лучевой (путем воздействия на породу потоков электронов).

Огнеструйное бурение – способ разрушения пород путем их нагрева посредством сжигания химического топлива (керосин, спирт, бензин, мазут, соляровое масло, природный газ) в среде окислителя (кислород, воздух, азотная кислота) в реактивной горелке. При этом на породу действует газовая струя, выходящая из сопла горелки со сверхзвуковой скоростью.

Термическое бурение применяется в промышленных масштабах при открытых работах. В качестве горючего используют керосин или соляровое масло, окислителем служит кислород. Горелка охлаждается водой. Ручные термобуры позволяют бурить шпуры глубиной до 1,5–2 м, а с помощью станков для термического бурения можно бурить скважины глубиной 8–50 м и диаметром 160–250 мм.

Плазменное бурение представляет собой нагрев пород с помощью плазменных генераторов. При этом получается очень высокая концентрация энергии на единицу объема породы. Плазма возникает в плазменных генераторах (плазмотронах) при прохождении электрического тока через газы (воздух, кислород, водород, аргон, гелий, неон, водяной пар, метан, пропан). При бурении используются температуры нагрева 2000–2500 °С.

При термодинамическом бурении в газовый поток добавляется твердая фаза (например кварцевый песок) через специальную насадку на срезе сопла Лаваля, что приводит к интенсификации теплообмена газового потока и породы.

Электродуговое бурение основано на локальном нагревании породы электрической дугой постоянного и переменного тока промышленной частоты за счет выделения тепла дуги и передачи его породе, а также за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через локальные участки породы. Электрическая дуга создает температуру от 5500 до 16 700 °С и при достаточной энергонапряженности способна расплавить любую породу.

При термодетонационном бурении горение топлива происходит с большими скоростями и сопровождается образованием детонационных волн. При этом давление фронта волны достигает очень высоких значений. Регулируя частоту импульсов, можно изменять соотношение между механической и тепловой энергией, затрачиваемой на разрушение пород. Импульсное воздействие факела на породу приводит к возникновению в ней знакопеременных нагрузок и к увеличению теплоотдачи от факела к забою.

При электронагревательном бурении тепловая энергия преобразуется из электрической в буровом снаряде или в теплоносителе, которым может быть как твердое (например буровой инструмент), так и жидкое тело (например, расплавленные породы и минералы). Разрушение породы в основном происходит за счет ее плавления.

Атомное бурение является разновидностью нагревательного способа бурения. Используется тепло, выделяемое атомным реактором.

Циклическое бурение предусматривает периодичность воздействия на забой горячих и холодных агентов.

Бурение с помощью лучевой энергии – способ разрушения породы с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров), которые излучают электромагнитные волны определенной длины с очень слабо расходящимся пучком, что дает возможность не только термически разрушать породы, но даже расплавлять или испарять их. Электронно-лучевой способ разрушения пород основан на ускорении движения электронов между катодом и анодом при напряжениях от 5 до 150 кВ. Электроны, эмиссированные с катода, фокусируются на забое при помощи смещающего напряжения, а также электростатических и электромагнитных линз.

При термомеханическом способе бурения тепловая энергия используется для снижения сопротивляемости пород последующему механическому разрушению. Это качественно новый процесс, характеризующийся большей эффективностью показателей термического и механического способов разрушения породы в отдельности. Введенная в породу тепловая энергия распространяется в очень тонком слое, что обусловливает малые значения энергоемкости процесса разрушения, который носит объемный характер. Разрушение пород при термомеханическом бурении облегчается за счет различных величин коэффициента теплового расширения составных частей минералов, неравномерного их нагрева, давления пара в водосодержащих породах, разности температур на забое и в массиве. Релаксация термических напряжений, даже в течение небольшого времени (с момента окончания термического воздействия до приложения механической нагрузки – более 1–2 с), приводит к существенному снижению или прекращению эффекта.

Наиболее часто в практике ГРР применяется механическое вращательное бурение.

Механическое вращательное бурение разделяется на собственно вращательное (роторное, станки с подвижным вращателем) бурение, при котором бурение ведется главным образом сплошным забоем, и вращательное колонковое, при котором порода забоя разрушается по кольцу пустотелым цилиндром – коронкой, внутри которой остается неразрушенный столбик или колонка породы (керн); вот почему этот вид бурения называется колонковым.

Вращательное бурение делится на бурение с двигателем на поверхности, от которого вращение буровому инструменту (наконечнику) передается штангами – бурильными трубами, и на бурение с забойными двигателями, когда последние опускаются на трубах, непосредственно за породоразрушающим инструментом. Забойными двигателями могут быть: турбобур, электробур, гидровибратор и пр.

а – тип М; б – тип Т; в – тип С; г – тип К

При колонковом бурении для разрушения породы применяются алмазы и твердые сплавы, закрепляемые в коронки, и дробь, засыпаемая на забой под коронку. Различают бурение алмазное, твердыми сплавами и дробовое.

В колонковом бурении возможно также применение гидроперфоратора, при помощи которого разрушение породы производится частыми ударами по коронке, вооруженной резцами из твердых сплавов, с одновременным вращением коронки. Это – комбинированный способ разрушения породы на забое.

Вращательное, в том числе и колонковое бурение обычно ведется с промывкой забоя. При этом продукты разрушения породы (шлам) выносятся на поверхность восходящим потоком жидкости. При ударном канатном бурении очистка забоя производится специальным инструментом – желонкой – уже после того, как порода разрушена долотом.

Для проходки неглубоких скважин применяется вибробурение – углубление скважины путем уплотнения породы под действием осевых и вибрационных нагрузок.

Наконец, по виду применяемой энергии различают бурение ручное и бурение механическое.

Источник