Развитие научно-технологических основ электроимпульсного бурения и резания горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат наук Важов, Владислав Фёдорович

• Важов, Владислав Фёдорович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Важов, Владислав Фёдорович

ВВЕДЕНИЕ. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ..................................................................13

1. ПРОБОЙ ЖИДКОСТЕЙ И ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЭИ ТЕХНОЛОГИИ.................................................................................................23

1.1. Высоковольтные характеристики пробоя жидкостей................................24

1.1.1. Электрофизические и вольт-секундные характеристики жидкостей, перспективных для ЭИ бурения.......................................................................25

1.1.2. Электрическая прочность жидкостей при совместном воздействии повышенных давлений и температур.............................................................30

1.2. Вольт-секундные характеристики пробоя горных пород..........................34

1.2.1. Многократный пробой гранита на фронте импульса напряжения.....36

1.2.2. Пробой горных пород при совместном воздействии повышенных давлений и температур....................................................................................44

1.2.3. Пробой горных пород и твердых диэлектриков на спадающей части импульса напряэ!сения.......................................................................................50

2. ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ даЭЛЕКТРИКОВ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ..................................................62

2.1. Вероятностно-статистические исследования электрического старения полиэтиленовой изоляции................................................................................67

2.1.1. Методики изготовления образцов и их испытание................................67

2.1.2. Статистическая обработка результатов.............................................71

2.2. Многоимпульсная электрическая прочность полиэтиленовой изоляции74

2.3. Влияние предварительного воздействия импульсов напряжения на электрическую прочность полиэтиленовой изоляции..................................78

2.3.1. Одноимпульсная прочность.......................................................................78

2.3.2. Многоимпульсная прочность....................................................................82

2.4. Исследование кинетики объёмного заряда, трещинообразования и влияния микродефектов на многоимпульсную прочность полимерной изоляции.............................................................................................................84

2.4.1. Кинетика образования объёмного заряда при многоимпульсном воздействии напряжения................................. ................................................84

2.4.2. Роль трещинообразования и исходных дефектов...................................89

2.5. Метод отбраковки электроизоляционных изделий..................................100

3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДНОГО КАНАЛА И УСЛОВИЙ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭИ ТЕХНОЛОГИИ...............109

3.1. Электроимпульсное разрушение горных пород и бетона при

неподвижных электродах...............................................................................111

3.1.1. Геометрические параметры откольной воронки.................................1 12

3.1.2. Производительность и энергозатраты при электроимпульсном разрушении.......................................................................................................116

3.1.3. Влияние энерговклада на процесс электроимпульсного разрушения .. 118

3.2. Оптимизация размера и формы электродов для ЭИ разрушения...........120

3.3. Влияние повышенных давлений и температур на ЭИ разрушение горных пород.................................................................................................................130

4. ОТБОЙКА И РЕЗАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И БЕТОНА ЭИ СПОСОБОМ ...........................................................................................................................136

4.1. Отбойка гранита и бетона с одной свободной поверхности и с использованием шпуров.................................................................................136

4.2. Резание с использованием перемещающейся системы электродов.......140

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ЭИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА 151

5.1. Буровая установка и методика бурения.....................................................154

5.2. Определение рабочего напряжения при ЭИ бурении..............................160

5.3 Производительность и энергозатраты при ЭИ бурении...........................162

5.4. Гранулометрический и фракционный состав шлама при ЭИ бурении горных пород...................................................................................................170

5.5. Скорость ЭИ бурения..................................................................................178

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................183

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................189

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие научно-технологических основ электроимпульсного бурения и резания горных пород»

ПРЕДИСЛОВИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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 существует более 40 способов разрушения горных пород. Их классификация и возможности опубликованы в ряде работ [1, 2]. Анализируя эти работы, можно отметить, что 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 па 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 [1—7]. Всем известным способам разрушения присущи недостатки, ограничивающие эффективность и технико-экономическую целесообразность их применения, особенно при разрушении крепких и весьма крепких горных пород [4, 7].

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 [1, 3, 5, 6]. 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 [1-3, 6]: • низкий КПД (2-10%);

• наличие сложных кинематических передач;

в быстроизнашивающийся и недостаточно надёжный буровой наконечник;

• резкое уменьшение скорости бурения с увеличением крепости разрушаемых пород и диаметра скважин;

• высокая себестоимость буровых 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.

Доступ с 90-х годов зарубежных специалистов к ранее засекреченным в нашей стране материалам по ряду важнейших направлений (преимущественно гражданских), в том числе по разработке нового электроимпульсного (ЭИ) способа бурения и разрушения горных пород, обусловил интерес ряда фирм (Япония, Германия, Норвегия, Швеция, Великобритания, США, Франция и др.) к работам Томского политехнического университета.

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.

Основными требованиями к новым способам разрушения материалов, являются следующие [5-7]:

1) бездолотное разрушение горных пород, устраняющее ограничения, накладываемые стойкостью породоразрушающего инструмента, и исключающее потери энергии на трение;

2) разрушение горной породы в импульсном режиме, устраняющее значительный расход энергии на пластическую деформацию, позволяющее концентрировать большие мощности при невысоких исходных количествах энергии;

3) обеспечение регулируемой степени измельчения, устраняющее затраты энергии на переизмельчение продуктов разрушения;

4) нагружение горной породы с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, а не сжатия, т. к. прочность на разрыв и сдвиг существенно (в 10-30 раз) ниже прочности на сжатие;

5) отсутствие промежуточных трансформаций энергии, связанных со значительными её потерями;

6) отсутствие значительной зависимости производительности процесса разрушения от крепости горных пород;

7) хорошая управляемость характером и направленностью разрушения.

Практически всем перечисленным выше требованиям отвечает ЭИ способ разрушения различных диэлектрических и полупроводящих

материалов, к которым относится большинство горных пород и руд. ЭИ способ разрушения был предложен и реализован в Томском политехническом институте. Этому открытию предшествовали исследования по физике пробоя твердых, жидких и газообразных диэлектриков, проводимых широким фронтом под руководством профессора A.A. Воробьева. Электроимпульсное разрушение по своей идее принципиально отличалось от всех разрабатывавшихся в то время способов разрушения под воздействием электрического поля. Эта оригинальная идея была зарегистрирована как открытие Российской академией естественных наук и Международной ассоциацией авторов научных открытий [8]. Авторами этого открытия являются профессора A.A. Воробьёв - научный руководитель работ, Г.А. Воробьёв, А.Т. Чепиков.

Данный способ разрушения оказался чрезвычайно эффективным, что предопределило создание научно-исследовательского института высоких напряжений (НИИ ВН при ТПИ), в котором были разработаны и испытаны в России соответствующие установки.

В выполнении работ по этой тематике участвовали сотрудники кафедр ТПИ: техники высоких напряжений, электроизоляционной и кабельной техники, техники разведки месторождений полезных ископаемых.

Первые работы по ЭИ бурению скважин в горных породах преимущественно на лабораторных образцах были выполнены в 1961 г.[9, 10]. В период 1963-1978 гг. были организованы испытания ЭИ буровых установок в полевых условиях в окрестностях г. Томска, г. Апатиты, г. Лепипогорска (Казахстан), на Колыме, БАМе, Курской магнитной аномалии, которые показали конкурентоспособность ЭИ технологии среди самых современных способов бурения.

Эти работы позволили отработать технику и технологию ЭИ бурения скважин диаметром до 250 мм и рабочими расстояниями между электродами в диапазоне 10- 50 мм, а также выявить основные проблемы в технологическом оборудовании. Во время полевых испытаний было пройдено более 1000 метров скважин (максимальная глубина одной скважины составляла 233 м) и зафиксирована скорость проходки скважины диаметром 250 мм 14 м/ч при частоте следования импульсов 10 имп/с на вечной мерзлоте (Колыма).

Опытная эксплуатация ЭИ буровых установок выявила ряд проблем, которые затрудняют проектирование и создание промышленных образцов ЭИ буровых установок с большим ресурсом работы.

Одной из них является необходимость использования высоких амплитуд импульсного напряжения (до 400 кВ и более), которые необходимо транспортировать к рабочему инструменту (буровому наконечнику). Основная масса отказов при бурении связана с электрическим пробоем твёрдой и жидкой изоляции в буровом снаряде. Все исследователи при полевом бурении использовали в качестве рабочей жидкости

трансформаторное или соляровое масло. В настоящее время по требованиям экологии эти жидкости использовать запрещено.

Твёрдая изоляция, используемая в буровом снаряде, испытывает многократное воздействие импульсного напряжения при высоких градиентах электрического поля, что существенно уменьшает срок её службы, и требует специальных исследований. Поиск методов снижения амплитуд импульсного напряжения, используемого для ЭИ бурения, а также поиск и исследование буровых растворов и изоляционных материалов и конструкций, отвечающих требованиям ЭИ технологии и экологии, остаются актуальной задачей и до настоящего времени.

В связи с потребностью в значительных затратах финансовых средств (единицы - десятки миллионов рублей советского номинала), необходимость привлекать мощные проектные организации и промышленные предприятия, а также низкой заинтересованности в инновациях руководителей отраслевых министерств работы по ЭИ бурению с конца 70-х годов не получали государственной поддержки. Закрытость темы препятствовала заключению хозяйственных договоров с заинтересованными гражданскими предприятиями.

В этой связи НИИ ВН стал ориентироваться на разработку и внедрение других более простых ЭИ технологий, прежде всего - очистка и обеззараживание питьевой воды, дробление и измельчение минерального сырья и искусственных материалов, активизация химических реакций. Работы по ЭИ бурению при этом были сильно сокращены.

Несмотря на перечисленные выше достоинства ЭИ технологии, ее продвижение в промышленность (и, соответственно, на рынок) задержалось на десятилетия. Кроме объективных трудностей освоения принципиально повой технологии (преимущественно технических и технологических), негативную роль сыграли и ошибки руководителей тематики в выборе стратегии и тактики продвижения новой технологии.

Следует отметить, что проведенные ранее исследования так и не определили наиболее эффективную область применения ЭИ технологии бурения. Ориентируясь на потребности промышленности (геотермальные скважины, глубокие скважины на нефть и газ, скважины под опоры мостов и захоронение опасных отходов, вентиляционные шахтные скважины и т.д.) необходимы дальнейшее совершенствование бурения скважин и стволов большого диаметра и глубоких скважин.

Новый этап в истории ЭИ-технологии начался в 1996г. с заключения первого зарубежного контракта с фирмой «Komatsu». Для выполнения этого контракта была организована рабочая группа в составе; Важов В.Ф. (ответственный руководитель), Адам A.M., Левченко Б.С., Муратов В.М., Пельцман С.С., Жгун Д.В. Этот год можно считать годом второго рождения ЭИ бурения в НИИ ВН. Задача осложнялась тем, что необходимо было конструировать ЭИ буровые снаряды для бурения скважин диаметром 300мм

и более в крепких горных породах. Было создано 3 изобретения, защищенных патентами РФ [11-13]. Япония организовала патентование наших изобретений в других странах. Было оформлено две международные заявки на изобретения, получено два патента на изобретения в США, один в Австралии и два в Японии, последний из которых зарегистрирован в 2007 г.

К моменту завершения работ с фирмой «Komatsu» (Япония) в НИИ ВН появились новые заказчики - фирмы «Statoil» и «UnoDrill ltd» (Норвегия), фирма «Schlumberger» (США-Англия-Франция), Дрезденский технический университет, с которыми были заключены контракты на научно-исследовательские работы по ЭИ бурению и резанию, на разработку генераторов высоковольтных импульсов погружного типа. В настоящее время работы по этим контрактам интенсивно развиваются. Совместно с фирмой «UnoDrill ltd» разработан и получен патент, зарегистрированный в США, а заявка на изобретение совместно с фирмой «Schlumberger» находится в стадии оформления.

Развитие ЭИ технологий и требования заказчиков определили необходимость дальнейшего углубления и расширения научных исследований процессов пробоя и разрушения горных пород и диэлектриков, решения технологических задач при ЭИ бурении и резании. В связи с этим, основными направлениями исследований в данной работе являются вопросы, связанные с ЭИ бурением и резанием.

Ранее было показано, что увеличение рабочего промежутка между электродами перспективно для увеличения производительности процесса. Но основные исследования проведены для расстояний не превышающих 50мм. Поэтому исследования характера разрушения горных пород при увеличении длин рабочих промежутков, разработка рабочих наконечников, определение энергетических показателей разрушения позволит перейти к созданию оборудования для бурения скважин большого диаметра. Перспективы глубинного бурения могут быть определены при исследовании изменения электрической прочности буровых растворов и характера разрушения горной породы в условиях повышенных температур и давлений.

Внедрение канала разряда в твердый диэлектрик на плоской части прямоугольных импульсов с наносекундным фронтом ставит вопрос об исследовании ЭИ эффекта на импульсах произвольной формы.

Решение указанных выше проблем позволит сформулировать требования и рекомендации по созданию ЭИ буровых установок, что актуально в плане дальнейшего продвижения ЭИ бурения в промышленность.

Следует отметить, что все попытки предыдущих исследователей описать языком математики процесс внедрения канала разряда в горную породу и её разрушение оказались неудачными. Поэтому все основные результаты, полученные авторами исследований, основывались на экспериментальном

изучении процессов и феноменологическом их описании. В данной работе мы использовали такой же подход.

Цель исследований. Дальнейшая разработка и совершенствование перспективного электроимпульсного метода применительно к бурению глубоких скважин и скважин большого диаметра, а также резания горных пород и искусственных материалов.

Задачи, требующие решения для достижения поставленной цели: Критический анализ результатов разработки и апробирования ЭИ технологии на начальном этапе (примерно 1961-1982гг) с целыо определения основных технологических проблем, затормозивших дальнейшее развитие ЭИ технолгогии и препятствующих ее внедрению в практику.

1. Выбор и исследования электрической прочности технологичных промывочных жидкостей, отвечающих требованиям экологии, в широком диапазоне рабочих промежутков, температур и давлений.

2. Исследования электрической прочности горных пород с высокими прочностными свойствами в широком диапазоне изменения расстояний между электродами, температуры и давления.

3. Поиск и исследование способов снижения пробивных напряжений горных пород при больших межэлектродных расстояниях.

4. Исследование механизмов старения и срока службы полиэтиленовой изоляции, при многоимпульсном воздействии; разработка метода отбраковки изоляторов, используемых в ЭИ технологи.

5. Изучение характера разрушения горных пород в широком диапазоне изменения рабочих промежутков при различных величинах эперговклада, температур и давлений.

6. Бурение скважин большого диаметра, резание и отбойка горных пород и разработка рекомендаций для повышения их эффективности.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что импульсная электрическая прочность промывочных жидкостей (синтетических экологически чистых жидкостей и буровых растворов) и горных пород позволяет бурить ЭИ методом скважины глубиной, как минимум, до 3500 м и диаметром до 400 мм.

2. Найдены оптимальные параметры импульсного напряжения, позволяющие до 2,4 раза снизить необходимую для пробоя амплитуду напряжения.

3. Экспериментальными исследованиями импульсной электрической прочности горных пород при совместном воздействии высоких температур (до 120°С) и давлений (до 350 МПа) установлено, что этот фактор не является лимитирующим при выборе технологических режимов ЭИ -бурения.

4. Показано наличие оптимальных параметров энерговклада в разрядный канал, обеспечивающих максимальную производительность процесса в широком диапазоне изменения рабочих промежутков и параметров источника импульсов.

5. Найдены оптимальные конструкции бурового наконечника и величины энерговклада, обеспечивающие возрастание скорости ЭИ бурения при увеличении диаметра скважины.

6. Выявлены и изучены основные механизмы электрического старения монолитной полимерной изоляции - образование и развитие субмикро- и микротрещин, искажение поля в результате накопления инжектированных объёмных зарядов и предложен метод отбраковки дефектных изоляторов.

Практическая ценность и реализация результатов:

1. Разработаны методы выбора параметров источника импульсных напряжений и конструкции рабочих органов ЭИ буровых установок для

проходки глубоких скважин и скважин большого диаметра.

2. Выбраны синтетические жидкости и буровые растворы, пригодные по реологическим и электрофизическим характеристикам для использования при бурения скважин различных параметров и приемлемые по экологическим свойствам.

3. Предложен метод уменьшения минимально допустимой амплитуды рабочего импульса напряжения, радикально снижающий требования к высоковольтной части ЭИ - буровых установок.

4. Предложены феноменологические методы расчёта параметров импульсов и характеристик разрушения горных пород ЭИ способом.

5. Разработана методика отбраковки изоляционных полимерных изделий, применяемых в ЭИ технологии.

6. Разработана, изготовлена и испытана ЭИ - установка для бурения скважин диаметром 400 мм по заказу фирмы Stat Oil и UnoDrill и резания горных пород для Дрезденского университета(Германия).

7. Показана принципиальная возможность ЭИ бурения скважин до глубины 3500 м.

Личный вклад автора. Основные положения, выносимые на защиту, основаны на результатах, полученных лично автором или группой сотрудников и аспирантов под руководством и непосредственном участии автора. (Автор руководил лабораторией по изоляционной тематике и исследовательской группой по ЭИ бурению). Опубликованные работы написаны автором диссертации или при его непосредственном участии. По теме диссертации защищено 4 кандидатских диссертации, в выполнении которых автор принимал непосредственное участие в качестве консультанта. Автор принимал участие при проведении ЭИ бурения в полевых условиях в различных регионах страны: Рудный Алтай, Курская магнитная аномалия, Колыма, Байкало-Амурская магистраль, Томская область.

Апробация работы. Идеи и основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всесоюзных, Всероссийских и региональных конференциях, совещаниях. Всего сделано 90 докладов.

Из них:

• международных - 34 доклада: IEEE Pulsed Power - 5 (1997, 1999, 2001, 2002, 2006 гг.), «Проблемы геологии и освоение недр» - 6 (2000, 2001, 2004, 2005, 2010, 2011,2013 гг.), «Физика диэлектриков» - 4 (1997, 2000 гг.), «Современные техника и технологии» - 8 (2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2013 гг.), «Нетрадиционные технологии в строительстве» - 2 (1999, 2001 гг.), «Энергосбережения, экология и безопасность» - 1 (1999 г.), «Korus -2000» (2000 г.), «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (2000 г.) «Электромеханика, электротехнология и электроматериаловедение» - 2 (2003, 2006 гг.);

• Всесоюзных и Всероссийских - 36 докладов;

• региональных - 22 доклада.

Результаты работы автора с коллективом сотрудников были представлены и награждены:

1. II Московский международный салон инноваций и инвестиций: диплом и Бронзовая медаль за разработку «Электроразрядные технологии разрушения горных пород», г. Москва, ВВЦ, 6-9 февраля 2002 г.

2. IV Московский международный салон инноваций и инвестиций: диплом и Золотая медаль за разработку «Электроразрядиые технологии. Резание горных пород», г. Москва, ВВЦ, 25-28 февраля 2004 г.

3. V Московский международный салоп инноваций и инвестиций: диплом и Бронзовая медаль за разработку «Разрушение поверхностного слоя бетона и камня электроразрядным способом», г. Москва, ВВЦ, 15-18 февраля 2005 г.

4. Международная выставка-конгресс «Высокие технологии, инновации, инвестиции»: диплом 2 степени и Серебряная медаль за разработку «Высоковольтный электроразрядный бур» в номинации «Лучший инновационный проект в области экологии и рационального природопользования», г. Санкт-Петербург, 2—3 октября 2007 г.

5. 12 международная выставка-конгресс. Конкурс «Сибирские Афины»: диплом за разработку «Установка для высоковольтного импульсного бурения крепких горных пород», г. Томск, 2009 г.

6. Петербургская техническая ярмарка: диплом 1 степени и Золотая медаль за разработку «Высоковольтная импульсная буровая установка» в номинации «Новые высокотехнологические разработки оборудования и наукоёмкие технологии», г. Санкт-Петербург, 15-17 марта 2011 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы автором опубликовано 105 научных работ. Из них: 48 работ в изданиях из перечня ВАК и зарубежных; 14 работ в региональных изданиях; 43 научно-технических отчёта. Получено 28 патентов и авторских свидетельств, из которых 4 запатентованы за рубежом.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из предисловия, введения, пяти глав, заключения, списка литературы из

337 наименований. Содержание диссертации изложено на 213 страницах, содержит 87 рисунков и 29 таблиц.

ВВЕДЕНИЕ. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ.

Пробой твердых диэлектриков, как впрочем, и других диэлектрических сред, завершается образованием плазменного канала, обладающего высокой проводимостью и замыкающего разрядный промежуток. При длительном воздействии напряжения (постоянного или переменного) реализуется электротепловой механизм нарушения электрической прочности и пробоя, т. е. происходит нарушение теплового баланса в локальной области изоляции. При этом прочность твердых диэлектриков, как правило, превышает прочность жидких [15]. Пробой диэлектриков на импульсном напряжении приводит к смене механизма пробоя - реализуется электрический (электронный) механизм пробоя [14-19].

При воздействии импульса высокого напряжения с фронтом субмикросекундной длительности на твердый диэлектрик (или горную породу), расположенный в электроизоляционной жидкости (в том числе и воде), происходит внедрение канала разряда в твердый диэлектрик (горную породу). Это явление - основа электроимпульсного способа разрушения [7-9, 17, 28]. В канале за время Ю^-Ю^с выделяется электрическая энергия, запасенная в источнике высоковольтных импульсов (обычно в многоступенчатом генераторе импульсных напряжений - ГИН). По мере выделения энергии канал расширяется, оказывая давление на горную породу и создавая переменное во времени и пространстве поле механических напряжений. За счет интенсивной дивергенции волн, их взаимодействия со свободными границами и неоднородностями породы это поле имеет сложный характер с большим удельным содержанием растягивающих и сдвиговых напряжений [7, 17, 21]. В объеме горной породы развиваются процессы, подобные взрыву. Аналогии канала разряда с взрывчатыми веществами (ВВ) для описания процессов при пробое твердых и жидких диэлектриков па завершающей стадии, названные «электрический взрыв», успешно использовывались для анализа и описания процессов при ЭИ разрушении [14]. Рабочим телом (инструментом), разрушающим горную породу, является плазма канала разряда, которая возобновляется от разряда к разряду, т. е. не изнашивается и не стареет. В самой сущности ЭИ способа заложена возможность достижения более высокой в сравнении с механическими способами эффективности разрушения с низкими энергетическими затратами. Как и при разрушении с помощью ВВ, источник нагружения находится непосредственно в объеме твердого тела, разрушение которого происходит с преобладанием растягивающих напряжений [21]. Известно, что прочность материалов на разрыв на порядок ниже, чем на сжатие, свойственное долотным способам разрушения при воздействии на разрушаемое тело с поверхности. Динамический характер нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала с очень малыми потерями энергии на пластическую деформацию.

Следуя указанной последовательности явлений, в ЭИ разрушении горных пород выделяют две стадии:

1) пробивную - формирование канала разряда;

2) послепробивную (разрядную) - выделение энергии ГИН в канал разряда, преобразование электрической энергии во внутреннюю энергию продуктов канала и далее в энергию поля механических напряжений и образование откольной воронки [7, 17, 21].

Эффективность ЭИ разрушения пород (совокупность вероятности внедрения и энергоемкости разрушения) 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 [7]. Этот вывод подтверждается результатами работ [10, 22]. На рис. В.1 приведена диаграмма изменения скорости ЭИ бурения различных горных пород в зависимости от предела прочности при одноосном сжатии [10]. Видно, что прочность горных пород на сжатие изменяется в 17 раз, а скорость ЭИ бурения всего в 2,6 раза. При механических способах бурения такое изменение прочности приводит к снижению скорости бурения в 12-15 раз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Важов, Владислав Фёдорович, 2015 год

// у -

10

60

А О

20

75 Д

б

5 ~4

1,2

90 А

ил

V«'

кДж/см

110 к

-- - - - - - - * -_____- 1'Л - - - - -

4

'з 2 1

30 Р, МПа

Рис. 3.17. Зависимость производительности разрушения (1 3) и энергозатрат (4-6) от давления и температуры: 1,4- песчаник; 2, 5 - известняк; 3,6- гранит

В табл. 3.6 приведены значения относительного изменения объема откольной воронки для исследованных горных пород. При атмосферных условиях (Р = 0,1 МПа, Т = 17 °С) объем разрушения для песчаника и известняка значимо меньше, чем для гранита. Но для давления Р = 5 МПа относительное снижение для гранита значительно больше, чем для песчаника и известняка. Эта особенность сохраняется при дальнейшем увеличении Р вплоть до 35 МПа (рис. 3.17, табл. 3.6). Следует очмегить, что абсолютные значения объемов разрушения для разных пород при высоких давлениях и температурах сближаются, а при Р ~ 10 МПа практически одинаковы (рис. 3.17).

Таблица 3.6

Относительное изменение объема разрушения

Горная порода

Гранит

Известняк

Песчаник

Относительное изменение О

Р = 0,1 МПа Т= 17 °С

1,0

0,73

0,62

Р = 5 МПа Т= 25 °С

6,5

3,7

4,5

Р = 35 МПа 71 = 1 10 °С

9

4,6

5,6

Энергозатраты на разрушение при повышенных давлениях и температурах резко возрастают в диапазоне давлений до 10 МПа при температурах до 30 °С (рис. 3.17, табл. 3.7). Дальнейшее повышение давления и температуры слабо влияет и на энергозатраты, и, соотвсчственно, на производительность разрушения. Наибольшее относительное повышение энергозатрат характерно для гранита.

Горная порода

Гранит

Известняк

Песчаник

Таблица 3.7

Относительное изменение энергозатрат

Относительное изменение Ж

Р = 0,1 МПа

Т= 17 °С

1,0

1,65

1,36

\-д

Р = 5 МПа Т= 25 °С

6,6

4,6

4,5

Р = 35 МПа Т= 110 °С

11,4

4,6

5,4

Совместное повышение давления до 35 МПа и температуры до 110 °С приводит к уменьшению производительности разрушения и увеличению энергозатрат для исследованных горных пород в 5-11 раз. Наиболее значительные их изменения происходят в диапазоне давлений 0,1-5 МПа и температур до 30 °С, что, в первую очередь, обусловлено увеличением давления. Дальнейшее повышение давления и температуры слабо влияет на изменение производительности и энергозатрат.

Существенное снижение производительности ЭИ разрушения и увеличения энергозатрат порождает сомнение в эффективности применения ЭИ способа для бурения глубоких скважин. Но подобный эффект имеет место и при традиционных способах бурения глубоких скважин. Например, снижение скорости бурения алмазным и шарошечным способами по породам У1-1Х категории буримости составляет 12-16 раз при увеличении глубины скважины до 2500м [96]. Как показано в разделе 3.1.1, при увеличении расстояния между электродами существенно возрастает производи!ельность ЭИ разрушения горных пород. Сохраняется ли этот эффект при воздейс твии высоких давлений и температур?

Нами проведен оценочный эксперимент по влиянию совместного повышенного давления и температуры на производи! ел ы юс п> и энергозатраты в зависимости от расстояния между электродами. Диапазон изменения расстояний £= 10-30 мм.

В табл. 3.8 приведены средние результаты 3-5 опытов для каждого расстояния. Из табл. 3.8 следует, что с увеличением расстояния 8 быстро возрастает производительность разрушения и уменьшаются энергозафаты.

Таблица 3.8

Характеристики разрушения гранита

Б, мм Р, МПа Т, °С О, см"Уимп У/>л, Дж/сдР~

_10__25__85__0Д2___^~52500 _

20__25__ 85 0,11___"9545"_

30__ 25 84 0,31 3500

В указанном диапазоне расстояний изменение производи ¡ельности может быть описано выражением (3.3)

(з.ю)

где = 0,02 см /имп - производительность при 5 = 1 см, т. е. зависимость возрастает более круто, чем по (3.3). Поскольку глубокое бурение осуществляется скважинами большого диаметра, то при ЭИ бурении возможно увеличение расстояния между электродами Б» 30 мм. 11о нашему мнению, ЭИ способ бурения глубоких скважин имеет значите п.ные преимущества перед традиционными механическими способами, что подтвердили испытания, проведенные заказчиком. Основные преимущества следующие:

1) относительно высокая производительность разрушения при увеличенных расстояниях между электродами;

2) значительная глубина бурения без замены бурового наконечника (сотни -тысяча метров [47, 49]), как результат отсутствия вращения бурового наконечника;

3) возможность применения погружного источника высоких напряжений [7, 101], благодаря большому диаметру скважин.

Исследования в разделе 3.3 выполнены при поддержке фирмы 8сЫитЬег§ег и Американского фонда гражданских исследований и развития (СЕШБ).

Выводы

1. Для каждого межэлектродного расстояния имеет место отпмальное значение энерговклада, при котором удельные энергозатраты минимальны. Дальнейшее увеличение энерговклада увеличивает объём откол ьной воронки, увеличивает производительность разрушения, что может быть привлекательным при бурении, так как при этом увеличивается скорость бурения.

2. Совместное повышение гидростатического давления до 35,0 МПа и температуры до 110°С приводит к уменьшению производительности ЭИ разрушения и увеличению энергозатрат в 5-11 раз в зависимости 01 вида горной породы. Наиболее значительные изменения происходят в диапазоне давлений 0,1-5,0 МПа и температур до 30 °С, что обусловлено, главным образом, увеличением давления. Дальнейшее повышение давления и температуры слабо влияет на производительность и энергозатраты. Увеличение расстояния между электродами значительно увеличивает производительность разрушение, что более эффективно, чем при нормальных условиях.

3. Пластинчатые электроды имеют существенно лучшие характеристики разрушения по сравнению со стержневыми. При этом эпср| озатраты уменьшаются в 2,14 раза. Оптимальный размер электродов (площадь контакта их с поверхностью горной породы) зависит от воздействующего напряжения: увеличение напряжения позволяет увеличивать размер электродов. Максимальный размер электродов, допускающий эффективную работу, ограничивается электрической прочностью жидкости для заданного межэлектродного расстояния.

4. ОТБОЙКА И РЕЗАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И БЕТОНА )И

СПОСОБОМ

4.1. Отбойка гранита и бетона с одной свободной поверхнос I и п с

использованием шпуров

По заказу японской фирмы «Когг^Би» проведены исследования по ЭИ отбойке гранита и бетона с одной свободной поверхности с нелыо использования электроимпульсного способа для проходки туннелем], с 1 волов шахт, очистки верхних слоев дорог, загрязненных поверхнос ¡ей, стеновых панелей, неровностей после взрывных работ и т. п.

В качестве источника энергии использовался ГИН с поминальным напряжением 700 кВ, которое регулировалось в зависимости 01 рассюяния между электродами и свойств твердых материалов. Энергия, запасаемая ГИН, достигала 43,8 кДж. Формируемые импульсы напряжения имели: фронт длительностью 0,2-0,5 мке, и спадающую часть длительностью до полуспада меньше или равной 50 мкс. Пробой осуществлялся на фроше импульса напряжения.

Расстояние между электродами 5 изменялось от 100 до 300 мм. Электроды - отрезки высоковольтного кабеля с полиэтиленовой и юл я I шей диаметром 36 мм и медной жилой диаметром 6 мм.

Образцами для исследований служили широко применяемые и резко различающиеся по физико-механическим свойствам и структуре ма1ерналы — гранит и бетон марки 300. Удельная механическая прочность гранта при одноосном сжатии 233 МПа, бетона - 85 МПа.

Отбойка электроимпульсным способом производилась в двух вариантах. Первый: электроды располагаются непосредственно на разрушаемой поверхности образца - наложенные электроды. Второй вариан т: хчекфоды устанавливаются в предварительно приготовленные шпуры диамечром 40 мм. В экспериментах с наложенными электродами размеры образцов соаавляли 450x400x300 мм, в экспериментах со шпурами - 900x900x450 мм. Эти образцы забетонированы в стальные ванны размером 1100x1000x600 мм с толщиной стенок 10 мм для уменьшения вероятности раскола образцов без образования откольной воронки. При расположении эюю родов непосредственно на поверхности образца вся поверхность находилась под слоем воды высотой не менее расстояния между электродами. При заглублении электродов в шпуры водой заполнялись только шпуры. Образцы, расколовшиеся в процессе экспериментов, нами не учитывались. 11а и большая эффективность разрушения достигается при подаче нескольких импульсов без изменения положения электродов [83, 90, 282, 284].

При воздействии высоковольтного импульса на образец измерялись следующие величины: пробивное напряжение С/Пр, время до пробоя /„р, период протекания тока разряда X, объем откольной воронки К, число воздействующих импульсов п, а также рассчитывались: энергия, запасаемая

ГИН W, суммарная энергия Wпроизводительность разрушения (2; энергозатраты WyJl; энерговклад М.

Отбойка при наложенных электродах.

Интерес представляет возможность ЭИ-отбойки твердых тел при расположении электродов на одной поверхности.

На рис. 4.1 приведены зависимости производительности разрушения для гранита (1, 2) и бетона (3) от расстояния между электродами при разном энерговкладе М в канал разряда. Величина энерговклада дана в определенном диапазоне, так как в реальных условиях с изменением расстояния между электродами и для разных материалов (изменение рабочего напряжения) крайне затруднительно получить необходимую (расчетную) энергию, запасаемую ГИН. Из рис. 4.1 видно, что для гранита увеличение S в 3 раза при М= 75-120 Дж/мм (7) приводит к росту производительности в 4,2 раза, а при М = 35-60 Дж/мм (2) - в 4,5 раза. Для бетона увеличение S в 2 раза при М ~ 1626 Дж/мм (3) вызывает возрастание Q в 3,76 раза. Значительный вклад в увеличение производительности разрушения вносит повышение энерговклада. Например, для гранита повышение энерговклада в 2 раза (/, 2) при S = 300 мм вызывает рост производительности разрушения в 1,6 раза, а энергозатраты при этом возрастают только в 1,24 раза. То есть увеличение энергии, запасаемой ГИН, увеличивает объем разрушения, который при реализованных условиях эксперимента достигает 260 см3 за один импульс.

При разрушении твердых тел важнейшей характеристикой является энергия, затраченная на единицу объема разрушения, энергозатраты Wn). I la рис. 4.1 приведены энергозатраты для всех условий эксперимента {4-6). С учетом достаточно высокой дисперсии экспериментальных данных при изменении расстояния между электродами в узком диапазоне S = 100-300 мм энергозатраты остаются практически неизменными, но зависят от энерговклада.

Рис. 4.1. Зависимость производительности разрушения (1-3) и энергозатрат (4-6) от расстояния между электродами: 1,4- гранит, М— 75-120 Дж/мм; 2, 5 - гранит, М= 35-60 Дж/мм; 3, 6 -

бетон, М= 16-26 Дж/мм

Следовательно, для увеличения производительности разрушения или уменьшения энергозатрат при заданном расстоянии между электродами необходимо оптимизировать энергетические характеристики ГИН по выбранному признаку.

Из табл. 4.1 следует, что ЭИ-способ отбойки значительно менее энергозатратен по сравнению с традиционными способами разрушения. Следует отметить, что результаты по ЭИ-разрушению не оптимизированы. Оптимизация позволит улучшить показатели ЭИ-разрушения.

Таблица 4.1

Энергозатраты для различных способов разрушения

Способ разрушения Ударный Вращательный Взрывной Электрогидравлический Огневой ЭИ

Энергозатраты, Дж/см3 200-650 400-950 200-400 400-500 1500 80- 138 1

Отбойка с использованием шпуров

Применение шпуров для отбойки горных пород и искусственных материалов позволяет регулировать глубину разрушения изменением глубины шпуров. Выбор априори глубины шпуров для заданных расстояний между электродами и энергетических характеристик ГИН затруднителен. Нами проведены предварительные эксперименты на граните для оценки диапазона глубин шпуров с целью образования откольной воронки.

При расстоянии между электродами 5= 100 мм и глубине шпура Н= 150 мм после подачи 11 импульсов образец раскололся по оси шпуров без образования откольной воронки. При этом энерговклад составлял Л/ = 438Дж/мм, а энергия в разряде 43,8 кДж. Следовательно, за время выделения энергии в разряде (период протекания тока в канале разряда 4,5-9,8 мкс) необходимое число трещин не успевает достигнуть поверхности образца и откольная воронка не формируется.

Другой предварительный эксперимент состоял в следующем: максимальная глубина шпура Н = 150 мм, расстояние между электродами S = 300 мм, энерговклад М = 146 Дж/мм при энергии, запасенной ГИН, W 43,8 кДж. Вначале электроды устанавливались на глубине 50 мм. После подачи трех импульсов образовалась откольная воронка объемом Vy = 4186 см3

О *2 w

(1395 см /имп), энергозатраты составили 31 Дж/см . Затем электроды были

установлены на глубине 100 мм. После воздействия одного импульса объем

3 ^

разрушения составил 2984 см/имп, а энергозатраты 14,7 Дж/см". Объем разрушения при установке электродов на максимальную глубину 150 мм

3 1

после воздействия девяти импульсов составил 1791 см или 199 см'/имп, а

л

энергозатраты 292 Дж/см . Возможность разрушения с образованием откольной воронки при глубине шпура 150 мм обусловлена предварительными разрушениями при меньших глубинах установки электродов и менее производительна. Следовательно, при глубинах шпуров 50-100 мм следует ожидать наиболее эффективных условии отбойки. В дальнейшем все эксперименты проведены при Н= 50, 100 мм и расстоянии между электродами S = 200 и 300 мм.

В табл. 4.2 приведены результаты отбойки гранита и бетона. В этих экспериментах глубины шпуров соответствовали табличным значениям. Число воздействующих импульсов в зависимости от состоянии образцов в процессе испытаний изменялось от 6 до 9 имп. Число образцов в партии составляло 3-6. Из табл. 4.2 видно, что для гранита и S = 300 мм при увеличении глубины шпура в 2 раза и примерно одинаковом энерговкладе производительность разрушения возрастает в 2,4 раза, энергозатраты уменьшаются в 3,2 раза. Для S = 200 мм и Н= 100 мм даже при энерговкладе в 1,75 раза больше, чем для S = 300 мм, показатели разрушения хуже: производительность меньше в 1,22 раза, а энергозатраты выше в 1,53 рата. Следовательно, увеличение расстояния между электродами при оптимизации энергетических характеристик разряда - привлекательный путь повышения эффективности отбойки горной породы со шпурами.

Представляет интерес рассмотреть влияние угла наклона шпуров к поверхности образца на эффективность образования откольной воронки. В образцах гранита пробурены шпуры диаметром 40 мм под углом 40 ± 5° к поверхности образца на глубину от поверхности 50 мм. Расстояние между электродами 300 мм. В табл. 4.2 приведены результаты экспериментов. Видно, что примерно при одинаковом энерговкладе производительность разрушения со шпурами под углом 40° возросла в 1.28 раза, а энергозат рат ы уменьшились в 1,71 раза. По-видимому, в данном случае большое влияние оказывает сам предварительно приготовленный наклонный шпур, позволяющий увеличить площадь и объем разрушения, что так/.:е способствует повышению производительности отбойки.

Для того чтобы выявить влияние физико-механических характеристик твердого тела на процесс отбойки проведены испытания образцов из бе тона марки 300. Удельная механическая прочность при одноосном сжатии в 2,74 ра .а меньше, чем у гранита, используемого в наших экспериментах. Из табл. 4.2 видно, что при энерговкладе на 24% меньше, чем у гранита, производительность отбойки бетона в 2 раза больше, а энергозатраты в 2,89 раза меньше. Использование шпуров во много раз увеличивает производительность и уменьшает энергозатраты при ЭИ разрушении.

Оптимизация процесса разрушения должна производится относительно заданного фактора.

Таблица 4.2

Результаты отбойки гранита и бетона

Н, мм мм £/„р, кВ ¡V, кДж IVуд, Дж/см Q, см3/имп М, Дж/

Гранит: вертикальные шпуры

50 300 630 35,4 105,2 416 118

100 300 600 33,9 33,8 1005 1 12

100 200 610 39,5 51,8 820,7 197

Гранит: шпуры под углом 40 ± 5°

50 300 600 32,7 61,3 534 109

Бетон: вертикальные шпуры

100 200 460 30,0 17,9 1666 150

4.2. Резание с использованием перемещающейся системы элек тродов Несмотря на значительный прогресс в области техники и технологии проходки щелей и траншей в горных породах, производительность и себестоимость этих работ остаются неудовлетворительными. Главными причинами этого являются быстрый износ породоразр) тающего инструмента, трудности передачи на забой достаточного количества энергии и низкий КПД. Сравнительные характеристики основных традиционных способов механического резания горных пород представлены в табл. 4.3 для песчаника, где w — энергозатраты, П - производительность образования новой поверхности.

Таблица 4.3

Характеристики механических способов резания

Способ резания .., ж-------- IV, кВт/м П, м2/ч Ширина те

Тросовая пила 4,6 3,0 8-1 1

Маятниковая пила 5,2 2,4 6-10

Цепная пила 2,6 10 <42

Дисковая пила 4,4 1,0 3-5

Непрерывно ведётся поиск и исследование новых способов разрушения (резания) твёрдых тел, основанных на новых принципах. Одним из таких способов является ЭИ способ резания горных пород. В проводимых ранее исследованиях по ЭИ резанию использовались резаки с электродами, длина которых равна длине прорезаемой щели, резание осуществлялось в изоляционных жидкостях. Использовались две конструкции резака: пластинчатый, стержневой и их модификации [7, 23, 45, 109, 270, 281, 292].

Стержневые резаки имеют более высокое омическое сопротивление, чем пластинчатые, что позволяет применять в качестве изолирующей и рабочей

среды воду. При резании стержневым резаком в воде с удельным сопротивлением р = (0,6 -0,9) х 104 Ом-см щели длиной 0,35 м, и шириной 50 мм удельные энергозатраты составили 4-6 кВт-ч/м" по песчанику (о = 45 МПа) и 3,5-4,5 кВт-ч/м2 по известняку (а = 85 МПа) [109]. Однако при таких конструкциях резаков возникают значительные трудности удаления из щели разрушенной породы, а при резании резак часто «зависает» па еюнках щели. Эти резаки имеют ограничение по длине прорезаемой щели вследствие сильного влияния их размеров на параметры импульса напряжения при работе в технической воде с низким омическим сопротивлением. Их применение требует достаточно большой энергии в разряде.

Во всех известных исследованиях по ЭИ резанию энергия импульса

л <5

составляла - 10-10 Дж и более. Это приводит к необходимое 1 и использования громоздких ГИН, что неприемлимо для создания мобильной установки. Не решенной проблемой является надежность и срок службы твёрдой изоляции при работе в воде, которые необходимы при промышленном применении ЭИ способа резания.

Для создания работоспособной установки для ЭИ резания горных пород в воде необходимо уменьшить количество электродов резака и их площадь, что позволит уменьшить энергию, запасаемую ГИН. Минимальнее количество электродов - два, но при этом длина реза очень мала (равна расстоянию между электродами).

Нами предложено и впервые проведены систематические исследования при использовании двух электродов непрерывно перемещаемых вдо 1Ь траектории реза. При этом электроды расположены по оси прорешемои щели, что исключает зависание электродной системы на шероховаюсг-х стенок щели, и решается проблема надежности работы твёрдой изоляции [V2, 272, 293-302].

Эксперименты проводились на испытательном стенде, сосюящсм из ГИН, полиэтиленового бака с водой, выемной ячейки с образцом камгя, системы перемещения электродов, системы промывки, систем измерении и защиты [92, 272, 295, 296]. Режущим инструментом являла ь двухэлектродная стержневая система (рис. 4.2) [302]. Форма элекл родов быча выбрана, исходя из условия минимизации их зацепления за стенки и дно щели. Межэлектродное расстояние варьировалось в пределах 20-28 мм.

Электродная система перемещалась при помощи привода вдо \ь поверхности блока обрабатываемого камня с регулируемой скорое и. о. Рабочей жидкостью являлась вода с удельным сопротивлением

р = (30,0 -6,5) • 103 Ом-см.

Образцы изготавливались из гранита (ст = 160 МПа), песчаника ( о - -5 МПа), габбро ( ст = 250 МПа), а также бетона марки МЗОО.

Рис. 4.2. Электродная система: 1, 2 - электроды из нержавеющей стали;

3 - изоляционный держатель; 4 - промывочная трубка

На рис. 4.3, приведены фотографии щелей, прорезанных ЭИ способом в песчанике. Стенки щели шероховаты. Степень шероховатости зависит в первую очередь от расстояния между электродами и энергии в разряде. При энергии импульсов W = 30-125 Дж и промежутках до 28 мм максимальная глубина впадин и выступов на стенках щели составляет 2 мм в песчанике и 6 мм в граните. Результаты измерений поверхности сгспок щели подтверждаются ситовым анализом продуктов разрушения (шлама) (рис. 4.4).

Эксперименты для непрерывно перемещаемой двухэлект родной системы проводились при энергии, запасённой ГИН, W = 44,5-50 Дж. Шаг перемещения m всегда был меньше S. Количество воздействующих импульсов при перемещении электродной системы на длину S зависит от т, т.е. количества энергии, выделенное в межэлектродном промежутке И'мэгь Зависимость относительной средней глубины разрушения Н / S от числа импульсов для песчаника, приведена на рис. 4.5. Видно, что 11 для неподвижных электродов достигает максимума при определенном числе импульсов п = 7, 12 имп и не превышает его. Величины Я для неподвижных электродов рис. 4.5, отображены кривой 2.

Рис. 4.3. Щель, прорезанная в песчанике

Размер частиц шлама, мм □ <1.5 □ >1.5<3 Ш >3<5 в 5 Рис. 4.4. Процентный состав шлама по размерам частиц для гранита

При резании горных пород любым способом стремятся уменьшить ширину щели, прежде всего, для уменьшения энергозатрат. Нами получены зависимости изменения ширины щели от энергии, запасаемой ГИН, при одном и том же шаге перемещения, и от шага перемещения электродной системы при одной и той же энергии, запасаемой ГИН (рис. 4.6). При этом расстояние между электродами резака для песчаника составляло Л' = 28 мм, для гранита - 23 мм. Как видно из графиков, ширина щели с увеличением шага перемещения электродной системы уменьшается (кривая 2). От о вполне объяснимо, так как при этом уменьшается число импульсов, которые

воздействуют на горную породу на длине межэлектродного промежутка, и, следовательно, объём горной породы, откалываемой от стенок щели, уменьшается. При увеличении энергии генератора ширина щели увеличивается (кривая 1), так как увеличивается производи цельность единичного импульса вследствие увеличения длины образующихся трещин и зоны разрушения вокруг канала разряда.

н

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0 5 10 15 п, имп

Рис. 4.5. Зависимость изменения относительной глубины разрушения от количества импульсов для песчаника при Ж = 44.5 Дж:

1 -5 = 20 мм; 2 - Б = 28 мм (электроды неподвижны); 3-5=28 мм (с

перемещением электродов)

В проведенных нами экспериментах по резанию гранита и песчаника в воде (рис. 4.6) энергия, запасённая ГИН, изменялась от 28 до 125 Дж, что в 10-16 раз меньше, чем рекомендуется в [7, 23, 109, 270, 281].

Эффективность резания нужно характеризовать энергозатратами на единицу площади вновь образованной поверхности IV. Зависимости энергозатрат ту от энергии, затраченной при непрерывном перемещении электродной системы на расстояние, равное длине межэлекм родного промежутка = IV ■ п, для песчаника, гранита, габбро, бетона приведены на рис. 4.7. Вид зависимостей свидетельствует о возможности оптимизировать удельные энергозатраты, индивидуальные для каждого материала. Удельные энергозатраты на разрушение при движущейся системе электродов линейно увеличиваются с ростом акустической жесткости материалов рис. 4.8, также как и при неподвижных электродах [7]. Полученные результаты позволяют оптимизировать процесс резания по минимуму энергозатрат для различных

горных пород, то есть выбрать длину межэлектродного промежу тка, шаг перемещения электродной системы, сформулировать требования к энергии импульса и частоте повторения импульсов для обеспечения заданной производительности резания.

Ъ, мм

25

20 15 10 5

0 20 40 60 80 100 И/, Дж

1-1-1-1-1-1

0 1 2 3 4 т, мм/имп

Рис. 4.6. Зависимость ширины щели от энергии, запасаемой ГИГ-1, и шага перемещения для гранита (5 = 23 мм) и песчаника (5 = 28 мм):

1 - Ь=/т, 2 - Ъ=/(т)

Производительность резания П определяет площадь вновь образованной в единицу времени поверхности. Поскольку мы использовали генератор с меньшей, чем оптимальная, частотой, то необходимо П оценивать как площадь созданной поверхности за один импульс (см"/имп). Зависимость производительности от Ж- п при перемещении электродной системы изменяется с максимумом, который, например, для гранита наблюдается при Ж • п ~ 900 Дж (рис. 4.9), как и в случае зависимости для энергозатрат (рис. 4.7, кривая 1). Производительность на 1 импульс, разумеется, зависит от Ж, как показано на рис. 4.9. Так, например, авторы [281, 292] для неподвижных электродов на один импульс с энергией 1,0-1,5 кДж при 5=20-25 мм для песчаника получали 0,33-1,0 см3/имп. Однако для промышленного применения электроразрядного резака целесообразней снизить энергию Ж, а объем разрушения увеличить за счёт увеличения числа импульсов п.

о • - гранит ДА- песчаник

5-^2

____1 Л к- —

/ 1

Рис. 4.7. Зависимость энергозатрат от энергии, затраченной при перемещении электродов на величину межэлектродного промежутка: 1 - гранит; 2 - песчаник; 3 - габбро; 4 - бетон

Рис. 4.8. Зависимость удельных энергозатрат от акустической жесткости материалов

П,

см2/имп

ОД-0,08 0,06 0,04 -0,02

200

600

1000

1400

1800

2200 И/ • п, Дж

Рис. 4.9. Зависимость производительности резания гранита от энергии затраченной при перемещении электродов на величину межэлектродного промежутка: 1 - IV = 54 Дж; 2 - 72 Дж; 3 - ]¥= 125 Дж

В табл. 4.4 приведены результаты, полученные разными авторамп при резании горных пород ЭИ способом в соляровом масле и в воде, где 51 -расстояние между электродами, IV - энергия, запасаемая генераюром импульсов (ГИН), Жул - удельные энергозатраты при резании, и> -энергозатраты на единицу вновь образованной площади.

При использовании пластинчатых и многоэлектродных стержневых резаков при резании горных пород в воде требуется большая запасаемая энергия ГИН. В работах [7, 109, 270, 281, 292] величина энергии, запасаемой генератором, составляла сотни и тысячи джоулей на импульс (табл. 4.4), что потребовало использовать ГИН со значительными массогабарит пыми параметрами и привело к низкой надежности работы устройства.

Сравнение результатов, полученных нами, с результатами других авторов для многоэлектродных резаков показало, что энергозатраты (о при одинаковой длине разрядных промежутков для двухстержневой элею родной системы в наших экспериментах значительно (в 2,3-8,0 раза) меньше. При этом снижение энергии в разряде для стержневых электродов составило 1830 раз. Лучшие показатели резания двухэлектродной системой обусловлены уменьшением ширины щели в 2,5-2,7 раза; отсутствием «зависаний» электродной системы на стенках щелей; увеличением вероятности внедрения канала разряда в горную породу; а также значительным уменьшением по [ерь

энергии в предпробивной стадии, особенно в воде, что определяется конструктивными особенностями двух- и многоэлектродных систем.

Таблица 4.4

Характеристики различных форм электродных систем

Электродные системы £ мм Ж, Дж Ж "УД> з Дж/см МДж/м2 ь, мм Материал Среда Автор

о н

& К К н о (Л а 5-25 200 -500 2150 -1660 4-6 50 Песчаник, мрамор, гранит Соляровое масло 1109, 2811

1> м о Я * О, о н о о и о 20 -50 800 -1500 1440 -590 4-6 50 Песчаник, гранит, мрамор, бетон Соляровое масло, вода |Ю9, 2921

Я

Двухстержневые с перемещением

20 -28 44,5 -50 250-350 0,75-2,6 15 -20 Песчаник, гранит, габбро Вода —

Из рассмотренного выше следует, что оптимизация процесса резания -это задача, которая зависит от множества факторов. Необходимо рассчитывать различные режимы резания и из сравнительного анализа выбирать наиболее подходящий. Нами предложен эмпирический подход к определению шага перемещения т двухэлектродной системы и энергии, запасенной ГИН, ¡V при оптимальных по энергозатратам условиях резания (^опт)для различных горных пород [302]. Как показано в работе [22] и нами,

энергозатраты линейно возрастают с увеличением а, коэффициента крепости по М.М. Протодьяконову, акустической жесткости, рис. 4.8. За начальное исходное значение оптимальной величины удельных энергозатрат 1'У01п] нами принят песчаник с коэффициентом по М.М. Протодьяконову / = 4-5. I огда для других горных пород с 20 > / > 4-5, удельные энергозатраты /К011Т,-определяются соотношением

й^опг// ^опп = 0,38 + 0,13/ (4.1)

Энергия, запасаемая ГИН, определяется выражением

Ж=(0,38 + 0,13У)Жопт1//7, (4.2)

где п = Б / т — число импульсов при прохождении электродной сис темой межэлектродного расстояния которое зависит от шага перемещения. Шаг перемещения электродной системы рассчитывается как

т = (0,33-1,11 ) Г-57ЖоптЬ (4.3)

где коэффициент пропорциональности (0,33-1,11) зависит от крепости горной породы: для наиболее крепкой, например, для микрокварцта он равен 0,33, для наименее крепкой, например песчаника - 1,11.

Рассмотренные выше результаты исследований по разрушению горных пород ЭИ способом в воде при малой энергии, запасаемой генератором импульсов, и непрерывном перемещении электродной системы позволяют сделать заключения:

1) эффективность резания (в аспекте общих энергозатрат со) значительно возрастает по сравнению с неподвижной электродной системой и большей запасаемой энергией генератора;

2) энергия, запасаемая ГИН, может быть снижена в 10 и более раз по сравнению с разработанными ранее ЭИ устройствами, что во много раз уменьшает капиталоёмкость установки и повышает надёжность её работы;

3) энергозатраты и скорость резания зависят от шага перемещения электродной системы, оптимальное значение которого определяется длиной разрядного промежутка и энергией, запасаемой ГИН;

4) производительность и скорость резания при заданном шаге определяется частотой следования импульсов и соответствующей скоростью перемещения электродной системы.

На основании рассмотренных выше результатов ЭИ резания горных пород в воде, нами было впервые предложено и апробировано бурение гранита и песчаника малоэлектродным буровым наконечником (2 или 3 электрода) сплошным и кольцевым забоем при непрерывном вращении бурового снаряда (или только наконечника) с заданной скоростью.

Предварительные эксперименты показывают, что при диаметре наконечника 90 мм и расстоянии между электродами 5 = 28 мм при шаге перемещения электродной системы т = 2 мм, энергии запасенной ГИН Ж = 125 Дж и частоте следования импульсов 1 имп/с скорость бурения песчаника сплошным забоем составила 0,31 м/час, что соответствует резульинам, полученным ранее при бурении в воде многоэлектродными буровыми наконечниками [42, 43, 49, 279]. При этом энергия, запасаемая ГИН, снижена в 8раз.

При финансовой поддержке Германского Фонда «Окружающая среда» (дело 16933 от 16.10.2000) нами была разработана, изготовлена, поскшлена заказчику и запущена в работу в Дрезденском техническом универешете установка для резания песчаника. В настоящее время на ней проводя юя исследования по ЭИ разрушению горных пород.

Выводы

На основании исследований по ЭИ отбойке и резанию горных пород можно сделать следующие выводы:

1. Производительность отбойки гранита и бетона резко возрастаем с увеличением расстояния между электродами, когда электроды расположены на поверхности обрабатываемого материала.

2. Отбойка с использованием шпуров существенно увеличивает производительность разрушения и уменьшает энергозатраты по сравнению с п.1. При этом эффективность разрушения зависит от глубины шпуров.

3. Применение для резания горных пород в воде стержневой двухэлектродной системы при непрерывном её перемещении вдоль траектории реза позволяет в 10 и более раз уменьшить энергию, запасённую ГИН, по сравнению с ранее применяемыми электродными системами. При этом решается проблема надёжности работы высоковольтной изоляции, реализуется применение воды в качестве рабочей жидкости.

4. Скорость резания, энергозатраты, ширина прорезаемой щели завися! от шага перемещения электродной системы, оптимальное значение коюрого определяется энергией, запасённой ГИН, и длиной разрядного промежуиса. Скорость резания при заданном шаге перемещения зависит от часкшл следования импульсов. Эффективность резания двухэлек 1 родной перемещающейся системой при одинаковом расстоянии между элею родами значительно выше, чем для многоэлектродной неподвижной сисюмы с большей энергией, запасаемой ГШ-!.

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ЭИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО

ДИАМЕТРА

В табл. 5.1 обобщены основные результаты испытаний в полевых условиях буровых установок на основе ЭИ технологии, полученные в период до 1985г. В ней приведены данные об использованных буровых снарядах (БИ), буровых наконечниках к ним (БН), достигнутые скорости бурения (К) для разных видов горных пород, приведенные к частоте 10 имп/с (в процессе бурения использовались различные частоты следования импульсов), а иноке используемые рабочие жидкости [10, 39, 46, 49,71, 75, 106, 285, 303-3081. В табл. 5.1 следующие обозначения:

• БИ-44 и т. д. - буровой импульсный снаряд диаметром 44 мм (данное обозначение наиболее часто употребляется в литературе);

• БН-50-8 и т. д. — буровой наконечник диаметром 50 мм, расстояние между электродами 8 мм (данное обозначение наиболее часто употребляе 1 ся в литературе);

• коэффициент крепости по М.М Протодъяконову — сопротивление разрушению горной породы, диапазон 0,1-25;

• категория буримости классифицируется для различных горных пород по экспериментальным данным и литературным источникам (всего 12 категорий);

• рабочая жидкость - а) «кабель+масло» (в буровом снаряде высоковольтный токопровод выполнен из кабеля без внешнего экрана, а промывочной жидкостью является трансформаторное масло; б) «масло» (высоковольтным токопроводом является металлический стержень, а изолирующей и рабочей жидкостью является масло или дизельное топливо);

• скорость бурения для всех рассматриваемых буровых снарядов в литературе всегда приводится к частоте следования импульсов 10 имп/с.

Первые три типа буровых снарядов (табл. 5.1, п. 1-3) не полхчшги

развития ввиду чрезвычайно низкой надежности их работы. Наибольший

объём бурения выполнен буровыми снарядами по пунктам 5-7, табл. 5.1.

Буровой снаряд БИ-127 (табл. 5.1, п.8) был хорошо проработай на основании многолетних предыдущих исследований, и на полигоне заказчика «Северовостокзолото» в 1970г. показал очень хорошие результаты, коюрые удовлетворили заказчика. Но промышленная буровая установка силами НИИ ВН при ТПИ не могла быть выполнена без привлечения мощной проектной организации и промышленных предприятий, хотя заказчик был готов её финансировать.

Классификация ЭИ буровых снарядов

№ п/п Тип бурового снаряда Тип бурового наконечника Характери* по :тики горной роды Рабочая жидкость Условия бурения Скорость бурения ую.м/ч

Порода Коэффициент крепости Категория буримости

1 БИ-44 БН-50-8 БН-50-14 Мрамор, песчаник 4-6 У-У1 Кабель + масло Лаб. 6-9

2 БИ-57 БН-88-20 Микрокварцит 16-18 Х-Х1 Кабель + масло Лаб. 3,84,6

3 БИ-73 БН-88-20 Микрокварцит 16-18 Х-Х1 Кабель +масло Полевые 7,5

4 БИ-73М БН-120-20 Микрокварцит 16-18 Х-Х1 Масло Полевые 3,1

5 БИ-89 БН-110-15 БН-110-20 Микрокварцит 16-18 Х-Х1 Дизельное топлив о Полевые 2,2 2,9

6 БИ-108 БН-140-20 БН-140-25 БН-140-30 окварцо-ванный песчаник 9-10 VIII-X Дизельное топлив 0 Полевые 1,3 2,1 5,6

7 БИ-108 БН-150-25 БН-150-40 Микрокварцит 16-18 Х-Х1 Дизельное топлив о Полевые 3,0 4,26,7

8 БИ-127 БН-200-30 БН-200-50 БН-200-75 вечная мерзлота 7-8 VII-IX Дизельное топлив О Полевые 6,1 12,2 17,4

9 БИ-426 БН-600-120 окварцо-ванный песчаник 9-10 VIII-X Дизельное топлив О Полевые 3,6

Систематические исследования режимов бурения буровым снарядом БИ-426 (табл.5.1, п.9) не проводились, поскольку после его испытании при бурении скважин для мостовых опор на БАМе он не был востребован. Заказчика не устраивал действующий макет в условиях жесткого графика сооружения БАМ. Он готов был платить большие деньги за японские буровые снаряды с алмазными наконечниками для механического бурения. В табл. 5.1 приведены скорости бурения традиционными механическими способами бурения с алмазными и шарошечными буровыми наконечниками по породам средней крепости (категория буримости V-IX). Видно, чю ЭИ способ бурения крепких пород даже при малых расстояниях между электродами (S = 20 мм) обеспечивает большую скорость бурения. Наряду с другими преимуществами (отсутствие вращения, большая глубина бурения на один наконечник и др.) он оказывается привлекательным, особенно для скважин большого диаметра и больших глубин бурения. На полшопе в районе г. Томска пробурена скважина в окварцованном песчанике буровым наконечником диаметром 600 мм с расстоянием между электродами 120 мм глубиной 4,6 м. Средняя скорость бурения составила 3,6 м/ч. Этот резу 1ыат подтвердил перспективность исследований и разработки устройспз для бурения скважин большого диаметра [75].

Из табл. 5.1 видно, что основные результаты по ЭИ бурению получены буровыми наконечниками с расстояниями между электродами 15-40 мм чю серьёзно ограничивало возможность перехода к бурению скважин большого диаметра. В этой связи на полигоне в районе г. Томска проводи шсь эксперименты по разрушению горных пород двухэлектродной стержневой системой при дециметровых расстояниях между электродами.

Наш анализ состояния буровых работ в мире и перспективноегь применения ЭИ бурения показывает, что необходимо развивать бурение скважин большого диаметра и, как следствие, проводить исследования по бурению с буровыми наконечниками большого диаметра при больших расстояниях между электродами, что также следует из резулыаюв исследований в главах 1, 3, 4.

Этот вывод не нов. Сотрудник НИИ ВН при ТПИ Коваленко Н.Е. ещё в 1970-х годах настойчиво пропагандировал бурение ЭИ способом шахшых стволов [75, 309 - 311]. Им получено авторское свидетельство на ЭИ буровой наконечник диаметром 2000 мм [309]. В Донбассе в конце 1989 - начале 1990 гг. под его руководством и по его разработкам была создана буровая установка для бурения шахтных стволов диаметром 2000 мм с использованием известково-битумного раствора, как промывочной и рабочей жидкости. К сожалению, из-за распада СССР она не была доведена до рабочего состояния и осталась на территории Украины.

Уже в настоящее время за рубежом проведён анализ различных современных способов бурения глубоких скважин диаметром до 500 мм с целыо удешевления строительства геотермальных скважин [312]. В мой

работе рассматривается, в том числе, и ЭИ способ бурения и ему отдастся предпочтение, несмотря на отсутствие промышленных установок. Это подтверждает обоснованность нашего вывода о необходимости дальнейшего развития ЭИ технологии прежде всего в направлении бурения скважин большого диаметра.

Необходимо отметить, что систематических исследований режимов бурения при больших расстояниях между электродами (более 40 мм, табл. 5.1) в период наиболее интенсивных работ по ЭИ технологии не проводилось. Подобные исследования начаты нами в 1994 г. для буровых наконечников с расстояниями между электродами 45-120 мм. Применялись буровые наконечники диаметром 120-360 мм.

5.1. Буровая установка и методика бурения

В процессе развития ЭИ способа бурения были разработаны буровые установки передвижного и стационарного типов, принципиально не отличающиеся друг от друга. Они состояли из одних и тех же блоков:

• генератор импульсных напряжений с зарядным устройством,

• буровой снаряд с буровым наконечником,

• система промывки скважины и очистки рабочей жидкости от продуктов разрушения горной породы,

• система спуска-подъёма бурового снаряда,

• контрольно-измерительный комплекс,

• выносной пульт управления и защитные устройства.

Схема передвижной ЭИ буровой установки приведена на рис. 5.1.

При бурении в полевых условиях применялись ГИ1! с двухполупериодной схемой зарядки [308]. Для длительной работы с повышенной частотой следования импульсов ГИН был модернизирован -резистивные зарядные сопротивления заменены на индуктивные элементы [313]. Генераторы в процессе бурения показали достаточно надежную работу при частотах до 10 имп/с. Серьезным недостатком ГИН, как «сердца» высоковольтной части буровой установки, является не долговечная и не стабильная работа искровых разрядников при высоких частотах генерирования импульсов.

Для электроимпульсного бурения применялись ГИН с различными параметрами : рабочее напряжение UpílG = 200 -500 кВ; запасаемая энергия IV = 150-5500 Дж; энерговклад М= 4- 61 Дж/мм; период колебаний тока Т= 5,5 -20,0 мке; время до пробоя tnp = 0,25-0,5 мкс. В зависимости от условий бурения частота следования импульсов изменялась в диапазоне j = 1-15 имп/с.

В связи с различием частот, используемых в разных испытаниях, скорость бурения рассчитывалась для одной, выбранной нами и наиболее часто используемой частоты следования импульсов j = 10 имп/с. Подобный

подход корректен, поскольку скорость бурения в диапазоне у - 1-20 имп/с линейно возрастает с увеличением частоты [49, 109, 314].

Рис. 5.1. Технологическая схема передвижной установки для ЭИ бурения:

1 -высоковольтное зарядное устройство; 2 - ГИН; 3 - промывочное устройство; 4 - выносной пульт управления; 5 - мачта; 6 - высоковоль I ими

ввод; 7 - высоковольтный токосъемник; 8 - ЭИ буровой снаряд; 9 высоковольтный токопровод; 10 - буровой наконечник; 11 - изоляторы; 1 2 -

превентер

Глубина бурения скважин в полевых условиях для рассматриваемых горных пород достигала 47,5 м. Глубина непрерывной проходки скважины изменялась в диапазоне 0,4-30 м. Диаметр скважин составлял £>скв = 100-400 мм. Температура окружающей среды находилась в интервале +35...-50° С.

Система промывки состояла из центробежных насосов различной производительности (в зависимости от условий бурения); бурового снаряда, по которому рабочая жидкость (дизельное топливо) подавалась на забой скважины; превентора, который позволял ликвидировать растекание возвратной жидкости по внешней поверхности и направлял её поюк с продуктами разрушения горных пород в отстойники; отстойников -

2,3 металлических баков специальной конструкции и необходимого объема для очистки жидкости от продуктов разрушения. Для рассматриваемых нами буровых установок всегда применялась прямая схема промывки, т. е. ноюк рабочей жидкости прокачивался промывочным насосом внутри бурового снаряда через центрирующие и короночпый изоляторы и по центральному высоковольтному токопроводу, а возвратный поток жидкости с продуктами разрушения проходил в пространстве, ограниченном внешним диамемром бурового снаряда и стенкой скважины [315-317]. Эта простая в реализации схема промывки часто используется при бурении традиционными способами.

Недостаток подобной схемы при ЭИ бурении - погребное I ь в использовании насосов с повышенной производительностью и, как следствие, повышенные энергозатраты при бурении, а также у 1 емки промывочной жидкости.

Контрольно-измерительный комплекс состоял из малоиндуктивного высоковольтного делителя импульсного напряжения, токового шунта или пояса Роговского, системы передающих радиочастотных кабеле!! и импульсного высокочастотного осциллографа и частотомера, коюрые располагались в экранированном боксе. Кроме того, контролировалось высокое выпрямленное зарядное напряжение ГИН при помощи электростатических киловольтметров. Система контроля позволяла веем и непрерывное или циклическое наблюдение за процессами пробоя и разрушения при бурении. При полевом бурении подобный полный кош роль осуществлялся только на полигоне в районе г. Томска.

Пульт управления позволял осуществлять все оперативные переключения и регулировки в процессе бурения. Кроме того, применялись защитные устройства от высоковольтных импульсных электромагнитных воздействий в виде разделительных трансформаторов и режекторных дросселей для элементов буровой установки, которые нуждались в защите.

Буровой снаряд для ЭИ бурения состоит из следующих основных элементов [68, 318-323]:

• высоковольтного ввода для ввода высокого напряжения в буровой снаряд;

• внутреннего высоковольтного токопровода, расположенного коакспальпо в колонне труб;

• колонны буровых тонкостенных труб, предназначенной для продвижения бурового наконечника в скважине и осуществления промывки;

• центрирующих изоляторов в колонне буровых труб для поддержания центрального высоковольтного токопровода в заданном положении и для создания условий наращивания бурового снаряда с увеличением глубины бурения;

• специального изолятора бурового наконечника для центрирования и крепления высоковольтной электродной системы;

• высоковольтных и заземленных электродов необходимых размеров и конфигурации.

Рис. 5.2. ЭИ буровой снаряд БИ-21 1 - высоковольтный токопровод: 2 - высоковольтный ввод; 3 - фланец; 4 - корпус бурового снаряда; 5 - переходник; 6 - кольцо; 7 -изолятор; 8 - фиксатор; 9 - электро. I заземленный; 10-электрод

высоковольтный; 11 - буровой наконечник; 12 -патрубок

Автором данной работы разработаны несколько модификаций буровых снарядов, один из которых представлен на рис. 5.2 [324], и ряда буровых наконечников (рис. 5.3) для бурения скважин большого диаметра [286, 325-3271.

Основные конструктивные размеры их приведены в табл. 5.2 но аналогии с табл. 5.1. Оптимальное соотношение диаметров коаксиальной системы электродов с точки зрения электрической прочности изоляции в буровом снаряде как одноимпульсной, так и многоимпульсиой находится в диапазоне 2,78-3,3 [79, 267], т. е. значения ¿4 / с/т в табл. 5.2 практически соответствуют этому диапазону.

Проблема надежности работы, срока службы твёрдой изоляции бурового снаряда стоит очень остро, поскольку рабочие градиенты электрического поля в ней очень высокие. Твёрдая изоляция работает в экстремальных условиях с учётом того, что изоляторы пропускают турбулентный поток загрязнённой рабочей жидкости. Автором рассчитаны и сконструированы высоковольтные вводы и изоляторы бурового наконечника для буровых снарядов (табл. 5.2). В процессе бурения наблюдались пробои и перекрышя по поверхности изолятора в наконечнике БН-120-35 и БН-120-45 для

Рис. 5.3. Буровой наконечник

БН-270-70: 1 - высоковольтный электрод; 2 - заземленный электрод; 3 - изолятор

бурового снаряда БИ-89 вследствие очень высоких рабочих градиентов: Ераб = 21,7 кВ/мм. Для БН-270-70 и БН-360-120 рабочий градиент составлял не более 11,7 кВ/мм. Отказов изоляции в процессе бурения не наблюдалось.

Таблица >.2

Характеристика буровых снарядов

Характеристика Л

горной породы н о

Тип бурового снаряда Тип бурового наконечника 4с ¿г порода Коэффициент крепости Категория буримости о ЬЙ 1=С я * « сз V о ю сз си ПраГи кВ \ 10» м ч

БИ-89 БН-120-35 БН-120-45 80 27 Гранит 1416 IX-X Трансформаторное масло 275 316 5,4 6,0

БИ-219 БН-270-70 209 60 Гранит 1416 IX-X Трансформаторное масло 437 7.6

БИ-325 БН-360-80 БН-360-120 310 Х08 Гранит 1416 IX-X Трансформаторное масло 436 492 3.7 4.8

* с!с - внутренний диаметр колонны буровых труб, ¿/т - внешний диаметр высоковольтного токопровода.

После формирования канала разряда в нём выделяется лишь часть энергии, запасаемой генератором. Соответствующий КПД разрядной цепи зависит от доли активного сопротивления канала разряда в общем активном сопротивлении всей разрядной цепи, которая возрастает с увеличением длины разрядного промежутка 51. Длина канала разряда и его активное сопротивление при заданном расстоянии между электродами 5 имеет стохастическую природу и случайный характер изменения от разряда к разряду, что приводит к использованию некоторого среднего расчетного

значения сопротивления канала разряда при реальном полевом режиме бурения. Для рассматриваемых в данной работе длин разрядных промежутков (S= 10-120 мм) вполне достижимым является уровень 0,650,75 [7]. В работе [330] проведены расчёты доли энергии, выделяемой в канале разряда, при S = 20 мм для разных горных пород: микрокварнн ia, гранита, песчаника. Эта доля составляет г^ = 0,37-0,56, возрастая от песчаника к микрокварциту. Поскольку оценка значения г\ при бурении в полевых условиях затруднительна, энергетические параметры бурения нами оценивалась по энергии, запасенной ГИН .

Энергия, выделенная в канале разряда, определялась по осциллограммам тока и напряжения за первый полупериод протекания разрядного тока Для этого была использована компьютерная программа расчёта. На рис. 5.4 даны типичные осциллограммы напряжения и тока при бурении. IIa основании многочисленных расчётов энергии, выделившейся в канале разряда (шсячи измерений), можно принять, что коэффициент передачи энергии, запасенной ГИН, в канал разряда следующий: S = 80 мм = 0,52-0,67, S = 120 мм

Рис. 5.4. Осциллограмм напряжения и тока при бурении снарядом БИ-32^

Критериев эффективности бурения существует около 40 [1. 6|. Универсального критерия нет. Каждый критерий имеет свою обла^чь применения, характеризует техническое средство с определенной сторон 1.1 и должен использоваться в сочетании с другими. Для оценки электроимпульсного бурения нами выбраны следующие критерии:

• пробивное напряжение 1/пр, которое определялось по осциллограммам.

• скорость бурения V;

р

• производительность бурения (2 = —, где Р - объем пробуренной

п

скважины; п - число воздействующих импульсов;

• удельные энергозатраты IVуд =—-■> гДе № • п\

• энерговклад М= Ж/ 5*.

5.2. Определение рабочего напряжения при ЭИ бурении

Амплитуда рабочего напряжения при ЭИ бурении зависит от расстояния между электродами, свойств твердого тела и жидкости и целого ряда дру] их факторов. В настоящее время невозможно аналитически рассчитать ее, 1см более с учётом конкретных особенностей горной породы. Поэтому основой являются экспериментальные результаты и эмпирические зависимости. Высокая гетерогенность горных пород предполагает и высокую дисперсию пробивных напряжений [7, 17, 40, 331]. Кроме того, при заданном расстоянии между электродами £ длина канала разряда будет больше на глубину его внедрения, которая также имеет стохастическую природу.

Результаты разных авторов по пробою горных пород получены, как правило, для двух электродной системы и при разных методиках без учёт многоимпульсного воздействия и многократного разрушения горной породы [7, 55]. В работе [75] приведена эмпирическая расчетная зависимость рабочего напряжения от расстояния между электродами при бурении микрокварцитов вида

(5 1)

где к= 65,8 коэффициент, учитывающий свойства горной породы.

Расчёт рабочего напряжения по (5.1) даёт существенно более высокие значения С/раб (в 1,48 раза) относительно полученных нами и рассчитываемых по (5.2) (см. ниже). Это несоответствие, в первую очередь, вызвано методической ошибкой при измерении £/раб в работе [75].

Однако накопленные разными авторами и опубликованные в [7, 39, 10, 74, 75, 91, 106, 291, 303-307, 310, 324, 331] результаты позволяют судшь о величине напряжений, необходимых для бурения в различных условиях. 11а рис. 5.5 приведены значения пробивных напряжений в зависимое!и от расстояния между электродами £ для буровых наконечников различных конструкций и диаметров и ряда горных пород - микрокварциты, грани ил, песчаники, мерзлота. Обращает на себя внимание большая дисперсия далее для конкретной горной породы.

Результаты, приведенные на рис. 5.5, кривая 2, показывают слабую зависимость среднего пробивного напряжения для разных горных норо I в результате большого влияния на электрическую прочность реальных условий бурения при многоимпульсном воздействии на горную породу. В частное!и, это относится как к интенсивному трещинообразованию на забое и стенках скважин, так и к пробою комбинированной среды (горная порода-жидкое 1 ь) вследствие большой шероховатости разрушаемой поверхности. Изменение

величины пробивного напряжения в зависимости от расстояния между электродами имеет нелинейный характер и относительно медленно возрастает с увеличением S: увеличение S в 7 раз приводит к возрастанию максимального значения Unp в 2,16 раза, что позволяет использовать большие расстояния между электродами. Для более эффективного разрушения (увеличения вероятности и глубины внедрения канала разряда в горную породу) необходимо применять для бурения максимальные значения U„p (рис. 5.5, кривая 1) [46, 75]. Кривая 1 на рис. 5.5 рассчитана по эмпирическому выражению

C/„p=£/M-S°'4, (5.2)

где ил1= 180 кВ - максимальное пробивное напряжение при S = 1,0 см; 0.4 -экспериментальный коэффициент; S - расстояние между электродамп. В работах [7,75] показатель степени в Unp = J[s) для разных диэлектриков и горных пород изменяется в диапазоне 0,33-гО,6. В реальных условиях полевого бурения для горных пород в выражении (5.2) значение коэффициента 0,4 не противоречит и уточняет результаты лабораюрпых исследований.

Рис. 5.5. Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами для разных горных пород и разных диаметров скважин: 1 - максимальное 1]пр (расчет по (4.2)); 2 - среднее IIпр.

Бурение гранита ЭИ буровым снарядом БИ-325 с буровыми наконечниками БН-360-80 и БН-360-120 показало, что пробивные напряжения (табл. 5.2) вполне удовлетворительно соответствуют выражению (5.2). В главе 1 данной работы нами проведен анализ динамики изменения пробивных напряжений горных пород от нескольких наиболее значимо

161

влияющих факторов для двухэлектродной системы. В результате получено расчётное выражение для С/пр (5) (1.4). С учётом дисперсии пробивных напряжений приемлем расчёт как по (1.4), так и по (5.2). При этом появляемся возможность в случае необходимости с целыо уточнения величины £/„,, для конкретных условий бурения провести лабораторные эксперименты на двухэлектродной системе при соблюдении необходимых методических рекомендаций.

5.3 Производительность и энергозатраты при ЭИ бурении

Необходимо отметить, что подход к энергетической оптимизации процессов бурения зависит от производительности разрушения, оцениваемой только объёмом породы, отделяемой от массива, когда потенциальный обьём разрушения предопределён условиями пробоя, например, глубиной внедрения канала разряда при пробое с одной поверхности. Аналитическая оценка энергозатрат и производительности разрушения, когда потенциальный обьём разрушения определяется условиями пробоя, затруднён. В этом случае оптимальные условия определяются экспериментально.

Из литературных источников следует, что оптимизационные исследования при неизменных параметрах разрядного контура проводя 1ся варьированием или амплитуды импульса напряжения при неизменной величине разрядной ёмкости ГИН, или величины разрядной ёмкости при неизменной величине амплитуды напряжения ГИН. Изменение длины разрядного промежутка 5 (изменение параметра разрядного контура) приводит к отысканию оптимальных значений для семейства кривых с оптимумом для разных 5" [49, 71, 314]. Трудоёмкость оптимизационных исследований экспериментальным путём вынуждает исследователей ограничиваться определением энергозатрат и производительности разрушения при одном фиксированном промежутке. Вопросом выделения оптимальной энергии для разрушения горной породы при заданном расстоянии между электродами занимались авторы [7, 46, 47, 49, 71, 75, 314], выявившие общие закономерности влияния энергии импульсов на эффективность разрушения. Оптимизация проводилась по минимуму энергозатрат, но не было получено зависимости этого оптимума от расстояния между электродами. Для бурения представляет несомненный интерес определение величины запасаемой в ГИН энергии, соответствующей минимальным энергозатратам при различных

Нами получена подобная зависимость для микрокварцитов [12, 322, 323] в виде:

Ж=90 •51'6, (5.3)

где Б < 7 см - расстояние между электродами в см, \У-Дж.

В табл. 5.3 приведены значения энергии, запасаемой ГИН, рассчитанные по (5.3), и энерговклада для разных расстояний между электродами, при которых проводилось ЭИ бурение. Оптимизация запасенной энергии по минимуму энергозатрат для разных S приводит к увеличению энерговклада в канал разряда в ~ 3 раза при увеличении S в 6 раз.

В главе 3 показано, что увеличение энерговклада вызывает увеличение производительности разрушения, т.е. способствует увеличению скороеiи бурения при S = const. Следовательно, при увеличении S скорость бурения может увеличиваться не только за счёт большего объёма разрушения при возрастании S, но и за счёт увеличения энерговклада, если процесс бурения оптимизировать по минимуму энергозатрат. Предпочтительнее анализировать процесс бурения по энерговкладу. Например, при одинаковом энерговкладе М= const для разных расстояний между электродами. При лом неизбежно встаёт вопрос: при какой величине М будет иметь меею максимальная скорость бурения? К сожалению, в настоящее время ответть на эти вопросы невозможно, поскольку в литературе подобный подход к О И бурению не рассматривался.

Таблица 5.3

Зависимость энергии, запасаемой ГИН (расчёт по (5.3))

S, см 20 40 60 80 100 120

W, Дж 272,8 827,1 1582,3 2507,2 3583,0 4796,6

м, Дж/мм 13,6 20,7 26,4 31,3 35,8 40,0

Современное состояние знаний по ЭИ бурению не позволяет определи I ь расчётную зависимость производительности в функции двух параметров -расстояния и энерговклада, поскольку изменение одного из них влечет изменение времени и характера выделения энергии в канале разряда, чю неизбежно сказывается на производительности разрушения. Подобные затруднения возникли в работе [7] при анализе лабораторных результатов разрушения на образцах горных пород.

В работе [7] высказано пожелание рассматривать процессы ЭИ разрушения и бурения с учётом энерговклада. Мы разделяем эту точку зрения и пытаемся в данной работе её реализовать, там, где это возможно. Поскольку в конкретных полевых условиях бурения было краппе затруднительно выполнить требования одинакового энерговклада в функции 8, что наложило свой отпечаток на рассматриваемые ниже результаты. 11а основании обобщения материала работ ряда авторов [49, 75, 84, 93, 303306,324, 332, 333] получены зависимости производительности бурения гранита и микрокварцита за один импульс (кривая 1) и энергозатрат (кривая 2) от расстояния между электродами для разных буровых снарядов, рис. 5.6. Характер изменения зависимости производительности бурения о! 8 аналогичен подобной при разрушении горных пород двухэлектродпой

системой (глава 3, рис. 3.6). Зависимость Q = f{S) на рис. 5.6 может быть описана эмпирическим выражением типа

Q=Qo-(Si/S0f (5.4)

где Qo= 1,0 см /имп - производительность бурения при So = 2,0 см; b = 1.55 -экспериментальный коэффициент. В главе 3 подобная зависимое ib описывается выражением (3.3), где показатель степени а = 2,0-2,15, i.e. имеет место более быстрое увеличение производительности, чем при бурении. Этот эффект определяется специфическими условиями разрушения горных пород при бурении (см. ниже).

Рис. 5.6. Зависимость производительности (1) и энергозатрат (2) при бурении горных пород от расстояния между электродами для буровых наконечников

различных диаметров.

Кривые 1,2- расчет по (5.4) и (5.5), соответственно

С увеличением расстояния между электродами энергозатраты быстро снижаются, особенно до 8 = 40-50 мм (рис. 5.6, кривая 2). Подобный характер изменения Жул =Д5) имеет место и при разрушении горных пород двухэлектродной системой (глава 3, рис. 3.7). Но полученное нами эмпирическое выражение, описывающее эту зависимость для бурения, имеет вид

^ул = ^о • № / 50Г, (5.5)

где = 1200 Дж/см при 5" = 2,0см, с = 0,8 - экспериментальный коэффициент.

Формула (5.5) показывает, что по сравнению с зависимостью (3.6) снижение энергозатрат при бурении более медленное, а их величины больше.

Зависимости (5.4), (5.5) убедительно показывают перспективное!ь бурения ЭИ способом скважин большого диаметра с соответсшснпо большими расстояниями между электродами. Обе зависимости могу! бьпь использованы для предварительной оценки характеристик бурения при заданных (выбранных) расстояниях между электродами.

В главе 3 показано, что производительность разрушения горных пород двухэлектродной системой зависит не только от расстояния меж iy электродами, но и от энерговклада. Необходимо этот вопрос рассмотрен, и при бурении. Для этого из достаточно большого количества данных, накопленных при бурении, нами были выбраны результаты для конкрспюй горной породы и близких условий выделения энергии.

На рис. 5.7 приведены зависимости производительности бурения от энерговклада для микрокварцита при разных расстояниях меж iy электродами. Производительность возрастает с увеличением энерговклада и тем быстрее, чем больше расстояние между электродами. При лом наблюдается насыщающийся характер изменения Q = J{M), как и для двухэлектродной системы (глава 3, рис. 3.5). Необходимо отметить, чю область перехода к насыщению смещается в зону больших значений энерговклада при увеличении S. Подобный характер изменения позволяет сделать следующие выводы:

1) насыщающийся характер изменения Q -J{M) при S= const показываем, ч ю приращение производительности (скорости) бурения с увеличением энерговклада будет происходить до области насыщения; дальнейшее увеличение М практически не вызовет увеличения производительное!и (скорости) бурения, что в первую очередь определяется динамикой рое ¡а трещин при внедрении канала разряда в горную породу и ограниченными размерами межэлектродного расстояния, что наглядно видно из рис. 5.7;

2) на основании рис. 5.7 можно предположить, что для заданного расстянпя между электродами имеет место определенная (оптимальная) величина энерговклада, при которой производительность/скорость бурения наибольшие; для точного определения этой величины необходимы дополнительные исследования;

3) более быстрое увеличение производительности бурения с увеличением расстояния между электродами при M=const ещё раз подчерки вас г перспективность бурения скважин большого диаметра с увеличенными расстояниями между электродами.

Нами впервые показано, что увеличение производительности (скорое i и) ЭИ бурения при выбранном расстоянии между электродами имеет физическое ограничение, обусловленное величиной энерговклада в канал разряда.

Рис. 5.7. Зависимость производительности бурения от энерговклада

для микрокварцита: 1 - 5 = 20 мм; 2 -5= 30 мм; 3-5 = 40 мм; 4 -5 =50 мм

Зависимости производительности бурения от энерговклада получены нами и при бурении скважин большого диаметра в граните ЭИ буровым снарядом БИ-325 с буровыми наконечниками БН-360-80 и БН-360-120. Энергия, запасаемая ГИН, изменялась, главным образом, за счёт изменения разрядной ёмкости и отчасти зарядным напряжением. Кроме этого, увеличен расход промывочной жидкости с 1900 л/мин до 3900 л/мин, так как анализ шлама показал недостаточность интенсивности (скорости) промывки. На рис. 5.8 приведены результаты бурения скважины диаметром 400мм. Увеличение энерговклада для £ = 80 и 120 мм приводит к возрастанию производительности бурения, но более быстрому для 5 = 120 мм. Так, для 5 = 80 мм увеличение энерговклада в 2,4 раза вызвало увеличение производительности в 2,35 раза, а для 5 = 120 мм - в 1,74 раза и 2,4 раза соответственно. Здесь еще не наблюдается насыщения кривой производительности в функции энерговклада для разных хотя энергия, запасённая ГИН, существенно (в 1,98 раза для 5 = 80 мм) превышает таковую, приведенную в табл. 5.3. Исходя из зависимостей на рис. 5.7, насыщение зависимостей на рис. 5.8 должно произойти при существенно большем энерговкладе, чем реализовано в данных экспериментах.

Сравнение производительности ЭИ бурения и ЭИ разрушения двухэлектродной системой в зависимости от 5 представлено на рис. 5.9, где кривая 2 - результаты для двухэлектродной системы. Поскольку нами установлено, что производительность разрушения зависит как от расстояния между электродами, так и от энерговклада, то сравнение проводится при М =сопб1.

Рис. 5.8. Зависимость производительности бурения гранита от энерговклад;'.:

1 - S = 80mm;2-S= 120 мм

S, мм

Рис.5.9. Зависимость производительности бурения от расстояния между

электродами при М= const: 1 -М= 20,1-23,4 Дж/мм; 2-М= 21,7-25,3 Дж/мм

Результаты для двухэлектродной системы получены после воздейст вия трёх импульсов, когда производительность разрушения наибольшая (глава .5, раздел 3.1). Производительность для двухэлектродной системы во веем диапазоне изменения расстояний между электродами в 1,4-1,9 раза больше, чем при бурении (кривая 1).

Производительность разрушения непосредственно определяет скорое 1 ь бурения. Поэтому прогнозирование (расчёт) скорости бурения но результатам экспериментов для двухэлектроной системы некорректно. Суть различия в производительности обусловлена специфическими условиями на забое скважины при бурении. Во-первых, как отмечалось выше, процесс бурения имеет циклический характер. Цикл завершается, когда горная порода будет разрушена во всех элементарных двухэлектродных разрядных промежутках. На каждый двухэлектродный промежуток буро 1501 о наконечника необходимо воздействовать числом импульсов существенно больше трёх. Например, десять и более, что приводит к уменьшению производительности на импульс. Во-вторых, в ряде работ показано, что не каждый воздействующий импульс напряжения приводит к эффективному разрушению породы [49, 75]. В [75] вводится понятие коэффициен I а использования импульсов. Отмечено, что этот коэффициент изменяется о г 0,75 до 0,96 в зависимости от напряжения и увеличивается с увеличением расстояния между электродами. Этот эффект также уменьшает производительность бурения. В-третьих, в связи с большой шероховатостью забоя и стенок скважины разряд часто развивается в комбинированной системе горная порода - рабочая жидкость и часть энергии разряда выделяемся в жидкости, что уменьшает эффективность разрушения горной породы. Нами проведены измерения шероховатости стенок скважины для БИ-325 с БН360-50 при помощи двухлазерного каверномера. На рис. 5.10 дана кавернограмма стенок скважины пробуренной в граните в 2009 г. на полигоне в районе г. Берген (Норвегия) [93]. Средний диаметр скважины 400 мм уменьшается с глубиной до 390 мм, что обусловлено выветренностью гранита в верхней части скважины. Минимальный диаметр выступов составлял 376 мм, а максимальный диаметр впадин - 400 мм, 1.е. максимальная разница диаметров «на сторону» составила 17 мм, что близко к глубине внедрения канала разряда для 5 = 50 мм при многокрашом воздействии. Перечисленные факторы неизбежно уменьшают производительность разрушения при бурении в сравнении с лабораторными экспериментами для двухэлектродной системы.

Энергозатраты являются одной из важных характеристик бурения горных пород любым способом. В этой связи необходимо рассмофсмь вопрос о влиянии энерговклада на энергозатраты для скважин большою диаметра. Рядом авторов [7, 22, 39, 42, 46, 71, 75] показано, что подобная зависимость имеет минимум энергозатрат при определенной энергии, запасаемой ГИН. Из этих зависимостей следует, что с увеличением

расстояния между электродами минимум энергозатрат смещается в облле i ь больших энергий, запасаемых ГИН, а абсолютная величина энергошфлг уменьшается. Подобные зависимости приведены нами на рис. 5.1 1 при бурении скважин снарядом БИ-325 для расстояний между электродами 80 мм и 120 мм в диапазоне энерговклада 24-61 Дж/ мм. Для S = 80 мм имео месю минимум энергозатрат при М = 40 Дж/мм, для S = 120 он, по-видимому, смещается в область М= 45-50 Дж/мм. При этом минимальное значение II х для S= 120 мм снижается в 1,25 раза. Эти зависимости подтверждаю! обш\ ю закономерность изменения энергозатрат от энергии, запасенной 1 111 1, отмеченную выше.

оадиус скважины / borehole radius mm

Рис. 5.10. Кавернограмма скважины в граните (г. Берген, Норвегия)

169

Рис. 5.11. Зависимость энергозатрат от энерговклада при бурении грани i а буровым снарядом БИ-325: 1 - S = 80 мм; 2 - S = 120 мм

Экспериментально полученные значения энерговклада, соответствующие минимуму энергозатрат, для S= 80 мм и 120 мм удовлетворительно согласуются с результатами табл. 5.3, рассчитанными по (5.3), при аппроксимации для S> 70 мм. При дальнейшем увеличении энерговклада энергозатраты возрастают, по при этом, в свою очере п>, увеличивается производительность (рис. 5.8). Следовательно, оптимизация ЭИ бурения по минимуму энергозатрат является частным случаем, ко юры й может быть реализован для конкретных условий бурения или по требованию заказчика.

5.4. Гранулометрический и фракционный состав шлама при ЭИ бурении горных пород

При выборе технического оборудования установки для ЭИ бурения скважин необходимо иметь подробную характеристику разрушенной горной породы (шлама) в целом и отдельных наибольших её кусков, подлежащие перемещению из призабойной зоны на поверхность.

Процесс ЭИ проходки скважин состоит из двух основных этапов -отбойки горной породы от массива и извлечения отбитой породы па поверхность. Оба этапа по приоритету равны. Условия разрушения, очиемки забоя и выноса разрушенной породы на поверхность существенно отличаю кя от аналогичных процессов при традиционных механических способам бурения.

Непременным условием эффективного ЭИ бурения являемся своевременная и полная очистка призабойной зоны от продуктов разрушения горной породы и продуктов разложения промывочной жидкое i и ¡а

170

промежуток времени между импульсами. В противном случае происходит вторичное переизмельчение шлама, или очередные разряды проходят по газопаровым выделениям. Всё это приводит к снижению производительноет и, повышению энергозатрат и уменьшению скорости бурения.