Безопасность работ. технология и безопасность взрывных работ конференц (1). Материалы научнотехнических семинаров, 2012 г. Технология
 Скачать 3.08 Mb.
|
|
Литература 1. Болкисева Ю.В. Концепция оценки эксплуатационной надежности буровых станков / Ю.В. Болкисева, Е.В. Болкисева, АС. Реготунов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности Сб. докладов VIII Междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург УГГУ. – 2010. – С. 233–235. 2. Временные методические указания по обследованию буровых установок с истекшим сроком службы / ЗАО «Уралмаш-сервис», ОГБ БУ ОАО Уралмаш. МУ 33-98. Согласовано Госгортехнадзором 24.12.1998 г. № 10-13/694. 3. Болкисева Ю.В. Влияние срока службы станка на эффективность бурения скважин / Ю.В. Болкисева, Р.И. Сухов, А.Г. Худяков, АС. Реготунов // Изв. вузов. Горный журнал. – 2010. – № 4. – С. 61–64. 38 * Работа создана в рамках выполнения молодежного научного проекта 13-5-НП-103 на средства гранта, полученного от УрО РАН. УДК МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ ШПУРОВ И СКВАЖИН УДАРНО-ПОВОРОТНЫМ И УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПОСОБАМИ* А.С. Реготунов Механизм разрушения горных пород при бурении – совокупность физических процессов, происходящих в породе забоя при деформации, разрушении и отделении частиц этой породы рабочими элементами породоразрушающего инструмента Наиболее общие закономерности деформирования и разрушения твердых материалов и пород при воздействии на них единичных инденторов установлены в работах ЛИ. Барона, АИ. Остроуш- ко, ГМ. Крюкова, Л.А. Шрейнера, Р.М. Эйгелеса. Результаты этих работ улучшили понимание процесса развития трещин и образования лунки выкола, однако не объяснили поведение породы привоз- действии на нее бурового инструмента с размещенными в нем инденторами. Исследованию процесса разрушения горных пород при ударных способах бурения лезвийным инструментом посвящены работы [2–4], в которых установлены основные закономерности и факторы, влияющие на эффективность механизма ударного разрушения при бурении. Для инструмента штыревого типа такие исследования проведены в недостаточном объеме, поэтому нами была поставлена цель исследовать процесс разрушения крепкой породы и установить механизм разрушения при ударных способах бурения. Для этого в образце гранита была пробурена серия горизонтальных шпуров инструментом штыревого типа малого диаметра (рис. 1). Входе каждого эксперимента регистрировалось время и глубина бурения, производился отбор проб бурового шлама, фиксировались геометрические параметры поверхности забоя шпура. Применялся перфоратор ПТ-48А, который имел, согласно паспортным данным, следующие характеристики энергия единичного удара A – 86,3 Дж частота ударов n y – не менее 43,3 Гц частота вращения бурового инструмента – 2,5 Гц. На основании данных о конструктивных и технологических параметрах бурового инструмента были определены важные для последующего анализа механизма разрушения породы характеристики Рис. 1. Буровой инструмент штыревого типа 40 8 4 Удельная энергия удара a z по выражению = , A z (где z – общее число инденторов на рабочей поверхности бурового инструмента. Расстояние до свободной поверхности лунки выкола L ск = 2R sin у, (где R – радиус траектории движения инденторам у – угол поворота инструмента между ударами, град. Число нагружений периферийного участка забоя за один оборот инструмента п = ск п (где об – число оборотов вращения бурового инструмента, Гц п – радиус траектории движения периферийного индентора, м. Число нагружений центрального участка забоя за один оборот инструмента ц = ск ц (4) где ц – радиус траектории движения центрального индентора, м. Глубина внедрения инденторов за один удар [5] h = 2 , A B (где B Σ – суммарная жесткость породы относительно внедрения в нее всех зубьев инструмента, Н/м. Энергоемкость разрушения породы при бурении = уд б з t S l (где б – время бурения, с η – КПД удара (Значение исходных данных и характеристик, рассчитанных согласно выражениям (1)–(6) приведены ниже. Исходные данные для расчета характеристик процесса взаимодействия штыревого инструмента и породы: Энергия единичного удара А, Дж ............................................ Общее число инденторов на рабочей поверхности бурового инструмента, z .......................................................... Радиус траектории движения инденторов, м центральных R ц 0,006 периферийных R п 0,016 Угол поворота инструмента между ударами φ у 22 о 30 ' Суммарная жесткость породы относительно внедрения в нее всех зубьев инструмента B Σ , Нм ................................... 8,9·10 КПД удара η ............................................................................. Время бурения б, с .................................................................. Площадь забоя з, м Глубина шпурам. Результаты расчета характеристик взаимодействия штыревого инструмента и породы: Удельная энергия удара a z , Дж ...................................................... Расстояние до свободной поверхности лунки выкола L ск , м для центральных инденторов ......................................................... для периферийных инденторов ...................................................... 0,005 Число нагружений за один оборот инструмента для центрального участка забоя N ц 32 для периферийного участка забоя N п 64 Глубина внедрения инденторов за один удар h, м ........................ Энергоемкость разрушения породы при бурении, МДж/м 3 В результате анализа вышеприведенных данных, а также картины забоя шпура (рис. 2 и 3) можно сделать следующие выводы. При значении удельной энергии удара, соотношении частоты ударов и частоты вращения, создаваемых перфоратором ПТ-48А, расстояние от индентора инструмента до свободной поверхности лунки для периферийного участка забоя шпура составило 13 мм, для центрального 5 мм. В результате анализа картины забоя видно, что угол поворота инструмента между ударами в процессе бурения шпура не обеспечил развитие механизма скола в сторону ранее образованных лунок, который в 1,75–3,5 раза эффективнее, Рис. 2. Забой шпура 1 – граница периферийного участка забоя 2 – граница центрального участка забоя 3 – лунки выкола чем механизм обычного выкола породы, то есть расстояние от индентора до свободной поверхности лунки было нерациональным. Кроме того, глубина внедрения индентора за один удар составила м, из чего следует, что, согласно [5], в процессе бурения образование лунок происходило за счет выкрашивания зерен. За один оборот инструмента глубина лунок 3 (см. рис. 2) увеличивалась, по-видимому, до значений 0,001–0,0011 м, что достигалось после четырех ударов в одни и те же лунки забоя. Анализ гранулометрического состава бурового шлама показал, что при наблюдаемом механизме разрушения средний размер фракции бурового шлама составил 99 мкм Анализ картины забоя в плоскости симметрии шпура (см. рис. показывает, что поверхность забоя является неровной, волнообразной. Такой характер поверхности определяется в первую очередь наличием выступающих центральных инденторов в инструменте, малой удельной энергией удара, нерациональным углом поворота между ударами для гранита. Как видно из рис. 3, лунки выко- ла периферийного 1 и центрального 3 участков шпура не смыкаются между собой. Разрушение межлуночного объема породы 2 и обеспечивается за счет развития и взаимодействия боковых трещин, исходящих от внутренней поверхности лунок вглубь массива. Эти трещины за время одного оборота инструмента под действием не менее чем 64 удара по периферийному участку и не менее чем 32 удара по центральному участку прорастают по межзе- ренным контактам на определенную глубину, а далее более круто- Рис. 3. Вид забоя в плоскости симметрии шпура 4 2 5 3 2 4 наклонные трещины относительно горизонтальной поверхности от периферийных лунок соединяются с трещинами, имеющими меньший угол наклона, которые исходят из центральных лунок 3. Объем породы 4 разрушается аналогичным механизмом – боковые трещины, исходящие от центральных лунок 3, соединяются между собой, скалывая породу Таким образом, механизм разрушения горных пород при ударно- поворотном бурении шпуров буровым инструментом штыревого типа является весьма энергоемким, поскольку из-за недостаточной удельной энергии на индентор глубина внедрения инструмента крайне мала, а угол поворота между ударами не обеспечивает скол породы в сторону свободной поверхности, даже незначительной по размерам. Аналогичное описание с большой долей вероятности можно дать механизму разрушения крепких пород при ударно- вращательном бурении скважин. Это справедливо, если удельная энергия удара для различных диаметров штыревого инструмента, применяемого при ударно-вращательном бурении, практически не будет превышать значения 14,4 Дж. Диапазон изменения указанного параметра для отечественных машин ударно-вращательного действия находится в пределах 6,6–14,5 Дж. Таким образом, можно утверждать, что принципы разрушения крепких пород при ударных способах бурения (ударно-поворотного и ударно-вращательного) подобны, хотя имеют некоторые различия, обусловленные анизотропией физико-механических свойств пород, соотношением числа ударов и оборотов, конструктивными особенностями бурового инструмента, качеством удаления продуктов разрушения с забоя шпура или скважины. Выводы 1. Удельная энергия удара на индентор бурового инструмента недостаточна для того, чтобы производить объемные нарушения породы с минимальными затратами. Поэтому доля объема породы, разрушенной в процессе бурения сколом, крайне мала. При бурении, главным образом, преобладает деформация сжатия. Энергоемкость такого механизма разрушения буровым инструментом высокая МДж/м 3 ), а средняя крупность частиц бурового шлама составляет мкм. Существующие машины ударного действия не реализуют потенциальные возможности штыревого бурового инструмента в достижении наименьшей энергоемкости разрушения при бурении, поскольку не обеспечивают рациональные параметры процесса взаимодействия инструмента с породой, позволяющие достигать преимущественно деформации скола, признанные как наименее энергоемкие при механическом разрушении. Основываясь на результатах исследований [2], можно полагать, что нерациональные параметры механизма разрушения при ударных способах бурения являются причиной значительного расхода энергии удара на отскок инструмента от забоя шпура или скважины, что способствует снижению коэффициента полезного использования энергии удара машины. Литература 1. Голубинцев О.Н.Механические и абразивные свойства горных породи их буримость / ОН. Голубинцев. – М Недра, 1968. – 198 с. Алимов ОД Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров / ОД. Алимов. – Томск Изд-во Томского университета, 1960. – 89 с. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин / И.Ф. Медведев. – е изд, перераб. и доп. – М Недра, 1986. – 222 с. Успенский НС Курс глубокого бурения ударным способом / НС. Успенский М Изд-во Совета нефтяной промышленности, 1924. 5. Крюков ГМ Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании. Часть II. Разрушение горных пород при бурении. Раздел 1. Внедрение зубьев в разрушаемую породу. Ударно-вращательный способ бурения учебное пособие / ГМ. Крюков. – е изд, стереотип. – М МГГУ, 2007. – 106 с ВЗРЫВЧАТЫЕ МАТЕРИАЛЫ УДК СОЗДАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ПАТРОНИРОВАННОГО ЭМУЛЬСИОННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ЭМИГРАНА П.П. Переведенцев, ОМ. Власов, А.Г. Сергеев, ЗА. Жамилова ФКП Бийский олеумный завод выпускает широкий перечень взрывчатых веществ (гранулотол, чешуированный тротил, граммониты (79/21, 30/70, Т, М, К, КЗ, ТК, ТКЗ), ТЭН, пентолит) и изделий из ВВ (шашки-детонаторы, патронированные граммониты П диаметром 120, 160 и 180 мм и эмиграны П диаметром 90, 120, 160 и 180 мм) К настоящему времени известен патрон для заряжания обводненных скважин, содержащий оболочку из эластичного водонепроницаемого материала, заполненную ВВ, в качестве которого использовано гранулированное неводоустойчивое ВВ, а патрон снабжен наружной оболочкой из тканого полипропилена, причем обе оболочки сшиты между собой. Во внутренней оболочке образованы отверстия диаметром 0,5–2,0 мм, при этом длина патрона враз превышает его диаметр [2]. Этот патрон заполнен неводоустойчи- вым ВВ. Поэтому его применение для скважин с проточной водой возможно только вдень зарядки из-за потерь ВВ за счет растворе- ния. С появлением на рынке водоустойчивых эмульсионных ВВ различной номенклатуры было разработано несколько конструкций патронов. Так, например, известна конструкция по свидетельству на полезную модель [3]. Патрон для эмульсионных ВВ, содержащих газогенерирующие добавки, включающий оболочку с торцевыми зажимами и ВВ, содержит воздушную камеру, размещенную в оболочке в любом месте по длине патрона. Опыт производства и применения показал, что технически осуществимым вариантом этого решения является только конструкция с наличием свободного пространства с торца патрона для обеспечения возможности роста увеличения объема) эмульсионного ВВ походу процесса газификации. При этом воздух из торца оболочки должен быть предварительно удален, иначе приросте заряда раздуется оболочка патрона, иона может быть разорвана. Широко известны патроны для эмульсионных взрывчатых веществ, содержащие гранулированную аммиачную селитру. Гранулированная аммиачная селитра марки А содержит массовую долю гранул размером от 1 до 3 мм – не менее 93 %, менее 1 мм – не более 4 %, более 6 мм 0,0 % [4]. Определим средний размер гранул, мм: Крупные гранулы со средним размером 2 мм создают большую неоднородность состава ВВ, что снижает эффективность действия взрыва. Для устранения имеющегося недостатка предлагается патрон промышленных эмульсионных взрывчатых веществ. Технический результат предлагаемого патрона – увеличение эффективности действия взрыва – достигается тем, что патрон промышленных эмульсионных взрывчатых веществ, содержащий оболочку с торцевыми зажимами и аммиачную селитру в газифицированной обратной эмульсии, содержит аммиачную селитру с размерами частиц не более 0,7 мм в газифицированной обратной эмульсии с катализатором. При этом патрон содержит компоненты в следующих соотношениях, мас. %: частицы аммиачной селитры 12–40; газифицированная обратная эмульсия с катализатором – остальное до Газифицированная обратная эмульсия с катализатором содержит компоненты в следующих соотношениях, мас. %: катализатор 0,1– 5,0; масло индустриальное 3,5–9,0; эмульгатор 1,5–3,0; водный раствор аммиачной селитры – остальное до 100; газогенерирующая добавка сверх В качестве катализатора использовали натриевую селитру и соли щелочных металлов жирных кислот животного происхождения, например, стеарат натрия или растительного происхождения, например, талловое мыло. Определим средний размер (диаметр) частиц аммиачной селитры в предлагаемом патроне. Он равен 0,7/2 = 0,35 мм. Следовательно, у предлагаемого патрона средний диаметр частиц аммиачной селитры меньше диаметра гранул аммиачной селитры в 2/0,35 = 5,7 раза. Предлагаемый патрон увеличивает эффективность действия взрыва за счет большей равномерности распределения твердой аммиачной селитры в смеси. Для повышения эффективности действия взрыва 0 1 1 3 3 6 4 93 3 2 2 2 2. 100 предлагаемый патрон содержит в газифицированной обратной эмульсии катализатор, и частицы аммиачной селитры смешиваются с жидким нефтепродуктом. При изготовлении оболочки использовали полиэтилен толщиной от 0,1 до 0,2 мм. В качестве жидкого нефтепродукта применяли дизельное топливо. Эффективность действия взрыва патронов определяли по методике ВостНИИ – по величине обжатия стандартного свинцового цилиндра. Испытуемый патрон массой 1 кг помещали в полиэтиленовую оболочку диаметром 120 мм. Промежуточный детонатор (промдетонатор) заполняли тротилом в виде порошка массой 100 г. Диаметр промдетонатора 50 мм. Сверху по оси заряда погружали в исследуемый патрон промдетонатор на 2/3 его высоты. Свинцовый цилиндр помещали на ровную стальную плиту. Цилиндр имеет диаметр 40 мм и высоту 60 мм. На цилиндр устанавливали стальной конусный боек с наибольшим диаметром, равным 300 мм. Затем набоек помещали картонную стойку, обеспечивающую заданное расстояние (150 мм) отбойка до заряда (картонную стойку сгибали в виде боковой поверхности прямой треугольной призмы. На картонную стойку устанавливали приготовленный патрон. После центровки патрона в промдетонатор помещали электродетонатор и проводили подрыв. В результате резкого удара продуктов детонации по стальному бойку свинцовый цилиндр деформируется. После взрыва измеряли высоту свинцового цилиндра в четырех взаимно перпендикулярных направлениях. Мерой эффективности действия взрыва является величина обжатия цилиндра (разность между средними его высотами дои после взрыва. Сравнительные экспериментальные данные по определению эффективности действия взрыва патронов сведены в таблицу. Из нее видно, что эффективность действия взрыва состава патрона, содержащего гранулированную аммиачную селитру, изменяется от 3 до 4 мм, а предлагаемого состава в патроне [5] промышленных эмульсионных взрывчатых веществ существенно больше – от 16 до 30 мм. На основании представленных и дополнительных исследований ФКП Бийский олеумный завод было разработано техническое условие на вещество взрывчатое промышленное эмиграны ПТУ, выпускаемые в патро- нированном виде и применяемые для ведения взрывных работ наземной поверхности скважинными зарядами по породам любой крепости при ручном заряжании сухих, осушенных и 48 Таблица Сравнительные экспериментальные данные по определению эффективности действия взрыва образцов (масса ВВ 1 кг, диаметр 120 мм) № п.п. Наименование показателей Средний размер гранул АС 2 мм Размер частиц аммиачной селитры не более 0,7 мм 1 Компоненты, мас. Гранулированная АС по ГОСТ 2-85 28 Частицы АС 15 35 20 30 12 22 25 15 25 Газифицированная обратная эмульсия Жидкий нефтепродукт (дизельное топливо Газифицированная обратная эмульсия 85 65 80 70 87,7 77 73 82,5 74 1.5.1 Натриевая селитра 5,0 Стеарат натрия 0,5 – – – Талловое мыло 0,5 Масло индустриальное Эмульгатор 2,9 2,5 2 2,8 1,5 2,5 2,0 2,2 2,5 1.5.4 Водный раствор АС 88 89 94 88 94,9 91 90 91,8 89 1.5.5 Газогенериру- ющая добавка (сверх 100 %) 1 1 0,5 1,0 1,3 2 1,0 0,6 1,1 1,0 1,2 1,0 Эффективность действия взрыва, мм 4 16 23 20 24 25 17 24 23 27 30 обводненных скважин любой степени проточности диаметром не менее 100 мм при температуре окружающей среды от минус 50 о С до плюс 50 о С. По классификации, установленной в Единых правилах безопасности при взрывных работах (ПБ 13-407-01), эмиграны П относятся к I классу промышленных ЭВВ. Эмиграны П выпускаются в патронах с полимерной оболочкой номинальным диаметром 90, 120, 160, и 180 мм. Эмиграны П содержат частицы аммиачной селитры массовой долей 25 %. На основании разработанных технических условий были проведены успешные контрольные и промышленные испытания. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору Российской Федерации выдала разрешение № ВМ-0183 от 13.10.2010 на применение взрывчатых материалов – эмульсионное взрывчатое вещество эмигран П марки 25 в патронах диаметром 90, 120, 160 и 180 мм (ТУ 7276-076-07511608-2009). Эмиграны успешно применяются при проведении взрывных работ в горнорудных организациях от Новосибирской области до Хабаровского края. Объем продаж ФКП Бийский олеумный завод за январь – август 2012 года увеличился на 9 % по сравнению с этим же периодом в 2011 году. |