Технологии бурения XXI века. Термомеханические инструменты

В предыдущей публикации на эту тему мы говорили о том, что использование термобуров для разработки скальных пород и мерзлых грунтов отличается избирательностью по буримости (см. «ОС» № 11, 2005 г.). Сегодня речь пойдет о термомеханическом (ТМ) способе бурения.

Фото 1. РТМИ на пневмоподдержке

Еще недавно единственным способом добычи твердых полезных ископаемых был так называемый «пожоговый» способ, при котором на поверхности грунта разводили костры для нагрева, а массив разрушали ударами кайл.

Термомеханический способ бурения основывается на других принципах – это процесс комбинированного разрушения грунта, который осуществляется одновременным или последовательным подводом тепловой и механической энергии. Это позволяет, с одной стороны, резко увеличить концентрацию энергии на разрушаемой поверхности, а с другой – добиться существенного снижения сопротивляемости разрушению мерзлых грунтов и скальных пород при определенных режимах их теплового нагружения.

Фото 2. Бурение асфальтобетона

Тепловое воздействие предварительно разупрочняет поверхностный слой разрабатываемого материала, а благодаря механическому вращательному и ударно-поворотному нагружению забоя происходит существенное увеличение скорости бурения.

Эффект от термомеханического разрушения превышает не только показатели термического и механического бурения в отдельности, но и их сумму. На графике показаны зависимости скорости бурения (перфоратором, термобуром, термомеханическим инструментом) от времени и температуры нагрева породы.

Кривая Vтм имеет два максимума: первый соответствует нагреву поверхности забоя до температуры 300...600К, а второй – от 1200К и выше, которые в литературе называются низко- и высокотемпературными режимами нагружения забоя.

Фото 3. РТМИ на станке

Проведенные нами исследования показали, что для бурения скальных пород и рукотворных материалов величина тепловых потоков на поверхности забоя в низкотемпературном режиме должна быть в пределах 300...600К, а соответствующее им механическое нагружение – от 41 до 45 Дж/см².

Проведены испытания ручного термомеханического инструмента (РТМИ) с приводом от силовых установок транспортной или специальной техники, а технические характеристики представлены в таблице. Этот инструмент предназначен для бурения шпуров в мерзлых грунтах и скальных породах, и его можно использовать в качестве:

• термобура для бурения шпуров чисто термическим способом (вытекающей из сопла высокоскоростной газовой струей разной температуры) без механического воздействия;

Фото 4. Фрагмент бурения мерзлого грунта

• перфоратора для бурения шпуров механическим способом (механическим воздействием на разрабатываемую породу ударно-поворотным или вращательным движением породоразрушающей насадки;

• термомеханического инструмента для бурения шпуров комбинированным способом (рис. 4, 5).

При устройстве шпуров на разрабатываемый забой оказывается комбинированное воздействие: термическое воздействие за счет продуктов сгорания дизельного топлива в смеси с окислителем, истекающего из сопла со сверхзвуковой скоростью и имеющего температуру на поверхности забоя около 600К, и механическое воздействие вибрационного механизма, преобразующего вращательное движение выходного вала электродвигателя постоянного тока, запитываемого энергией от бортовой сети, в удар породоразрушающего инструмента по породе и поворот его относительно забоя на некоторый угол при движении вверх. Такая схема нагружения забоя позволяет разрабатывать все мерзлые и скальные грунты, а также и рукотворные материалы – кирпич, бетон, асфальт и др. (рис. 2, 7).

Фото 5. Бурение шпура под башмак контактной опоры

Комплектация инструмента предусматривает его эксплуатацию:

• в чисто термическом режиме;

• в термомеханическом режиме при реализации ударно-поворотного воздействия на забой;

• в термомеханическом режиме при реализации вращательного воздействия на забой.

В чисто термическом режиме инструмент представляет собой термобур. Термическая часть представлена горелкой реактивного типа, оснащенной породоразрушающей насадкой. В такой комплектации масса инструмента не превышает 12 кг (рис. 8).

Фото 6. Общий вид РТМИ с приводом от «Урала-4320»

В термомеханическом или чисто механическом режимах реализации воздействия на забой вкупе с термобуром монтируется механическая часть. Механическая часть ручного термомеханического инструмента состоит из электродвигателя с редуктором и дифференциально-дебалансным механизмом.

Единственным, но очень серьезным недостатком такого решения является большая масса механизма, бo’льшая, чем у перфораторов всех типов, как отечественных, так и зарубежного производства. На снимках видно, что центр тяжести термомеханического инструмента находится на уровне груди оператора, и даже при вертикальном бурении породы управлять инструментом довольно сложно, поэтому было решено включить в комплект приспособление станочного типа (рис. 3), а для наклонного бурения – пневмоподдержку (рис. 1).

Разработка ручного термомеханического инструмента не закончена, устраняются недостатки. Так, например, электромеханический привод ударно-поворотного устройства будет заменен на привод с непосредственным преобразованием электрической энергии в механическую работу удара путем создания принципиально нового электромагнитного ударного узла. Суммарная масса нового образца РТМИ без массы подводящих шлангов и проводов питания электромагнитного ударного узла электроэнергией составит 18 кг, что меньше мото- и пневмоперфораторов в 1,5 раза и в 1,75 раза меньше массы рассматриваемого инструмента.