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.