Ракетный двигатель для бурения горных пород предложили использовать ученые из Апатитов и Санкт-Петербурга
02 августа 2021 г.
Исследователи из Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова и Горного института Кольского научного центра РАН опубликовали в журнале «Горная промышленность» статью об испытании реактивного бурового аппарата, сочетающего газодинамический и термический методы бурения.
Буровзрывные работы – неотъемлемый и при этом один из самых энергоемкихэтап открытых горных работ. На крупных карьерах затраты энергии на эти работы могут достигать трети от общих затрат на добычу.
Бурение взрывных скважин можно производить разными методами. Самый распространенный – механическое бурение. Существуют также и другие методы. Весьма энергоэффективно термическое бурение, при котором горные породы разрушаются шелушением за счет растягивающих напряжений, создаваемых при воздействии высоких температур. Предел прочности пород на растяжение в 7–10 раз меньше предела прочности на сжатие, поэтомупо сравнению с механическим методом энергопоглощение при термическом бурении снижается на порядок.
Преимущество термического способа перед механическим заключается также в отсутствии непосредственного контакта бурового инструмента с породой, а значит, в теоретическом снижении износа инструмента. Однако при классическом термическом способе бурения используются газовые струи высокой температуры: от 1600 до 2800 °C, при том что температура разрушения крепких горных пород находится в пределах 395-325 °C. Избыточное тепло приводит к слишком быстрой порче бурового инструментария. Потенциал, заложенный в технологию термического бурения, велик, но реализовать его возможно, если температура рабочего тела будет снижена до уровня, при котором горные породы будут разрушаться, а конструкция буровой установки – нет.
Традиционные установки для термического бурения используют два компонента: жидкое углеводородное горючее и окислитель (газообразный кислород или воздух). В основе предложенной учеными конструкции – трехкомпонентный парогазогенератор на базе камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Хладагент (вода или воздух) впрыскивается в поток высокотемпературных продуктов сгорания, затем рабочее тело требуемой температуры проходит через сменное сопло и врезается в породу на сверхзвуковых скоростях. На эту конструкцию был получен патент РФ.
Для определения оптимальных параметров газовой струи при бурении разных типов пород исследователи разработали аналитическую методику. Стендовые и полевые испытания построенной установки показали, что термическое бурение наиболее пригодно для крепких пород (гранитов и гнейсов), но может быть использовано и для рыхлых пород, а также и для пород средней крепости.
Буровая установка нового типа не требует специальной подготовки буровой площадки и тяжелого основания. Она не имеет движущихся частей, не контактирует с породой во время работы и обладает возможностью подбора параметров рабочего тела. Все эти особенности обеспечивают длительную стойкость элементов конструкции и высокий коэффициент технического использования.Кроме того, в бурении используются широко распространенные реагенты:воздух, вода, керосин или дизельное топливо.
Реактивное бурение сочетает преимущества механического и термического методов и исключает основные их недостатки, что делает его очень перспективным для открытых горных разработок.
Источник: Пресс-служба Кольского научного центра РАН