Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 38
Текст из файла (страница 38)
а) плохо рассчитанный взрыв, о) хорошо рассчитанный взрыв трещин нормального разрыва (расходящихся во все сторопы от заряда взрывчатого вещества), разрываемых внутренним давлением газов, образовавшихся при взрыве; 2) откола кусков породы при отражении от свободной поверхности волн сжатия, приходящих из центра взрыва, и 3) растрескпвапия за счет образования трещин поперечного сдвига при взаимодействии волн сжатия с границами раздела в самой породе. Высокоскоростная 230 киносъемка показывает, что в течение нескольких сотен микросекунд массив успевают прорезать радиальные трещины (через которые газы выходят па поверхность), взаимодействующие со свободными поверхностями, поверхностямп раздела и неоднородностями, что волны напряжений приводят к зарождению, распространению и пересеченито отрывных и сдвиговых трещин.
В результате этого взаимодействия и происходит фрагментация породы, причем отделившиеся куски продолжают разрушаться сохранившимися в них волнами напряжений. С самого начала теоретическая модель позволяет поновому подойти к определению положения зарядов, их мощности и времени детонации. По американским данным, новая схема организации взрывных работ может обеспечить уменьшение стоимости горнодобычи примерно на 10 7е и в масштабах страны дать экономию более чем в 250 млн. долларов в год. Точные количественные оценки требуют углубленного исследования динамической прочности и трещипостойкости горных пород при высоков скоростном нагружении, решения сложных нелинейных динамических задач о распространении пестацнонарных волн большой амплитуды.
Однако огромные выгоды, которые сулит математическая теория оптимального взрыва твердых тел, безусловно, стимулируют работу ученыхмеханнков в этом направлении. Другой известный методдобычиполезныхруд иминералов связан с бурением горных пород. Наиболее распространено ротационное бурение, характер которого сильно зависит от вида породы: в очень жесткой скалывание происходит почти непрерывно и долговечность бура определяется его абразивным износом, в менее жесткой бурение становится скачкообразным и на долговечность инструмента влияет также ударная усталость. Любопытно сопоставить энергетические затраты на выемку единицы объема материала.
Если затраты рудокопа, дробящего породу киркой, припять за единицу, то затраты на обычное сверление составят примерно 63 единицы, при взрыве и бурении опи почти одинаковы — около 76 единиц, плавление же является чемпионом — более 1800 единиц. Простор для работы изобретателей огромный, однако реальная стоимость добычи определяется в основном иными факторами. Например, при глубинном бурении энергетические затраты не превьппают $ 7о общих затрат и не идут пи в какое сравнение, допустим, с убытками от простоев при заменах бурильного инструмента.
231 Крайне плодотворным должно быть направление, свя ванное с использованием хемомеханическп активных жпд костей (см. 5 24), когда благодаря эффекту Ребпндера (открытому еще в 1928 г. акад. П. А. Ребиндером и но сящему его имя) достигается минимальный коэффицпепт трения между буром и горной породой.
Срок службы бу ра в условинх применения тщательно подобранных поверхностно-активных растворов может возрасти в 3— 4 раза, а стоимость бурения скважины (900 м) понижепа почти вдвое. Оптимизация процесса бурения с использованием хемомеханически активных жидкостей требует решения сложной математической задачи с учетом уравнений динамики адсорбции. Из-за неправильного выбора параметров бура и режима бурения адсорбциовный эффект может не проявиться по той причине, что молекулы поверхностно-активного вещества не успевают достигать свежих поверхностей разрушения и хемосорбироваться па них до следующего прохода режущей кромки инструмента.
Теоретическое обоснование крайне важно и для обеспечения эффективности принципиально других способов бурения. Рассмотрим, например, так называемое огневое бурение, которое осуществляется посредством воздействия на породу высокотемпературной струи газа (рис. 145). Теория этого метода была развита Г. П. Черепаповым в 1966 г. Расчет показывает, что наиболее эффективным режимом огневого буренин является тот, при котором порода пе оплавляется, а хруп»<о дробится на мелкие куски под действием температурных напряжений в зоне интенсивного нагрева.
Для расчета необходимо совместное решение задачи о течении газа и задачи хрупкого разрушенип породы. Вопросы долговечности инстру- мента и экономической эффективноРвс. 145. Огневое бу- сти играют в бурении центральную репке (разрушепке хрупкек пород»» юг роль. Например, в «Литературной секете»гпературпсй газете» (Ме 10 от 4.03.87) была опиструей газа) сана поучительная история вибро- электробура: «В центре киноэкрана возникла белая точка, она стала расти, и из нее вылупилась цифра 140 000 000. Голос 232 ва кадром торжественно прокомментировал, что такой выигрыш в денежном исчислении получит страна, если хотя бы треть бурильных станков снабдить виброспарядами.
А вот н сам чудо-бур в действии. Будто раскаленный нож в сливочное масло, он вонзается в землю. И это по кинотрюк. Очевидцы утверждают, что наяву это зрелпще еще более завораживающее. Сначала демонстрировался вчерашний день: обычный бур, вооруженный так называемыми шарошками, вяло крон»ил гранит. Но вот па сцену вступал день завтрашний — электровпбробур, придуманный изобретателем В. О. Мальченком.
Считанные минуты — и двухметровый гранит прошит насквозь». К сожалению никто в 1972 г. после демонстрации вибробура пе заглянул за обратную сторону чудесной декорации. Оказывается, на машину подавалась сверхпредельпая мощность и короткое время опа могла показывать в этом режиме сумасшедшую производительность. Но вскоре нагревалась н теряла свои полезные свойства. Две дырки могла просверлить, а на третьей выдыхалась. Впрочем, до третьей доло ппкогда п пе доходило, присутству»ощим уже было ясно: в буренин грядет революция. При испытаниях вибробура в горном карьере главным тоже стал демонстрационный эффект.
Делалось все, чтобы подчеркнуть привлекательные стороны новой машины. Десятки людей, масса техники обеспечивали ее работу. Пробный образец бура объявили годным для повсеместного применения. На основе демонстрационных эффектов высчитывался эффект экономический, который выражался астрономическими цифрами. На этом основании и было признано, что электровибробуру принадлежит будущее. Прнступилп к проектированию завода... Когда комиссия — одна за другой — разбирались в истории создания электровибробура, пх поражало пре кде всего отсутствпе серьезной и обоснованной конструкторской проработки. Опи обнаружили случайный набор ип»кенерпых идей. На создание электробура затрачено 20000000 рублей. Изготовление одного виброспаряда обходится почти в 35— 40 тысяч рублей.
Между тем работает внбробур всего 500 ч, после чего выбрасывается, поскольку ремонту пе подлежит. Такие затраты окупило бы добываемое в карьере золото, но пикап не железная руда. Сравните: комп- 233 лект применяемых сегодня бурильных штанг с приблизительно таким же сроком службы стоит 2700 рублей... Американцы в свое время заинтересовались электро впоробурами„Затратив около 10 миллионов долларов, попили: метод бурения чрезвычайно дорог, неэффективен.
И свернули изыскания. Заметим в заклгочение, что многих неприятностей, свяаанных с конструированием вибробура, можно было бы избентать, проведя предварительный расчет усталостпой долговечности. Из расчета но методике, похожей па описанную в э 23, можно получить зависимость долговечности рабочего инструмента от подаваемой на пего мощности. Приближенные оценки показывагот, что работа виброэлектробура станет экономически выгодной только в будущем после получения принципиально новых высокопрочпых материалов. Примером рационального применения представлений, основанных па механике разрушения, нвляетсн решение проф. С.
С. Григоряном и его коллегами из Института механики МГУ одной вангпой прикладной народпохозяйственнон задачи. Она посвящена разраоотке эффективного способа ликвидации так называемого прихвата бурильного пнструмента — весьма неприятной и связанной с большими потерамн средств и времени аварии, часто возникающей при бурении глубоклх нефтяных и газовых скважин. Проявляется прихват в том, что в какой-то момент при выполнении операций буренин колонна бурильных труб в скважипо теряет подвижность — невозможно ни повернуть ее, нк сместить в осевом направлении в скважине, т. е. колонна, действительно, оказывается па какой-то глубине «прихваченпойа. Причины н факторы, приводнщие к прихвату, многочисленны и разнообразны, общнм н~е для всех типов прихватов является то, что колонна па некотором своем протяжешги оказываетсн достаточно прочно связанной со стенкой скважины.
Роль аллея», связывающего трубу со стенкой, выполняют глинистые корки, образующиеся из глинистого раствора, циркулирующего в скважине в процессе бурения, частицы разоуренпой илп осыпавшейся со стенок скважины горной породы. И несмотря па то, что удельная прочность матерпала этол связи невелика из-за оольшои длины участка прихвата извлечь колонну бурильных труб оказывается практически невозможным: прочность самой колонны становптся огранпчпвающим фактором, поскольку приложение оольших усилий 234 приведет сначала к обрыву колонны, а освобоя»дающее прихват усилие так и не будет достигнуто.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
