Способы разрушения горных пород реферат

Обновлено: 05.07.2024

Разрушение горных пород — нарушение сплошности природных структур горных пород (минеральных агрегатов, массивов горных пород) под действием естественных и искусственных сил. Разрушение — сложный физический или физико-химический процесс, характер развития которого зависит от величины и скорости приложения нагрузки, напряженного состояния объекта, его прочности и структурных свойств. В соответствии с этим разрушение может протекать на микро- и макроскопическом уровнях. Микроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения до 1 мм) возникает в месте контакта разрушающего элемента с породой и сопровождается разрывом связей между зёрнами или нарушением химических связей в кристалле, микротрещинами, сдвигом вдоль поверхностей скольжения. Макроскопическое разрушение (размеры зоны разрушения 1 см и более) характеризуется развитием одной или многих трещин, нарушающих сплошность массивов в значительных объёмах. Во всех случаях разрушение начинается с процесса на микроскопическом уровне, при определённых условиях приобретающего макроскопические масштабы.

Поверхностный слой горной породы в процессе продвижения забоя приобретает определенные нарушения целостности (развивается система микро- и макротрещин). Изломанная поверхность горной породы на забое скважины увеличивает длину пути поверхностного разряда, что, в свою очередь, должно привести к повышению вероятности внедрения канала разряда в горную породу.

Таким образом, закономерности разрушения горных пород на забое скважины существенно отличаются от аналогичных зависимостей, полученных ранее при экспериментальных исследованиях одноимпульсного разрушения плоских образцов.

Основные способы разрушения горных пород

В настоящее время известны механические, физико-химические, термические, термомеханические и др. способы разрушения горных пород (способы бурения) – всего несколько десятков. При механических способах в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. При термических способах разрушение пород происходит за счет возникновения в них термических напряжений и различного рода эффектов (дегидратация, диссоциация, плавление, испарение и т. д.). При термомеханических способах тепловое воздействие осуществляется целенаправленно для предварительного снижения сопротивляемости породы последующему механическому разрушению. Химические (физико-химические) способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества.

При механическом способе разрушения в породе создаются очень значительные местные напряжения, приводящие к ее разрушению. При бурении породы разрушаются в основном за счет сжатия и скалывания.

Механический способ бурения представлен двумя главнейшими видами: ударным и вращательным бурением. При ударном бурении порода разрушается под действием ударов буровыми клиновыми наконечниками, называемыми долотами; при вращательном бурении порода срезается или раздавливается и истирается в забое специальными режущими и дробящими долотами или резцами коронок.

Ударное бурение, в свою очередь, разделяется на штанговое и канатное. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие металлическими стержнями – штангами, во втором случае – канатом.

Ударное бурение на штангах может производиться с промывкой забоя скважины или без промывки. Разрушение породы при ударном бурении осуществляется по всей площади поперечного сечения скважины; такой способ бурения называется бурением сплошным забоем.

При механическом вращательном бурении резанием к породоразрушающему инструменту (алмазные, твердосплавные коронки, долота) прикладывают крутящий момент и усилие подачи. Мощность, передаваемая породоразрушающему инструменту, возрастает с увеличением частоты вращения бурового снаряда, осевой нагрузки и сопротивления породы разрушению. Граничными условиями являются: прочность коронок, колонковых и бурильных труб, с одной стороны, и физико-механические свойства пород – с другой.

При бурении резанием с наложением ударов (ударно-вращательное бурение) к породоразрушающему инструменту приложены усилие подачи, крутящий момент и ударные импульсы определенной частоты и силы. При создании колебаний породоразрушающего инструмента породе передается дополнительная удельная энергия, а процесс разрушения породы сопровождается образованием более крупных частиц, что приводит к уменьшению энергоемкости процесса. Изменяя частоту и силу ударов, статическое усилие подачи и окружную скорость, можно в широком диапазоне менять характер воздействия резцов на породу. Для создания ударных импульсов могут быть использованы устройства, работающие в инфразвуковом ( 20 000 Гц) диапазонах частот.

Ударные нагрузки возникают при бурении шарошечными долотами (бурение дроблением и скалыванием). Генераторами инфразвуковых колебаний в настоящее время являются гидроударные и пневмоударные машины. Звуковые и ультразвуковые колебания инструмента создаются магнитострикторами и орбитальными осцилляторами, а также высокочастотными гидроударными машинами.

Бездолотные способы разрушения горных пород связаны с использованием энергии взрыва (взрывное бурение), кавитационной эрозии (имплозионное бурение), энергии удара стальных шариков о породу (шароструйное бурение), энергии струи жидкости (гидромониторное и гидроэрозионное бурение).

При взрывном бурении компоненты, образующие взрывчатую смесь, в капсулах доставляются на забой, где при ударе происходит их смешение. Они могут подаваться на забой и раздельно по трубопроводам; там они смешиваются и взрываются.

При электрогидравлическом бурении электрический разряд в жидкости образует кавитационные полости, при заполнении которых происходит гидравлический удар, или проходит непосредственно через породу благодаря заполнению скважины диэлектрической жидкостью.

При имплозионном бурении в скважину подают герметически закрытые капсулы, из которых предварительно удален воздух. В момент разбивания капсул о забой происходит интенсивное смыкание вакуумной полости. Жидкость, окружающая вакуумную полость, под воздействием гидростатического давления приобретает большую скорость, и порода разрушается под действием импульсов высоких давлений.

Гидромониторное и гидроэрозионное бурение. Энергия высоконапорных струй жидкости может использоваться для разрушения породы в комбинации с резцовыми или шарошечными долотами или самостоятельно. Добавление в рабочую жидкость абразивных частиц повышает эффективность разрушения породы при тех же давлениях. При соответствующей конструкции гидромониторных насадок можно получить эффект кавитации струи промывочной жидкости непосредственно на забое скважины.

Основные способы разрушения горных пород ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

В настоящее время известны механические, физико-химические, термические, термомеханические и др. способы разрушения горных пород (способы бурения) — всего несколько десятков. При механических способах в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. При термических способах разрушение пород происходит за счет возникновения в них термических напряжений и различного рода эффектов (дегидратация, диссоциация, плавление, испарение и т. д. ). При термомеханических способах тепловое воздействие осуществляется целенаправленно для предварительного снижения сопротивляемости породы последующему механическому разрушению. Химические (физико-химические) способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества.

Ударное бурение, в свою очередь, разделяется на штанговое и канатное. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие металлическими стержнями — штангами, во втором случае — канатом.

В Украине имеются большие запасы угля. Уголь – один из видов энергетического сырья. Это настоящий хлеб промышленности. Возрастает значение угля для химической промышленности (получение серы, пластмасс, красителей, удобрений и др.).

Развитие техники, совершенствование технологии и организации горных работ приводят к коренным изменениям в горной промышленности.

Большие нагрузки на очистные забои требуют повышения скоростей проведения горных выработок до 400 – 500 м/мес. Прохождение горных выработок ведется с помощью комбайнов или буровзрывным способом.

Буровзрывные работы находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Являясь основным средством отделения от массива и дробления горных пород при добыче полезного ископаемого, буровзрывные работы успешно применяются при строительстве плотин и вышек различного назначения, разведке полезных ископаемых, исследованиях строения земной коры, проходке нефтяных и газовых скважин, в машиностроении (для сварки металлов, упрочнения и штамповки деталей).

В общем технологическом комплексе производственных процессов горного предприятия буровзрывные работы предопределяют производительность добычи угля и в конечном итоге его себестоимость.

Способы разрушения горных пород

1. Разрушение горных пород

2. Понятие о взрыве и взрывчатых веществах

Литература: 1, 2, 3

Разрушение горной породы редставляет собой отделение от массива ее кусков и дробление их до кондиционной крупности. В настоящее время это основной процес технологии добычи твердых полезных ископаемых.

Различают следующие виды разрушения горных пород: механическое, взрывное, гидравлическое, термическое, электрическое, комбинированое и др.

Механическое разрушение – это отделение горных пород от массива или их измельчение путем воздействия породоразрушаещего инструмента (резца, коронки, фрезы, ударника и др.). При этом протекают физические процессы чисто механического разрушения породы рабочим органом: резание, разделывания, скалывание, дробление, сжатие и др. Механический способ разрушения пород широко используют для непосредственной добычи угля, бурения шпуров и скважин.

Взрывное разрушение представляет собой отделение горных пород от массива и перемещение их под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в массиве (в шпурах, скважинах). Взрывной способ разрушения горных пород применяют в породах различной крепости, но наиболее экономичен он в крепких породах, когда другие способы разрушения неэффективны или вовсе применять нельзя.

Гидравлическое разрушение связано с отделением горных пород от массива путем воздействия на него струи воды под високим давлением (>10 мПа). Этой же водой осуществляется и транспортировка горной массы. Гидравлический способ разрушения горных пород применяется при добыче угля и слабых пород.

Термическое разрушение происходит под действием физических полей за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры без использования породоразрушающих инструментов.

Электрическое разрушение основано на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электрического разряда, электромагнитного поля и др.

Комбинированое разрушение основано на использовании комбинации двух видов разрушения (буровзрывное, механогидравлическое и др.).

Взрыв– это процесс быстрого физико-химического превращения вещества, при котором выделяется тепло и большое количество сжатых газов, способных

производить механическую работу по разрушению и перемещению разрушаемых объектов в окружающей среде.

Взрывание представляет собой процесс инициирования зарядов в заданной последовательности способами, обеспечивающими безопасность и эффективность работ.

Зарядсостоит из определенного количества взрывчатых веществ (ВВ), подготовленное к взрыву, с введенным в них инициатором взрывания. Величина (масса) заряда указывается в килограммах или тоннах.

Средство инициирования взрыва (СИ) – это небольшой заряд, инициирующий взрыв промышленных ВВ.

По своей природе взрывы делятся на:

При физическом взрывепроисходит только физическое преобразование вещества (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным газом, электрические разряды и т. п.).

В случае химического взрыва идет чрезвычайно быстрая химическая реакция окисления водорода и углерода с выделением 3,2*10 3 -5,6*10 3 кДж/кг тепла и газов (взрыв метана, угольной или другой органической пыли).

В процессе ядерного взрыва происходит цепная реакция деления и синтеза ядер с образованием новых элементов. В настоящее время реализуется два способа выделения атомной энергии при взрыве. Это превращение тяжелых ядер в более легкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер урана и плутония) и образование из легких ядер болеет тяжелых (синтез атомных ядер). Например, при термоядерном взрыве из тяжелого водорода образуется гелий.

ГОСТ

Способы разрушения горных пород

Разрушение горных пород – это искусственное или естественное нарушения сплошности природной структуры горных пород.

Существуют физико-химические, термические, термомеханические и другие способы разрушения (бурения) горных пород, основными из них являются:

Ударный (канатный или штанговый). При таком способе разрушения наконечник опускается в скважину и приводится в действие с помощью металлического стрежня – штанги, при канатном функцию штанги выполняет канат.
Вращательно-резанный. При таком способе разрушения к элементу, который должен разрушать горную породу прикладывается усилие подачи и крутящий момент. Мощность, которая передается к этому элементу вырастает, благодаря увеличению осевой нагрузки и сопротивления горной породы. Пограничными условиями в этом случае являются прочность коронок и физико-механические свойства пород.
Резанный. При таком способе разрушения горных пород происходит к разрушающему инструменту прикладываются ударные импульсы, усилие подачи и крутящий момент.
Взрывной. При таком способе разрушения горных пород, вещества, которые входят в состав взрывной сети, транспортируются к забою скважины, где происходит их смешение в результате удара. Обычно они подаются по трубам.
Электрогидравлический. При таком способе разрушения электрический заряд, находящийся в жидкости, образовывает кавитационные полости, при заполнении которых совершается гидравлический удар.
Имлозионный.При таком способе разрушения в скважину подаются капсулы, из которых удаляют предварительно воздух. В момент, когда капсулы разбиваются о забой, происходит интенсивное смыкание вакуумной полости. Жидкость, которая находится вокруг этой полости, приобретает высокую скорость и происходит разрушение пород под действием импульсов высокого давления.
Гидро-эрозионный. При таком способе разрушения используются высоконапорные струи жидкости для разрушения горных пород.
Огнеструйный. При таком способе разрушения горных используется газовая струя, которая образуется в специальной горелке.
Плазменный. При таком способе разрушение горных пород осуществляется с помощью их нагрева плазменными генераторами.
Термодинамический. При таком способе разрушения в поток газа добавляют твердую фазу (например, кварцевый песок) через специальную насадку на сопле.
Электродуговой. При таком способе разрушения горная порода нагревается с помощью электрической дуги переменного или постоянного тока.
Термодетонационный. При таком способе разрушения горение топлива происходит с большими скоростями, из-за чего и образуются детонационные волны, разрушающие горный породы.
Электронагревательный. При таком способе разрушения тепловая энергия образуется из-за ее преобразования из электрической в буровом снаряде.
Атомный. При таком способе разрушения, горная порода рушится под действием тепла, полученного из атомных реакторов.
Лучевой. При таком способе разрушения используются оптические квантовые генераторы.

Методы измерения твердости горных пород

Твердость – это сопротивляемость горной породы разрушению или какой-либо другой деформации, при внедрении в неё более твердого тела.

Существует три основных способа определения твердости горной породы на промышленных предприятиях:

Метод истирания. Данный способ заключается в прижатии образца породы к цилиндру, которые покрыт абразивной шкуркой. Истирание образца происходит при вращении цилиндра с постоянной скоростью. В этом случае твердость породы можно определить по формуле:

$Т = 100 • S • q / (M_1 – M_2)$, где:

$S$ – площадь истирания образца горной породы;
$q$ – удельный вес породы;
$М_1, М_2$ - масса образца до и после истирания.

Метод резания. Этот метод определения твердости осуществляется с помощью прибора ОТ-ВИТР. Резание образца производится при постоянной нагрузке на диск по образцу несколько раз, после этого вычисляется среднее значение глубины реза, оно обратно пропорционально твердости горной породы. Это позволяет соотнести глубину реза с твердостью горной породы.

Метод Шрейнера является основным способом, который на промышленных предприятиях. Он осуществляется с помощью внедрения (вдавливания) твердого предмета в образец породы. В этом случае ее твердость определяется, как соотношение нагрузки (которая приводит к разрушению) к площади торца образца. Метод Шрейнера определяет не только твердость, но и пластические и упругие свойства горных пород. Обычно образец представляет собой кубик с сторонами от 30 до 50 миллиметров или цилиндр с высотой от 40 до 60 миллиметров.

Правильное и качественное проведения мероприятий по определению твердости горных пород и его результаты являются основой для определения способа бурения скважин и технических характеристик бурильного оборудования.

Читайте также: