Плазменный способ разрушения горных пород
В зависимости от степени ионизации, которая характеризуется отношением числа положительных ионов к общему количеству частиц, различают высоко — и низкотемпературную плазму. В высокотемпературной плазме степень ионизации близка к 100 °/о, а температура может достигать 106— 109 К. Получение таких температур в технических условиях связано с проблемами термоядерного синтеза, созданием управляемой реакции. Низкотемпературная плазма имеет температуру не выше 5000 К. В диапазоне температур 3000—5000 К степень ионизации плазмы составляет лишь 1 %•
Плазма обладает специфическими свойствами, электрически нейтральна, поддается воздействию внешних магнитных и электрических полей. Успехи в исследованиях физики низкотемпературной плазмы позволили разработать и создать технические средства ее генерации — плазмотроны. Под руководством А. В. Болотова было разработано, изготовлено и испытано в производственных условиях несколько конструкций плазменных генераторов различной мощности для бурения шпуров и скважин [4].
Технические испытания плазмобуров были произведены на Южном горнообогатительном комбинате в Кривбассе. Выбор этого карьера определялся следующими соображениями. Горные породы карьера по свойствам изменяются в широких пределах — от легко разрушающихся до небуримых; на карьере в период испытания плазменного способа бурения использовался большой парк станков термического бурения типа СБО, что давало возможность сопоставить достоинства и недостатки буровых инструментов. Плазмотрон имел медный охлаждаемый выходной электрод с разрядной камерой переменного сечения, который являлся анодом, в качестве катода использовался термохимический электрод медь — цирконий. Электроды разделялись изолятором, выполняющим роль за — вихрителя плазмообразующего газа (воздуха).
Диапазон регулирования электрической мощности плазмобура 60—150 кВт, температура струи 2400—4000 К, поверхностная плотность теплового потока в критической точке при ортогональном торможении струи до 2,0 -104 кВт/м2.
Бурение шпуров диаметром 50—60 мм показало, что скорость проходки в тонкополосчатых роговиках, мелкозернистых кварцитах увеличивается пропорционально тепловому потоку. В трудно — буримых этим способом породах (карбонат-магнетитовых роговиках, полуокислеиных роговиках, амфибол-хлоритовых сланцах) процесс хрупкого разрушения обеспечивается сравнительно невысокими (4-ь10-103 кВт/м2), но достаточно сосредоточенными (с большим градиентом по радиусу) тепловыми потоками. Скорость бурения (до 25 м/ч), показанная плазмотроном при оптимальных для каждой породы тепловых воздействиях, в 2—3 раза превосходила результаты, достигаемые промышленными термобурами, использующими в качестве топлива и окислителя керосин и кислород. Условия бурения значительно различались между собой, тем не менее полученные результаты характеризуют плазмобур как эффективный породоразрушающий инструмент.
На основе плазмотрона были разработаны горелки для бурения и расширения карьерных взрывных скважин. Бурение взрывных скважин диаметром 120—150 мм в тех же горно-геологических условиях производилось опытной установкой, в которой использовался двухструйный вращающийся вместе с буровой трубой плазмобур [4]. Суммарная мощность плазменных струй достигала 400 кВт, при потребляемой плазмобуром мощности 800 кВт. Скважины бурились в условиях естественного массива на рабочем уступе борта карьера. Сильная раздробленность пород за счет взрывных работ создавала большие трудности в обеспечении необходимого контура скважин. При забуриваиии скважины на глубину до 0,5 м образовывался котел в форме усеченного конуса с диаметром на поверхности до 500 мм. Продукты разрушения породы представлены крупными угловатыми отдельностями не менее 10 мм в поперечнике. При глубине скважины более 0,5 м ее диаметр стабилизировался и составлял 120—150 мм в зависимости от категории породы по буримости и скорости подачи плазмобура на забой. Эта скорость при бурении гематит-магнетитовых роговиков составляла 8—10 м/ч.
По результатам опытного бурения шпуров и скважин [4] были определены требования к промышленному плазмобуру для бурения взрывных скважин диаметром 180—220 мм на глубину до 20 м. Питание плазмобура от контактной сети не представляется возможным, из-за больших пульсаций напряжения, что сказывается на горении электрической дуги в плазмобуре. Необходим автономный источник питания большой мощности, который серийно промышленностью не выпускается.
Испытания плазменного бурового оборудования показали преимущество энергетических показателей плазмобура над термобуром, работающим на химическом топливе. Энергоемкость плазменного разрушения в 2—3 раза ниже, поскольку параметры плазменных струй регулируются в широких пределах.
Плазменный способ бурения хотя и расширяет область термического бурения, но требует для стабилизации дуги подачи в скважину газа [4], т. е. применения дорогостоящего компрессора, который в свою очередь ограничивает глубину бурения скважин.