Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Расчеты выполнены на отечественном персональном компью­тере типа ДВК-ЗМ2 по специально разработанной программе и представлены графически на рис. 5.9—5.14.

Графики на рис. 5.9 показывают, что скорость бурения плавле­нием по базальту практически прямо пропорциональна активной тепловой мощности пенетратора и в существенно меньшей степени зависит от осевой нагрузки. Последняя сказывается лишь при ма­лых значениях (до 2—4 кН), но в тем большей мере, чем выше активная мощность пенетратора. Так, если при — 1 кВт кри­вая зависимости v = f(C) практически параллельна оси абсцисс, то при Л/’а = 5 кВт она вынолаживается при С> 4 кН.

Из теории следует, что скорость бурения плавлением в общем случае пропорциональна корню третьей степени из удельной осе­вой нагрузки. С увеличением осевой нагрузки снижается толщина слоя расплава под пенетратором, что подтверждают данные рис. 5.12. Но увеличение скорости бурения плавлением за счет лучшей теплопередачи влечет увеличение количества расплава в единицу времени, что в условиях суженного канала ведет к рез­кому возрастанию гидравлических потерь давления, в силу чего кривые V — }(С) быстро выполаживаются.

Увеличение осевой нагрузки на пенетратор в условиях рас­сматриваемого примера даже при А^а = 5 кВт выше 4—5 кН не имеет смысла. Осевую нагрузку нельзя рассматривать как серьез­ный резерв повышения скоростей бурения горных пород плавле­нием, тем более если используется буровой снаряд на грузонесу — щем кабеле или шлангокабеле.

На рис. 5.10 наглядно иллюстрируется отрицательное влияние излишней высоты пенетратора. При этом темп снижения скорости бурения плавлением тем выше, чем больше фиксированная актив­ная мощность пенетратора. Причина в том, что при постоянной мощности пропорционально высоте пенетратора возрастает бес-

V

полезное рассеивание теплоты в массиве в радиальном направ­лении.

В полном соответствии с теорией скорость бурения плавлением тем выше, чем меньше высота пенетратора, но при этом пропор­ционально снижается полезный объем для размещения внутри пенетратора электросопротивления достаточной мощности. В этом противоречии заключается задача оценки оптимальной высоты и энерговооруженности пенетратора.

На рис. 5.11 показана расчетная зависимость скорости бурения плавлением от теплопроводности породы. Естественно, что с уве­личением последней растут нерациональные потери теплоты на рассеивание в массиве, и скорость бурения падает.

На рис. 5.12 демонстрируется снижение средней толщины слоя расплава под пенетратором с ростом осевой нагрузки. По абсо­лютной величине толщина слоя расплава при любой нагрузке

практически прямо пропорциональна активной тепловой мощности, поскольку в той же пропорции возрастает количество образующе­гося в единицу времени расплава. Характерно, что при любой ак­тивной мощности кривые б — f(C) стремятся к постоянным мини­мальным значениям; это подтверждает справедливость соображе­ний, высказанных относительно влияния осевой нагрузки на скорость бурения плавлением (см. рис. 5.9).

Поскольку гидравлические потери давления при выдавливании расплава существенно зависят от его вязкости, средняя толщина слоя расплава возрастает с увеличением последней, и в тем боль­шей мере, чем выше скорость бурения как функция активной мощ­ности пенетратора, что показывают на рис. 5.13 кривые зависи­мости б = f(v) при разных значениях скорости и. По характеру этих кривых можно судить, что они также выполаживаются с рос­том вязкости, но на разных уровнях, зависящих от скорости буре­ния плавлением. Причем различия в средней толщине слоя рас­плава при разных скоростях бурения тем больше, чем выше вяз­кость расплава, поскольку с ростом последней увеличиваются гидравлические потери давления.

На рис. 5.14 показаны расчетные зависимости скорости буре­ния плавлением по базальту от высоты пенетратора в условиях пропорционального возрастания его активной тепловой мощности при разных значениях удельной объемной мощности qv. Графики показывают прямое пропорциональное возрастание скорости бу­рения плавлением с ростом высоты пенетратора до 0,5—0,6 м, после чего темп прироста скорости начинает снижаться, и тем бы­стрее, чем выше удельная объемная мощность. Дело в том, что, несмотря на возрастание суммарной тепловой мощности пенетра­тора, с ростом его высоты увеличиваются гидравлические сопро­тивления при выдавливании расплава, возрастает средняя тол­щина слоя расплава и, главное увеличивается доля теплоты на бесполезное радиальное рассеивание в окружающем массиве.

Из теоретических соображений и характера кривых на рис. 5.14 можно сделать вывод о наличии максимума скорости при любой (удельной) объемной мощности, после чего должно происходить снижение скорости бурения плавлением. Более того, в настоящей методике расчетов не рассматривается появление при определен­ной высоте пенетратора естественной конвекции расплава в усло­виях увеличивающейся толщины его слоя б и, следовательно, тур — булизации потока, влекущей повышение интенсивности теплопере­дачи с боковой поверхности. Кроме того, как можно показать расчетом с помощью формул (5.75) или (5.76), с увеличением вы­соты Я при qv = const резко возрастает средняя температура по­верхности пенетратора, и по этой причине не исключено кипение расплава. В силу фазового перехода многократно возрастает теп­лоотдача с боковой поверхности пенетратора, и дальнейшее уве­личение его высоты и мощности лишено смысла.

Вместе с тем графики на рис. 5.14 показывают принципиаль­ную возможность достижения высоких скоростей бурения горных пород плавлением—15—20 м/ч. Главная проблема заключается в обеспечении достаточно высокой жаропрочности конструкцион­ных материалов. Как легко показать аналитически и с помощью расчетов, температура в центральной части теплового пенетра — тора, т. е. температура источника тепловой энергии — элемента электросопротивления, в процессе бурения горных пород плавле­нием может на сотни градусов превышать температуру рабочей поверхности пенетратора, что зависит от теплофизических свойств материала его корпуса.

Современные успехи в разработке новых жаропрочных кон­струкционных материалов позволяют надеяться на реальность создания долговечных и высокопроизводительных тепловых пене- траторов для бурения горных пород плавлением.

Комментарии запрещены.