Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Электрогидравлические устройства для бурения и резания горных пород

Электрогидравлическое бурение [7, 8, 9, 22, 41], при котором электрическая энергия непосредственно в самом забое переходит в механическую работу, разрушая горную породу, является прин­ципиально новым способом бурения. Для его осуществления предназначены электрогидравлические буры различных типов и модификаций.

В зависимости от конструкции и. назначения бура электродов в буре может быть два или несколько; они могут быть неподвиж­ными, вращающимися, а также совершать колебательные движе­ния. Движение электродов может осуществляться либо от посто­роннего источника (движителя), либо за счет энергии проходящей воды, либо силой действия самих электрогидравлических ударов. Силовая установка (ГИТ), питающая бур, может быть как на­земной, так и погружной.

Буровая коронка может выполняться как сидящей на буровой водовводной штанге, так и прямо на обсадной трубе или внутри нее, или же просто подвешиваться на тросе. Буровой снаряд вы­полняют также и в виде «торпеды», совмещающей образование скважины с процессами уплотнения грунта и закрепления стенок скважины.

Предложенные электрогидравлические буры конструктивно делятся на четыре основные группы.

Электрогидравлические буры с вращающимся центральным электродом. Экспериментально доказано, что буры сплошного за­боя этого типа при напряжении 70—100 кВ и емкости 0,7—1,0 мкФ могут бурить крупные скважины диаметром до 450—500 мм. Вращение переднего конца центрального электрода осуществляет­ся различными способами (например, от электромотора, турбинки, приводимой в движение промывочной водой, поступающей по трубе бура, а также от реактивного действия самих электро - гидравлических ударов). Буровая коронка для этих буров при небольших энергиях импульса может быть выполнена сплошной, с гладким или зубчатым краем. При больших энергиях импульса коронка должна выполняться эластичной (например, из отдельных тонких эластичных проволок) [7].

В бурах сплошного забоя с вращающимся центральным керном впервые применена водяная изоляция для отрицательного элект­рода. Токопроводящий шланг выполняют из тонкостенной рези­новой трубы, заполненной водой. Вода свободно проходит внутри шланга через отверстия в шайбах, центрующих электрод по оси шланга. На рис. 5.5 изображен один из первых вариантов электро - гидравлических буров такого типа.- Внутри металлической трубки-коронки, зазубренной с торца, помещен изолятор с от­верстием для промывочной жидкости. В центре изолятора, в труб­чатом подшипнике, свободно вращается положительный электрод, ток к которому подводится скользящим контактом. Нижний конец электрода отогнут под прямым углом на 5—10 мм. Вблизи торца трубка имеет отверстия для выхода газов и паров. При подаче импульсов тока на трубку-коронку и электрод между отогнутым концом последнего и ближайшим к нему зубцом коронки воз­никают разряды. При вращении электрода эти разряды после­довательно, с зубца на зубец, обегают периметр нижнего не­подвижного торца трубки. Возникающими электрогидравли- ческими ударами разрушается порода, на которую поставлена трубка. Измельченная порода выходит между зубцами через зазор между трубкой и стенками отверстия, откуда вымывается водой, принудительно подаваемой через полость устройства [22].

Конструктивно бур кольцевого забоя этого типа аналогичен буру сплошного забоя, вращение центрального трубчатого элект­рода осуществляется в нем теми же способами. Буры этого типа при напряжении до 50—80 кВ могут образовывать круглые сква­жины любого диаметра при ширине разбуриваемого кольца около 30—50 мм [9].

Вращением с частотой 10—15 об/мин внутреннего цилиндра, имеющего нижний косой срез, который играет роль разрядного острия, достигается обегание разрядами периметра нижнего тор­
ца коронки между острием цилиндра и ближайшим зуб­цом коронки. Образующийся при прошивке керн входит во внутреннюю полость ци­линдра и затем может быть извлечен; вода подается че­рез отверстие в теле бура.

Опытным путем установ­лено, что при напряжении 70—100 кВ, емкости 0,7—

1,0 мкФ и разрядах длиной до 220—250 мм можно полу­чить отверстия сплошного забоя диаметром до 450—

500 мм. Твердость пород для образования отверстий значения не имеет [7, 8].

Электрогидравлические буры с неподвижным цент­ральным электродом (буры «грязного забоя»). Осущест­вление вращения централь­ного электрода значительно усложняет конструкцию бу­ра. Попытки выполнить центральный электрод невращающимся сталкивались с невозможностью соблюдения точного осевого положения центрального электрода, а это приводило к тому, что разряды развивались преимущественно по кратчайшему радиусу или вблизи него, в пределах небольшого угла, что нарушало условия работы бура.

В ходе исследований по созданию бура с неподвижным цент­ральным электродом была выявлена зависимость пробивного напряжения в жидкости от массового содержания в ней каких - либо механических примесей и предложец метод так называемого «грязного забоя», а также был создан бур [41] сплошного забоя, использующий этот метод (рис. 5.6). При диаметре бура 40 мм и затрате энергии 25 Вт бур позволяет получить следующие ско­рости бурения, см/мин:

Гранит раппакиви............................................................................................... 2

Криворожская железная руда.................................................................. 8

Бетон на гранитном песке крупностью 3—5 мм 50

Приданием концу центрального электрода тарельчатой формы удалось добиться устойчивой работы бура без разрушения его изоляции. Проведенные исследования поведения и распределения электрических силовых полей позволили предусмотреть в конструк­ции бура возможности работы в режиме обратной полярности

И ввести небольшой зазор между изоляцией и «тарелочкой», удлиняющий срок работы бура [8, 9].

Применение для изоляции нейлона, полиэтилена, эскапона и других особо стойких к действию электрогидравлических уда­ров материалов делает работу бура вполне надежной. Фокуси­рующий отражатель и передний конец изоляции центрального электрода выполняются именно из этих материалов. Поскольку в буре данной конструкции только эти два элемента могут под­вергнуться разрушению, они выполняются сменными. Буры этого типа не имеют никаких движущихся частей, способны образовы­вать не только круглые, но и любой формы скважины. Подача воды в забой осуществляется не только через отверстия, расположенные вне изоляции центрального электрода, но и через полость центрального электрода, который в этом случае имеет трубчатую форму.

Для образования кольцевой прорези — кольцевого забоя с центральным керном по методу «грязного забоя» — был пред­ложен бур, имеющий минимум два неподвижных, коаксиальных друг другу трубчатых электрода, которые могут быть различной формы (рис. 5.7), но при этом должны иметь плавное закругле­ние всех острых углов. Поскольку расстояние между электродами, заданное шириной прорези, в этом случае обычно не превышает 30—50 мм, то для работы буров этой 'конструкции не требуется напряжений больше 100 кВ. В конструкциях этих буров также может быть предусмотрена возможность работы в режиме обрат­ной полярности [9].

Вода в этом буре подается как через полость центрального электрода, так и через каналы в изоляторе. Высота каждого из коаксиальных цилиндров-электродов может быть различной: один ; из электродов может быть только узким кольцом. Отверстия для выхода воды могут быть сделаны не только внизу, на коронке, но и вверху (для тех случаев, когда шлама много и на его подъем необходимо затрачивать большее количество воды, чтобы не «перезагрязнить» забой). Скорость бурения таким буром, как и буром сплошного забоя, является линейной функцией потреб­ляемой мощности, определяющей частоту разрядов на дан­ном режиме бурения. Буры кольцевого забоя целесообразно использовать для проходки полного профиля шахт, штолен, штреков, тоннелей.

Питание обоих типов буров «грязного забоя» рационально осуществлять от погружаемых непосредственно в забой силовых установок питания. В ряде случаев погружаться может только разрядная часть контура, зарядная часть может быть и наземной.

Линейные буры. Если, образно говоря, «сплющить» бур сплош­ного или кольцевого забоя с неподвижным центральным электро­дом, то конструктивно получатся два типа линейных буров. Линей­ные буры с подачей воды через центральный электрод при длине резания, равной 1—2 м, могут образовывать при напряжении

Рис. 5.7. Электрогидравличе - ский бур кольцевого забоя с неподвижным центральным электродом:

1 — буровая труба — полюс то - копровода; 2 — внешний элек­трод—оплетка кабеля; 3— центральный электрод — жила кабеля; 4 — полость для прохода воды; 5 — внутренняя труба бу­ровой коронки (токопровод);

6 — отверстия для прохода во­ды; 7 — газо - и шламовыводные отверстия; 8 — разрядные

Острия; 9 — полость для прохо­да керна; 10 — корпус буровой коронкн — токоподвод

50—80 кВ узкие прорези-щели шириной до 8—10 мм не только по прямым, но и по любым кривым линиям. В бурах первого типа центральный электрод выполнен в виде пластинки, а вода подается через отверстия в теле диэлектрика, а в бурах второго типа — в виде плоской трубки, через полость которой подается вода (рис. 5.8). В этом случае центральный электрод окружен труб­чатым кольцевым электродом. Электроды отделены друг от друга диэлектриком, устойчивым к действию электрогидравлических ударов. Между нижними концами электродов возникают разряды, обегающие весь периметр торца коронки. Внутренняя полость центрального электрода через канал непрерывно наполняется водой, поступающей под некоторым давлением через патрубок. Количество воды в забое определяется условиями метода автома­тического распределения разрядов (см. гл. 2.4). Объединяя линейные буры в группы, представляется возможным прорезать пазы и вырезать отверстия различной конфигурации, а комбини­руя работу линейных буров с работой буров кольцевого забоя,— разрезать образующийся центральный керн на блоки, удобные для транспортирования.

■ Бурами этого типа можно бурить все горные породы, мерзлый грунт, лед, соль (при усиленной промывке водой), резать древе­сину, выполнять различные подводные работы — прорезать темпе­ратурные швы в бетоне, каналы-щели для шпунта в основании плотин, а также бурить скважины с любой продольной кривизной, что достигается приданием соответствующей продольной кривизны' стержню бура.

, Прочие виды буров. Простейшим вариантом миогоэлектрод - ного бура является двухэлектродный бур-долото [7]. Для исследования разрушения неметаллических материалов электро - гидравлическим способом было изготовлено устройство, назван­ное электрогидравлическим долотом. Оно состоит из текстолито­вого наконечника с выходящими из него электродами из стальной проволоки. Наконечник насаживался на текстолитовый стер­жень, свободно двигающийся во втулке, закрепленной па пере­кладине ванны. Для уменьшения подбрасывания долота после каждого удара на текстолитовый стержень помещался груз. Таким долотом успешно долбились различные материалы со скоростью от 3 до 30 мм/мин при частоте 50—60 импульсов в минуту и потре­бляемой мощности установки 100—200 Вт. Опытным путем было установлено, что породы с проводящими или полупроводящими включениями долбятся с увеличенной скоростью, мелкокристал­лические породы и вещества типа твердых растворов долбятся легче крупнокристаллических, волокнистых и некоторых слоистых пород. Таким образом, для разрушения горных пород определяю­щее значение имеет не твердость породы, а ее хрупкость. Увели­чивая число электродов, и различным образом располагая их, можно получить несколько типов многоэлектродных буров. Распо­ложение электродов долот может быть линейным (по периферии

Окружности в один, два и более рядов колец) либо уступчатым (например, в шахматном порядке).

Соединяя в одном агрегате два, три и более кольцевых бура с неподвижным центральным электродом, можно образовать раз­личные варианты многоэлектродных буров. Эти буры позволяют получать при напряжении до 100 кВ любые диаметры скважин.

Вводя между двумя основными — питающими — электродами близкорасположенные изолированные дополнительные электроды, можно получить направленное бурение —«пиление» породы. Такие буры представляют собой новый конструктивный класс — пилоэлектродные буры, которые могут быть как линейными, так и кольцевыми.

Если в пилоэлектродном буре заменить многочисленные непод­вижные дополнительные электроды насыпанной в забой мелкой металлической дробью, то дробинки начнут играть роль отдельных дополнительных электродов, образуя новый класс — дробно­электродные буры. Эти буры прорезают в породе резко очерченную, самоцентрующуюся прямолинейную прорезь, следовательно, на их основе можно, создать многогранные буры [7, 8].

Давления, возникающие при электрогидравлических ударах, могут не только рыхлить породу, удаляемую затем водой, но при бурении слабых горных пород и плотных грунтов настолько уплот­нять стенки скважины, что удаление разбуренной породы или грунта становится необязательным. Эти же давления будут за­креплять и стенки скважины. Для производства буровых работ в таких грунтах предложен электрогидравлический бур, выполнен­ный в виде торпеды (рис. 5.9), который подвешивают на кабель - тросе. Внутрь бура подают вяжущий раствор. Под действием электрогидравлических ударов порода в забое рыхлится, раз­двигается к стенкам скважины и уплотняется. При проходке скважины раствор смешивается с грунтом в грунтобетонную или грунтоцементную смесь. По достижении буром водоносного горизонта при бурении артезианских скважин или заданной глубины проходки при бурении горизонтальных скважин в слабых горных породах подачу тока прекращают и бур поднимают за кабель-трос наружу.

При протаскивании бура-торпеды в обратном направлении внешней поверхностью бура выглаживается и уплотняется смесь грунта с вяжущим раствором. Этим создается прочная облицов­ка стенок скважины. Электрогидравлический бур такого типа может быть использован в горном деле, мелиорации, водоснаб­жении и канализации.

В тех случаях, когда при электрогидравлическом бурении грунт позволит осуществлять одновременно с бурением и уплот­нение стенок скважин, в креплении их толстыми стальными обсадными трубами нет необходимости, можно ограничить­ся креплением стенок скважин металлической лентой [88]. Для этого металлическую ленту, предварительно уложенную

Рис. 5.9. Электрогидравлический бур-«торпеда»:

1 — кабель-трос; 2— трубопровод;

3 — корпус бура; 4 — полость бура; 5 — полость, в которую подается вяжущий раствор; 6 — сквозные от­верстия втулки; 7 — нижняя часть коронки бура; 8—зазор; 9—та­рельчатый коней положительного электрода; 10 — отверстие для вы­хода смеси, разрушаемой породы и раствора; 11—диэлектрическая втулка; 12 — водопровод

Рис. 5.10. Электродный узел для буровых элёктрогидравлических устройств:

1 — центральный электрод; 2 — труб­чатый электрод; 1 3 — тарельчатый конец центрального электрода; 4— конусообразный экран

В рулон, опускают на забой скважины. Наружный конец ленты отгибают от рулона под прямым углом и закрепляют на забое вдавливанием в грунт (или каким-либо другим способом). Затем внутренний конец ленты рулона вращают в направлении, про-, тивоположном навивке ленты, с одновременным осевым переме­щением его от забоя. При этом происходит вытягивание рулона в длину и расширение витков рулона до стенок скважины. Таким образом, металлическая лента укладывается по спирали в трубу, а для того чтобы труба не допускала дренирования воды, близ­лежащие слои ленты располагают внахлест. Наружный конец ленты закрепляют так же, как и внутренний. Такая технология упрощает крепление скважины шахт, штреков, штолен и других сооружений.

Электродные узлы буровых установок. Электродные узлы бу­ровых установок состоят из заключенного в изоляционную трубку центрального электрода и коаксиального ему второго электрода, роль которого может выполнять коронка бура. Центральный электрод выполнен в виде неподвижного стержня, вращающегося стержня или полого цилиндра. Наиболее рациональным и обеспе­чивающим высокую производительность работы бура будет элект­родный узел, изображенный на рис. 5.10. Отличительной чертой этого электродного узла, предназначенного для бурения методом «грязного забоя», является установленный на нижнем конце изоляционной трубки эластичный изоляционный конусообразный экран, нижнее основание которого расположено на уровне торца центрального электрода, а диаметр основания не превышает внутреннего диаметра второго, коаксиального электрода. При этом

Продукты бурения в значительном количестве накапливаются под экраном, поскольку экран препятствует прохождению рабочей (промывочной) жидкости на этом участке. В результате область, расположенная над разбуриваемой поверхностью и защищенная экраном, становится значительно более загрязненной продуктами бурения, чем область, непосредственно прилегающая к поверх­ности бурения. Это не позволяет разрядам уходить вверх, т. е. удаляться от разбуриваемой поверхности, чем обеспечивается сохранение оптимального пути развития разрядов, в соответствии с которым эффективность воздействия электрогидравлических ударов на разрушаемый материал (горную породу) будет мак­симально возможной.

Электрогидравлические режущие устройства. Электрогид - равлический резак для горных пород [7, 8, 30] и других нетоко­проводящих материалов представляет собой разрядный искровой промежуток, ограниченный электродами, которые могут переме­щаться по заданной линии разряда в непосредственной близости от поверхности разрезаемого материала. Усиление направленности действия электрогидравлических ударов достигается при помощи кумулятивных отражающих поверхностей. Получение реза нужной длины при продольной резке обеспечивается применением на­правляющих устройств, а при круговой резке — вращающихся устройств.

Обеспечение постоянного соприкосновения электродов резака с поверхностью материала достигается применением обычных средств, например пружины.