Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 1

Transkrypt

1 Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 1 KARTA TECHNOLOGII WIERCENIE OTWORÓW WYSOKOENERGETYCZNYM STRUMIENIEM WODY (WATER JET) Symbol II.1 WYRÓŻNIKI WIERCENIA WIERCENIE: - wiercenie otworów wiertniczych WIercenie strumieniami wysokociśnieniowymi: - strumień wysokociśnieniowy jako samodzielne narzędzie urabiające - na potrzeby górnictwa w kopalniach o podwyższonym zagrożeniu wybuchami metanu - strumienie wodne i strumienie wodnościerne - wiercenie skał narzędziami ze wspomaganiem strumieniami wody OPIS TECHNOLOGII Charakterystyka Wykorzystanie energii strumienia płynu do niszczenia struktury skały nie jest pomysłem nowym, jednak w świetle kryteriów ilościowych określających parametry energetyczne i kinematyczne wykorzystywanych strumieni, należy tę technikę, a w szczególności jej obszar obejmujący wykorzystanie tzw. strumieni wysokociśnieniowych, zaliczyć do nowych i niekonwencjonalnych metod urabiania. Oprzyrządowanie do tej metody to hydromonitory. Ciecz wypływa z dysz monitorów. Urządzenie służące do wytwarzania strumieni wysokociśnieniowych: - pompy - multiplikatory - przewody i połączenia Opis budowy

2 Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 2 Pompa - podstawowym elementem układu hydraulicznego jest pompa. Jej zadaniem jest dostarczenie określonej ilości wody w jednostce czasu pod odpowiednim ciśnieniem. Ważnym czynnikiem są możliwości regulacji wymienionych wyżej parametrów oraz sprawność hydrauliczna i energetyczna pompy. Pompa wysokociśnieniowa - najbardziej rozpowszechnionym rodzajem tej pompy jest pompa tłokowa (najczęściej 3 do 5-tłokowe), mamy również pompy wielotłoczkowe osiowe oraz promieniowe. Pompy wysokociśnieniowe są podstawowym zespołem agregatu hydraulicznego w skład którego wchodzą ponadto silnik i cały szereg elementów hydraulicznych (rozdzielacze, filtry, manometry oraz aparatura sterująco-regulacyjna). Multiplikatory - to swego rodzaju "przekładnia hydrauliczna" pozwalająca zwielokrotnić uzyskiwane ciśnienie. Innymi słowy to rodzaj pompy hydraulicznej napędzany hydraulicznie. W obu komorach multiplikatora może znajdować się ten sam rodzaj medium. W wysokociśnieniowych multiplikatorach znajduje się woda, która po wytłoczeniu z komory wysokociśnieniowej wędruje do dyszy i z niej formowany jest strumień wysokociśnieniowy. Przewody i połączenia - przewody hydrauliczne łączą pompy lub multiplikatory z elementami wykonawczymi, czyli dyszami. Ogólnie przewody wysokociśnieniowe dzielą się na sztywne i elastyczne. Przewody sztywne to rury bez szwu, najczęściej stalowe, wykonane ze stali stopowych o odpowiedniej do potrzeb wytrzymałości. Przewody sztywne łączy się między sobą lub do innych elementów układu za pomocą specjalnych złączek. Przewody elastyczne - dla ciśnień wyższych konieczne jest zbrojenie ścianek przewodów elastycznych materiałami o wyższych wytrzymałościach na rozerwanie. Przy doborze przewodów hydraulicznych należy liczyć się ze stratami ciśnienia związanymi głównie z lepkością cieczy oraz właściwościami tribologicznymi wewnętrznej powierzchni przewodu. Straty te głównie jednak zależą od prędkości przepływu cieczy w przewodach, która rośnie wprost proporcjonalnie ze wzrostem wydatku oraz maleje ze wzrostem powierzchni przekroju poprzecznego przewodu. Dysze - w dyszy wodnej energia zgromadzona w cieczy pod ciśnieniem zamienia się w energię kinetyczną strumienia cieczy. Dysze muszą spełniać szereg wymagań. W większości zastosowań w hydrourabianiu wymaga się, by generowany strumień był jak najbardziej zwarty i miał jak największy zasięg. W dyszach wysokociśnieniowych ciecz uzyskuje prędkość często wielokrotnie przekraczające prędkość dźwięku. Największą wydajność erozji daje dysza stożkowa o kącie zbieżności 40, lecz jej wskaźnik energochłonności jest mniej korzystny. Za najlepszą uznano dyszę stożkową o kącie zbieżności 112 oraz logarytmiczną. Charakterystyki tych dysz wykazują stabilność w szerokim zakresie zmian odległości dyszy od badanego materiału dla pracy w powietrzu oraz stosunkowo niski współczynnik energochłonności dla pracy pod wodą. Są to zatem dysze najbardziej uniwersalne. Szczególnie dysza logarytmiczna utrzymuje maksymalne parametry erozji, aż do odległości od próbki wynoszącej 80cm.

3 Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 3 Woda jako narzędzie urabiające Przy małych wydatkach wody jakie są potrzebne w przypadku strumieni wysokociśnieniowych, skutki wprowadzania dodatkowej ilości wody do wyrobiska są praktycznie nieodczuwalne. Ilości wody zużywane przy urabianiu w odniesieniu do masy urobku są porównywalne do ilości wody zużywanej do zwalczania zapylenia przy urabianiu narzędziami skrawającymi. Wysokociśnieniowe swobodne strumienie ciągłe. Hydrodynamiczna teoria strumienia wodnego. Proces urabiania wysokociśnieniowym strumieniem wody polega na transformacji jego energii kinetycznej na energię potencjalną odkształcenia cząstek skały pod działaniem siły, z jaką struga płynu uderza w powierzchnię skały. Penetracja w głąb skały może zachodzić tylko wtedy, kiedy ciśnienie w punkcie zderzenia znacznie przekroczy wartość ciśnienia granicznego charakterystycznego dla skały. W wyniku penetracji powstaje szczelina, której parametry geometryczne zależą od parametrów strumienia. Parametry strumienia są funkcją ciśnienia hydrostatycznego i parametrów geometrycznych dyszy, z której jest emitowany. Praca W pewnych sytuacjach praktycznych wysokociśnieniowy strumień wodny musi pracować w środowisku wodnym, np. w procesie wiercenia otwór wiertniczy jest wypełniony wodą. W licznych zastosowaniach strumieni wysokociśnieniowych przewidziana jest praca w zanurzeniu. Zauważany jest znaczny wzrost reakcji dynamicznych działających na czujnik w przypadku pracy strumienia pod wodą w stosunku do pracy w powietrzu. Badania Badanie na urabianiem i wierceniem skał przy użyciu strumieni kawitacyjnych. Jak pokazały badania efektywności strumienia w środowisku wodnym, w pewnych warunkach strumienie te działają bardziej efektywnie niż strumienie pracujące w powietrzu. Badania wykazały, że istotnym czynnikiem urabiającym mogą być występujące zjawiska kawitacyjne. Zjawisko kawitacji występuje w wodzie strumienia, tak więc skuteczność strumienia kawitacyjnego znacznie wzrasta, gdy strumień ten pracuje pod wodą. Przy pracy w powietrzu efektywność znacznie spada. Wobec powyższego została skonstruowana dysza kawitacyjna z tzw. sztucznym zanurzeniem. Zakres zastosowania Na potrzeby górnictwa uznano za słuszne zastosowanie hydrourabiania w kopalniach o podwyższonym zagrożeniu wybuchami metanu oraz wszędzie tam gdzie ze względu na występujące zagrożenia nie można stosować palników. Wiercenie strumieniami wysokociśnieniowymi - Strumienie wodne W przypadku wiercenia strumieniami bez wspomagania narzędziami skrawającymi zauważyć trzeba, że proces pracy strumienia odbywa się w warunkach zanurzenia (otwór wiertniczy

4 Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 4 wypełniony jest wodą). Optymalna prędkość wiercenia w węglu v=0,063 p(d 0 2,9) Zależnie od parametrów hydraulicznych i systemu ustawienia dysz można uzyskać wiercenie wyłącznie na skutek działania strumienia wysokociśnieniowego. Przy wierceniu wyłącznie strumieniami uzyskuje się bardzo nierówne ścianki otworu, co w niektórych przypadkach jest korzystne, np. gdy do otworu montowane są kotwy (elementy obudowy wyrobiska). Rysunek przedstawiający schemat rozmieszczenia dysz przy wierceniu hydraulicznym. Rysunek dyszy wiertniczej. Rysunek geometrii otworu wierconego hydraulicznie. - Strumienie wodnościerne Strumień woda-ścierniwo, ze względu na większą wydajność, może być wykorzystany do obróbki materiałów zamiast konwencjonalnych narzędzi skrawających. Rysunek przedstawiający typową operację wykonywania otworów za pomocą strumienia woda-ścierniwo. Metody otrzymania strumienia wodno-ściernego - strumień wody ze ścierniwem zasysanym w głowicy tnącej - strumień zawiesiny materiału ściernego w wodzie podstawową różnicę pomiędzy omawianymi metodami uzyskiwania strumienia wodno-ściernego stanowi sposób mieszania wody ze ścierniwem. Rysunek porównanie metody otrzymywania strumieni wody ze ścierniwem. Strumień zawiesiny materiału ściernego w wodzie w systemie AWSJ składa się tylko z dwóch frakcji: wody i ścierniwa. Natomiast strumień uzyskiwany w systemie AWIJ składa się z trzech frakcji: wody, ścierniwa i powietrza. W pracach badawczych i zastosowaniach praktycznych częściej stosuje się wytwarzanie strumienia w systemie AWSJ. Wiercenie w skałach bardzo zwięzłych przy użyciu strumieni czystej wody wymaga bardzo wysokich ciśnień - nawet powyżej 400 MPa. Obecnie jedyną efektywną technologią wiercenia w tych warunkach jest zastosowanie unowocześnionych narzędzi wiertniczych (urabiających przez skrawanie) wspomaganych strumieniami czystej wody. Ponieważ przy urabianiu materiałów bardzo zwięzłych dużą efektywność wykazały strumienie wodno-ścierne, powstałą myśl przystosowania ich do procesów wiertniczych w skałach bardzo zwięzłych. Badania wykazały, że strumieniem ściernym bez pomocy narzędzi skrawających można

5 Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 5 efektywnie wykonywać otwory w skałach o najtrudniej zwiercalnych (m.in. bazalty). W pracach nad zastosowaniem do wiercenia strumieni ściernych użyto kilku rodzajów ścierniw mineralnych oraz śrutu stalowego, który okazał się bardzo trwały i łatwy do odzysku (metodami magnetycznymi). Rysunek przekrój przez otwór w bazalcie wykonany głowicą strumieniowo-ścierną (rys.1) - Wiercenie skał narzędziami ze wspomaganiem strumieniami wody Narzędzia wiertnicze (raczki, koronki) pracują w ekstremalnie trudnych warunkach ściernych i termicznych. Z tego powodu bardzo często stosuje się wodne przepłukiwanie (niskociśnieniowe) otworów wiertnicznych. Wobec tego, że wiertarki, szczególnie ciężkie, dysponują dużymi mocami rzędu dziesiątek kw, obciążenie narzędzi limituje prędkość i efektywność wiercenia. Poprzez strumienie wysokociśnieniowe wprowadzić można do dna otworu niemal nieograniczoną moc bez obciążenia siłowego, czy termicznego samego narzędzia. Przeciwnie warunki termiczne zostaną w znacznym stopniu poprawione. Wywiercić otwór można w skale za pomocą wyłącznie strumieni wodnych, bez konieczności urabiania mechanicznego. Łącząc tę technikę oraz wiercenia mechanicznego można uzyskać większy postęp technologiczny w zakresie wiercenia, szczególnie w skałach bardzo trudno zwiercalnych. Aby strumień wspomagający wyprzedzał krawędź skrawającą koronki, powinien (szczególnie w skałach bardzo zwięzłych) posiadać odpowiednią moc skoncentrowaną na małej powierzchni. Można to uzyskać poprzez podwyższenie ciśnienia, nawet kosztem zmniejszenia średnic dysz. W tym kierunku rozwijano wysokociśnieniowe wspomaganie koronek wiertniczych. Zalety i wady Zalety: - Podstawowa zaleta polega na tym, że wysokociśnieniowa struga cieczy, jako narzędzie urabiające, nie ulega stępieniu. - W metodzie urabiania hydrodynamicznego (hydraulicznego) problem zwalczania zapylenia prze dodatkowe zraszanie nie istnieje. - Nie prowadzi do wzrostu temperatury ziaren minerałów skały, który mógłby spowodować powstanie gorących iskier stwarzających zagrożenie wybuchowe. - Urabianie hydrauliczne zmniejsza zapylenie wyrobiska (praktycznie do zera), poprawia sortyment uzyskiwanego urobku (ilość miału w granicach 5-10%) - Możliwość wykorzystania technologii strumienia wodnego i strumienia wodno-ściernego, np. w ratownictwie górniczym, wszędzie tam gdzie ze względu na występujące zagrożenia nie można stosować palników - Znacznie poprawiają się warunki termiczne Wady:

6 Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego rud miedzi i surowców towarzyszących w Polsce Strona 6 - Uzyskuje się bardzo nie równe ścianki otworu - Zagrożenie powstaniem aerozoli - Zagrożenie hałasem - Zagrożenie kontaktem skóry z wodą i ewentualnymi dodatkami - Zagrożenie urazami spowodowanymi strumieniem wysokociśnieniowym