Физическая сущность и термодинамические модели процессов

Термодинамическую модель процессов разрушения скальных пород можно представить как полупространство со свойст­вами горной породы, на поверхность которого действует высокотем­пературный газовый теплоноситель.

При поверхностном нагреве скальной породы в ней возникают термические напряжения, обусловленные градиентом температур в направлении перпендикулярном поверхности нагрева (макроскопи­ческие напряжения), а также структурные термические напряже­ния, которые возникают благодаря наличию в породе разных мине­ральных зерен и обусловлены различием их тепловых и упругих свойств.

Механизм термического разрушения заключается в том, что по мере движения в глубь породы, будет заглубляться фронт структурных растягивающих напряжений, обеспечивающих трещи­ны, ориентированные длинной осью вдоль нагреваемой поверхности. Слой породы толщиной в момент потери устойчивости представля­ют собой пластину, покоящуюся на упругом основании и нагружен­ную по контуру сжимающими напряжениями. В какой-то момент времени произойдет потеря устойчивости пластины. Так как реальные скаль­ные породы представляют собой смесь различных минералов, разли­чающихся как по свойствам, так и по размерам, содержащих огром­ное количество микро- и макродефектов, то отделение частиц при термическом разрушении будет происходить не сразу по всей нагреваемой поверхности, а мозаично.

Схе­матически взаимодействие теплоносителя с породой при данных про­цессах показано на рис.

Рис. Схемы взаимодействия высокотемпературной газовой струи реактивной горелки с разрушаемой поверхностью породы при бурении скважин го­релками с центральнорасположенным (а) и косым (б) соплами; при расширении скважин горелками с центральнорасположенным (в) и ко­сым (г) соплами; при резании (д) и обработке поверхности (е) блочного камня; стрелками показано направление поступательного и вращатель­ного движений горелки при соответствующих процессах; 1 — горелка: 2 — прямая струя горелки; 3 — пристеночная струя горелки