Шпуровое разрушение горных пород и бетона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Иванов Никита Александрович, Пивоваров Максим Игоревич, Войтенко Никита Валерьевич, Юдин Артём Сергеевич

Исследованы процессы шпурового разрушения горных пород и бетона с использованием электровзрывного полиэтиленового картриджа . Приведены результаты лабораторных измерений тока, напряжения; произведен расчет сопротивления канала разряда и динамики энерговыделения в нем при инициировании разряда взрывающимся проводником как в воде, так и в полиэтиленовом капилляре. Установлено, что в канале капиллярного разряда выделение энергии в первый полупериод колебаний тока на

15 % выше, чем в канале разряда в воде. Показано, что при запасенной энергии в емкостном накопителе

30 кДж происходит электроразрядное разрушение образцов размером до 100×60×60 см.

Текст научной работы на тему «Шпуровое разрушение горных пород и бетона»

1. ГОСТ 4568-95. Калий хлористый. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 16 с.

2. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. - М.: Химия, 1963. - 304 с.

3. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности.

- М.: Химия, 1977. - 368 с.

4. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. - М.: Недра, 1985. - 285 с.

5. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хавский Н.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987,

6. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний вхими-ко-технологических процессах (процессы и аппараты химиче-

ской и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1983. -192 с.

7. Хмелев В.Н, Леонов ГВ., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.

8. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под ред. И.П. Голями-на. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

9. Ультразвуковая технология / под ред. Б.А. Аграната. - М.: Металлургия, 1974. - 503 с.

Поступила 01.02.2012 г.

ШПУРОВОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И БЕТОНА

Н.А. Иванов, М.И. Пивоваров, Н.В. Войтенко, А.С. Юдин

Томский политехнический университет E-mail: nikina11@sibmail.com

Исследованы процессы шпурового разрушения горных пород и бетона с использованием электровзрывного полиэтиленового картриджа. Приведены результаты лабораторных измерений тока, напряжения; произведен расчет сопротивления канала разряда идинамики энерговыделения в нем при инициировании разряда взрывающимся проводником как в воде, так и в полиэтиленовом капилляре. Установлено, что в канале капиллярного разряда выделение энергии в первый полупериод колебаний тока на-15 % выше, чем в канале разряда в воде. Показано, что при запасенной энергии в емкостном накопителе -30 кДж происходит электроразрядное разрушение образцов размером до 100x60x60 см.

Электровзрыв, электроразрядное разрушение, капиллярный разряд, негабарит, передающая среда, электровзрывной полиэтиленовый картридж.

Elecrtoburst, plasma blast technology, capillary discharge, oversize, transfer media, polyethylene elecrtoexplosive cartridge.

В горнодобывающей промышленности и строительстве существует проблема, связанная с ограничением использования взрывчатых веществ для разрушения твердотельных крупногабаритных блоков естественного и искусственного происхождения (глыб горных пород, бетонных блоков и изделий) - «негабаритов». Взрывчатые вещества экологически небезопасны, требуют эвакуации персонала из места проведения взрывных работ, осколки при взрывах могут повреждать коммуникации и строения. При разрушении прочных горных пород (гранит, известняк) механические способы малоэффективны и дорогостоящи. Возможным решением проблемы является применение электрораз-рядного разрушения горных пород. Широкое распространение получил элекроразрядный способ с применением ёмкостного генератора импульсных токов [1-3], где в качестве среды, передающей ударную волну, используется вода. С одной стороны, её недостаток - низкая по сравнению с разрушаемым материалом акустическая жёсткость, что уменьшает коэффициент передачи волны давления

от канала разряда в разрушаемый материал, а также проблема её удержания в горизонтальных шпурах. С другой стороны, вода пластична, поэтому нет потерь энергии на измельчении в приканальной области. Другим фактором, определяющим эффективность разрушения, является скорость ввода энергии от накопителя в канал разряда, которая косвенно зависит от материала, находящегося с разрядным каналом в непосредственном контакте.

Таким образом, поиск доступного материала, позволяющего более эффективно доставлять энергию накопителя в разрушаемый материал, является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является исследование электровзрывного разрушения «негабаритов» с использованием в качестве передающей среды пластичного, не измельчаемого вблизи разрядного канала материала - полиэтилена с более высокой по сравнению с водой акустической жесткостью.

Механизм разрушения электровзрывом

Прочность горных пород и бетона, как и всех других хрупких материалов, на растяжение значи-

тельно ниже, чем на сжатие. Наиболее энергетически выгодным способом является разрушение за счет растягивающих напряжений, возникающих при отражении упругой волны от свободной поверхности [4].

Электровзрыв - это комплекс взаимозависимых процессов: инициирование и развитие разряда, нагрев и расширение плазмы канала за счет её резистивного нагрева, сопровождающийся генерацией ударных и в последствии акустических волн, которые создают разрушающие деформации в материале. Скорость ввода энергии в канал разряда максимальна в случае равенства активного сопротивления разрядного контура его волновому сопротивлению:

где гех=г+гск - полное активное сопротивление контура (г,, гск - активное сопротивление контура и разрядного канала); Ь - индуктивность контура; С - ёмкость. В реальных условиях для увеличения радиуса действия установки необходимы длинные подводящие шины, что повышает индуктивность контура. Оценки показывают, что для выполнения условия (*) длина канала разряда должна быть десятки см. Инициирование канала разряда при таких межэлектродных расстояниях требует высокого (0,2. 0,7 МВ) напряжения. Это усложняет конструкцию и ограничивает область применения технологии. Снизить напряжение пробоя до 10.20 кВ возможно при инициировании канала разряда взрывающимся проводником.

Схема электроразрядного разрушения твердых материалов представлена на рис. 1. Сопротивление г г и индуктивность Ь складываются, соответственно, из сопротивления и индуктивности конденсаторной батареи С, искрового промежутка в газоразрядном коммутаторе 3, ошиновки и подводящего кабеля - 1. Картридж - 2, используемый в качестве передающей среды, представляет собой сплошной цилиндр из пластичного материала (или вещества) с высокой акустической жёсткостью, например, полиэтилена, парафина и т. п., в центральной оси которого помещен взрываемый медный проводник.

Рис. 1. Схема электроразрядного разрушения твердых материалов: 1) коаксиальный подводящий кабель; 2) картридж (медный проводник в полиэтелене); 3) ударно-волновые возмущения в материале, генерируемые расширением канала; 4) разрушаемый материал

В момент срабатывания коммутатора 3, батарея С начинает разряжаться через проводник, что приводит к его взрыву и образованию металлической низкотемпературной плазмы с концентрацией частиц 1019. 1021 см-3 и температурой 103. 104К [3]. После формирования канала разряда, накопленная в батарее конденсаторов энергия выделяется в плазму. Мощность при разряде может достигать сотен МВт [4]. Быстрое выделение энергии в малом объёме приводит к повышению давления в канале до нескольких ГПа. В результате происходит расширение плазменного канала разряда с образованием ударной волны, которая формирует упругую и пластическую волны - 3, распространяющиеся в материал - 4, через передающую среду. Под воздействием упругой волны в материале формируются напряженно-деформированные состояния, изменяющиеся в диапазоне от десятков до сотен МПа, вызывающие образование, рост трещин и, в конечном итоге, разрушение материала.

в разрядном канале в капилляре и воде

Исследование энерговыделения в канале разряда вводе ив капилляре из полиэтилена проводилось на генераторе с зарядным напряжением 10 кВ, ёмкостью 12мкФ, индуктивностью 1,067 мкГн, активным сопротивлением г-=0,0197 Ом. Выбор полиэтилена в качестве стенки капилляра и материала, передающего ударную волну, обусловлен высокой акустической жёсткостью и пластичностью, что позволяет избежать значительных потерь энергии на измельчение, образование трещин в приканальной области и увеличить энергию волны, передаваемую от канала разряда в разрушаемый материал на

20. 25 % [4, 5]. Из литературных данных [6] известно, что при капиллярном разряде в воздухе амплитуда давления выше, чем в разряде, не ограниченном стенкой. Предполагается наличие подобного эффекта и в конденсированных средах. Для подтверждения этого предположения были проведены эксперименты по определению скорости энерговыделения в канале разряда в капилляре и в воде. Капилляр выполнялся в сплошном полиэтиленовом цилиндре диаметром 24 мм. Размер капилляра: длина 50 мм, диаметр 0,37 мм, разряд инициировался взрывающимся медным проводником диаметром 0,15 мм. Эксперименты проводились в цилиндрической емкости диаметром 40 см, заполненной водой. Для повышения статистической достоверности измерений взрыв проводника проводился не менее трех раз. Регистрировались осциллограммы тока и напряжения, усреднённые данные которых представленные на рис. 2 и 3.

Пик перенапряжения 3 (рис. 3), обусловленный взрывом проводника, соответствует моменту спада

тока 3 (рис. 2) и пропорционален .

Энергия, вводимая в канал разряда, рассчитывалась по осциллограммам тока и напряжения путём интегрирования мгновенной мощности:

где и - напряжение; / - ток; Ж- выделяемая энергия; Т0 - время выделения энергии. Динамика выделения энергии в канале капиллярного разряда и воде представлена на рис. 4.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎