ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Физический принцип и схемы технологической реализации способа из "Электроимпульсная дезинтеграция материалов " Разрушающее действие разрядов атмосферного электричества известно давно. В литературе описаны многочисленные случаи наблюдавшегося в природе разрушения естественных объектов и сооружений (деревья, скалы, башни, железобетонные опоры и т.п.) при ударе в них молнии. Электрический пробой твердой изоляции в электрических аппаратах и в системах передачи импульсного высокого напряжения тоже, как правило, сопровождается ее механическим разрушением. Это явление обращает на себя особое внимание в исследованиях электрической прочности твердых диэлектриков, когда зримо проявляются определенные закономерности характера разрушения материалов. Поэтому вполне естественно, что появилась идея полезного использования наблюдавшегося эффекта. Согласно предложению А.А.Воробьева /1/, способ разрушения горных пород и руд за счет их электрического пробоя с использованием импульсного высокого напряжения от емкостного накопителя энергии реализуется следующим образом. На кусок породы, породный массив устанавливают электроды (металлические контакты) и подают на них импульс высокого напряжения с уровнем напряжения, достаточным для электрического пробоя. Энергия, выделяющаяся в канале разряда, действует на материал подобно взрывчатому веществу и приводит к его разрушению. При достаточном количестве энергии в разряде способ позволяет разрушать отдельные куски породы, отделять порции материала с поверхности массива. [c.9] Технической особенностью реализации данного варианта способа является обеспечение особых условий пробоя. Эти условия относятся к выбору среды, в которой реализуется процесс, и соотношения расстояний между электродами по поверхности массива Id и на сквозной пробой Обычно электрическая прочность твердых материалов выше прочности жидкостей и газов и соотношение U.U должно быть существенно больше 1.0 для того, чтобы имел место электрический пробой в толще твердого материала, а не перекрытие его по поверхности. Чем выше электрическая прочность среды, окружающей твердый материал, тем проще добиться пробоя в толще твердого материала. Именно так поступают в исследованиях электрической прочности твердых диэлектриков, помещая подвергаемые электрическому пробою образцы в электрически прочную жидкую среду (например, трансформаторное масло), а сами образцы вьшолняют в форме пластин с отношением ширины к толщине образца не менее 5-10. [c.9] Создать технологию с непрерывным процессом разрушения массива затруднительно, поэтому дальнейшие исследования были направлены на то, чтобы снять указанные выше ограничения в условиях осуществления электрического пробоя. Требовалось создать условия, при которых пробой породы мог бы быть осуществим даже при наложении электродов только с одной свободной поверхности. В исследованиях электрической прочности жидких и твердых диэлектриков на косоугольной волне импульсного напряжения было установлено, что их вольт-временные зависимости пробоя (далее вольт-секундные характеристики - в.с.х.) характеризуются различным коэффициентом импульса ki. Данный коэффициент определяет степень роста напряжения пробоя на импульсном напряжении по отношению к напряжению пробоя на статическом напряжении (напряжении постоянного тока, тока промышленной частоты). С уменьшением времени экспозиции импульсного напряжения прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем для твердых диэлектриков, что приводит к инверсии соотношения электрических прочностей сред /2/. На статическом напряжении электрическая прочность твердых диэлектриков, как правило, превышает прочность жидких диэлектриков в одинаковых разрядных промежутках. Однако на импульсном напряжении при экспозиции напряжения менее 10- с электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды возрастает настолько, что становится выше прочности твердых диэлектриков и горных пород. [c.10] На рисунке 1.1 схематично дано сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя в одинаковом разрядном промежутке твердого тела (горной породы) и жидкой среды. Точка пересечения вольт-секундных характеристик Ak соответствует равенству прочностей и вероятности электрического пробоя фавниваемых сред, и при экспозиции импульсного напряжения менее 10- с горная порода становится электрически слабее такого жидкого диэлектрика, как трансформаторное масло, а при экспозиции менее 2-3-Ю с - слабее технической воды. В области диаграммы левее преобладает электрический пробой твердого тела. В диэлектрических жидкостях условия для реализации процесса более благоприятные, пробой в недиэлектрической жидкости требует импульсов напряжения с длительностью фронта на порядок меньше (10 с) и более высокого уровня напряжения (подробнее см. разд. 1.2). Так как в этом случае система электродов представляет для источника импульсов низкоомную нагрузку, то формирование на породоразрушающем инструменте импульсов напряжения с требуемыми параметрами представляет определенную техническую проблему /11/. [c.10] Изложенный выше принцип работы многоэлектродных конструкций положен в основу разработки устройств (инструментов) различного технологического назначения бурения скважин, дробления и измельчения материалов, проходки в массиве и блоках камня щелей, обработки поверхности массива и блоков, разрушения железобетонных конструкций и других процессов (рис. 1.3). [c.13] Томского и Карагандинского института Механобр , Кольского научного центра РАН. Развернутое изложение физических основ способа дано в /12/. [c.13] К простейшим конструкциям токоподвода относятся системы коаксиального типа а) с совмещенной функцией изолирующей и промывочной жидкости (только при промывке скважины изоляционной жидкостью), б) с подачей промывочной жидкости через полый центральный токопроводник, отделенный от второго токопроводника жидкой или твердой изоляцией (допускает промывку скважины водой). [c.14] Для бурения скважин в условиях подземной выработки, где в целях пожаробезопасности применение горючих жидкостей желательно исключить даже в изоляции, разработан специальный тип буровой штанги на основе комбинированной изоляции из воды и твердого диэлектрика (полиэтилена или стекловолокна). В одном варианте это коаксиальная система с покрытием одного или обоих токопроводников слоем полиэтилена, в другом - параллельные токопроводники с кольцевым расположением в толще трубы из изоляционного материала. [c.14] Как следует из принципа разрушения породы на забое скважины, вращения бурового снаряда не требуется. Комбинированием формы электродов и их расположением забою может быть придана любая форма (круглая, квадратная, прямоугольная и т.д.). Комбинированием числа электродов и величины межэлектродного промежутка площадь забоя скважины может изменяться практически без ограничения (до десятка квадратных метров и выше). Необязательно, чтобы торцы электродов располагались на одной поверхности, в вертикальной плоскости сечение забоя может быть цилиндрическим, коническим, сферическим, ступенчатым и т.д. Когда электроды размещаются не по всей площади забоя, а только по периметру, получается буровой снаряд для проходки геологических скважин с отбором керна, при этом образуется хорошо ориентированный керн любого сечения. [c.15] Вместе с тем в отличие от бурения механическими способами промывка скважин при ЭИ-бурении, кроме удаления шлама с забоя, имеет дополнительную функцию - обеспечить присутствие и сплошность жидкости в приэлектродном пространстве. Электрический разряд в промежутке, даже если имеет место внедрение разряда в твердое тело, сопровождается образованием газовых микровключений за счет испарения и разложения жидкости, контактирующей с каналом разряда. Если за время между разрядами газовые включения не успевают удаляться из межэлектродного промежутка, то резко увеличивается вероятность пробоя в жидкости по газовым включениям с прекращением процесса разрушения материала. Практика показывает, что процесс электроимпульсного разрушения идет нормально, пока интенсивность промывки обеспечивает своевременное удаление шлама и газовых включений. По техническим и экономическим соображениям при электронмпульсном бурении скважин частота следования разрядов 15-25 в секунду является оптимальной (меньшие значения соответствуют бурению скважин большого диаметра). [c.16] Испытания показали возможность эффективного применения ЭИ для бурения скважин широкого спектра назначения. В подземных условиях на Кировском руднике ОАО Апатит и руднике Ена ГОКа Ковдорслюда показана (КНЦ РАН) осуществимость электро-импульсного способа бурения кругового веера взрывных скважин в вертикальной плоскости в крепких горных породах с технологической глубиной до 50 м. [c.18] При бурении взрывных скважин в карьере (НИИВН) наибольшая техническая скорость бурения достигла 12 м/ч с проходкой в непрерывном режиме 30 м. В производственных испытаниях бурения геологоразведочных скважин достигнута глубина 233 м. При бурении скважин метрового диаметра достигнута глубина 25 м и максимальная скорость бурения 2.0 м/ч. Показатели работы отдельных установок, разработанных в КНЦ РАН и НИИВН, приведены в табл. 1.1. [c.18] Опытными работами доказана возможность достижения более высокой скорости бурения, чем на традиционно используемых установках. Скорости бурения скважин большого диаметра в крепких горных породах, которые получены в испытаниях, соответствуют лучшим мировым показателям проходки. Для взрывных скважин это становится возможным при частоте следования импульсов не менее 15-20 в секунду. Пропорциональная зависимость скорости бурения от частоты следования импульсов прослежена в интервале до 25 импульсов в секунду (естественно, при сохранении оптимальных условий промывки). [c.18] На базе результатов исследований бурения скважин и стендовых испытаний техники выполнено эскизное проектирование ряда установок для горных работ и горного строительства, в том числе длл проходки шахтных колодцев и шахтных стволов, опережающих скважин для создания врубовой полости при сооружении выработок большого сечения и других применений, отмеченных в табл.1 испытаний установок. [c.20] При опытном резании в технической воде с удельным сопротивлением 60-90 0м м устройством стержневого типа с 13 электродами длина щели достигала 0.35 м. Удельные энергозатраты ЭИ-резания составили 4-6 кВт-ч/м по песчанику и 3.5-4.5 кВт-ч/м по известняку. Потенциальная скорость резания (при частоте следования импульсов 20-25 в секунду) оценивается 2-2.5 м /ч. [c.21] Вернуться к основной статье