Разрушение горных пород в стоячей электромагнитной волне

Электромагнитную волну вводят в кусок породы, а с противополож­ной стороны куска размещают экран так, чтобы вектор напряженности электрического поля был направлен перпендикулярно к его поверхнос­ти. В этом случае от экрана отражается падающая на него волна, которая, складываясь с прямой, создает в куске породы стоячую волну. Стоя­чая волна образуется в породах, у которых tgδ находится в пределах 0,3 > tgδ > 0 [25]. В породах с tgδ > 0,3 стоячая волна не образуется, так как прямая волна затухает в куске породы не доходя до экрана.

В породах с заметным поглощением электромагнитной энергии, т.е. с tgδ = 10^-2, стоячая волна характерна тем, что амплитуда пучностей убы­вает от входа прямой волны в глубь породы [25]. Для устранения по­терь энергии необходимо, чтобы поверхность породы не нагревалась, не изменялась электропроводность и соответственно поглощающая спо­собность породы на поверхности. Для выполнения этого условия стоя­чую волну устанавливают так, чтобы на поверхность куска породы при­ходился узел стоячей волны. Для прохождения падающей волны без значительных потерь следует применять частоты, обеспечивающие ус­ловие:

х=пD, (2.74)

где п > 1 — определяет прохождение электромагнитной волны через кусок породы размером Б.

Подставив в формулу (2.74) значение х из выражения (2.22), получим

. (2.75)

Воспользуемся разложением Тейлора и ограничимся первым членом разложения: ln B (B-1)/B. При этом получим

. (2.76)

Используя значение а из выражения (2.14), определим требуемую час­тоту электромагнитной волны

В пучностях стоячей волны образуются рабочие тела, размеры которых 50

составляют около 1/8 длины волны. Они располагаются на расстоянии 1/2 длины волны в данной породе. Отметим, что если куски породы имеют неправильную форму, то стоячая волна в строгом физическом понимании не устанавливается из-за отражения падающей волны от поверхности куска породы в различных направлениях.

В таких условиях может образоваться искаженная, несимметричная стоячая волна, с не­регулярным расположением пучностей и соответственно — рабочих тел [25]. В связи с этим, при выборе направления ввода прямой волны в породу учитывают расположение противоположных поверхностей кус­ка породы. В оптимальном случае в куске породы, размером D образу­ется число рабочих тел ^— длина волны в по­роде; — скорость электромагнитной волны в воздухе; е и μ— отно­сительные значения соответственно диэлектрической и магнитной прони­цаемости породы. Рабочие тела при расширении разрушают кусок поро­ды. Поскольку в куске породы расположено несколько рабочих тел, то он дробится на много мелких частей. Для расчета дробления кус­ка породы можно воспользоваться методом, рассмотренным в разд. 2.2, полагая, что каждое рабочее тело разрушает часть объема первоначаль­ного куска породы D, при этом объем каждой части равен:

. (2.78)

Объем одного рабочего тела можно оценить как

. (2.79)

Средняя температура одного рабочего тела

, (2.80)

где п — число рабочих тел в куске породы. После преобразований получим:

(2.81)

Подстановка выражений (2.79) и (2.81) в уравнение (2.33), где в правой части должно стоять выражение , позволяет полу­чить вновь образованную поверхность С. Используя выражение (2.65), можно определить величину среднего куска д. после дробления и вре­мя разрушения исходного куска D до требуемого, размером d, после чего вычисляют производительность дробления и энергоемкость. Рас­смотренный расчет разрушения породы в стоячей волне будет весьма приближенным, поскольку при нагревании рабочего тела происходит изменение свойств и поглощающей способности породы, что затруд­няет определение аналитическим способом точные значения производи­тельности и энергоемкости. Более точное определение можно выполнить с применением ЭВМ. Приближенное аналитическое решение имеет то пре­имущество, что показывает влияние на процесс разрушения свойств по­роды и параметров излучения.

Наиболее приемлемыми генераторами для разрушения горных пород являются магнетроны, излучающие электромагнитную волну длиной около 1 м в воздухе. Магнетроны характеризуются высоким к.п.д. (до 85 %) преобразования энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных волн.

Принцип работы магнетрона основан на разгоне и торможении электронов в постоянном электричес­ком поле, причем для управления движением электронов применяется постоянное магнитное поле, направление которого перпендикулярно к вектору электрического поля.

Для разрушения кусков породы в стоя­чей волне мощность генератора должны быть порядка 50 кВт, при этом энергоемкость разрушения равна 3—7 МДж/м³, а производительность установки — до 30 м³/ч. Для устранения утечек электромагнитного излучения в окружающее пространство разрушаемый кусок породы пол­ностью экранируют на время его разрушения СВЧ излучением, например металлической сеткой.

Для регулирования фракции кусков после каж­дого акта дробления стоячую волну в куске породы смещают, что поз­воляет смещать рабочие тела и получать более мелкое дробление. Сме­щение стоячей волны производят посредством

перемещения генерато­ра с излучателем или экранов относительно куска породы.

Этот способ целесообразно применять для диэлектрических пород, типа гранита, известняка и т.п., поскольку в таких породах устанавливается симмет­ричная стоячая волна и при нагревании таких пород в пучности стоячей волны увеличивается поглощение электромагнитной энергии, образу­ются рабочие тела с высокой концентрацией энергии, позволяющие полу­чить высокую производительность и низкую энергоемкость разрушения породы.