МЕХАНИЗМ РАЗРЯДНО-ИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРЯДНО-ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Механизм розрядно-импульсного разрушения минеральных сред во многом определяется особенностями дей­ствия разрядно-импульсных (РИ) источников. В ряде процессов по раз­рушению минеральных сред предусмотрен переход на разрядно-импуль-сную технологию (РИТ) взамен технологий, основанных на примене­нии энергии ВВ. Исследованиями В.В. Шамко, И.Л. Зельманова, В.В. Ар­сентьева, В.С. Комелькова и других показано, что электрический разряд в жидкости, как и взрыв зарядов химических ВВ, является мощным

источником импульсных нагружений. Гидродинамическое подобие элек­трического разряда в жидкости и взрыва ВВ более ярко проявляется при взрывании в жидкой среде, что подтверждают данные табл. 13.

Из табл. 13 видно, что основным фактором в энергетическом балан­се являются ударные волны. Сопоставление электрического разряда в жидкости и взрыва ВВ производят по энергетическому критерию — тротиловому эквиваленту, что определяет правомерность записи

(4.1)

где Е_э, — величина энергии соответственно при электрическом

разряде в жидкости и взрыве ВВ; ή_т — тротиловый эквивалент (при взрывах на выброс ή_т =0,18; при дроблении породы ή_т =0,3). При эк­вивалентности величин энергий накопленной в батарее конденсаторов (Е_н) и заряда тротила правомерно равенство - энергия заряда тротила; q — удельная энергия заряда ВВ; — энергетический эквивалент, учитывающий параметры разрядного кон­тура.

По В.В. Шамко имеем

(4.2)

Тогда «

(4.3)

Исследования показали, что 1 г тротила эквивалентен по своей энергии 4—5,5 кДж накопленной электрической энергии [19]. При взрыве заря­да ВВ образуется большое количество газообразных продуктов, объем которых в' (2—4) 10³ раза превышает первоначальный объем заряда ВВ. Давление газообразных продуктов взрыва во взрывной камере дости­гает 500МПа. т.е. газы являются источником дополнительных форм ме­ханической работы по разрушению горных пород, оказывая на них ста­тическое поршневое давление.

При электрическом разряде в жидкос­ти газообразование незначительное, поэтому минеральная среда испы­тывает преимущественное волновое воздействие (первичной ударной волны и вторичных волн сжатия). Отсюда следует, что если при взры­ве ВВ бризантная форма является лишь частью общей работы, то при

электрическом разряде в жидкости минеральная среда испытывает в основном бризантное воздействие.

При электрическом разряде в жидкости, в отличие от взрыва ВВ, спектр частот импульса представлен высокочастотными колебаниями (преобладают 2—10 кГц); при взрыве заряда ВВ спектр включает низ­кочастотные колебания (от 200 до 5 кГц). Известно, что с увеличением частоты импульса поглощающая способность горных пород возрастает. Отсюда следует, что при электрическом разряде в жидкости интенсив­ность затухания колебаний выше, а действие разрядно-импульсного (РИ) источника оказывает меньшее объемное разрушение среды, чем заряд ВВ той же энергии.

При электрическом разряде в жидкости, особенно при взрыве проводника, возможна высокая концентрация энергии в заданном направлении, а энергию можно считать рассредоточенной по длине РИ источника, что в сочетании с кратковременностью электрического раз­ряда в жидкости определит воздействие на среду в виде "кинжально­го удара". В подтверждение приведем соотношение между длиной и диаметром d заряда ВВ и РИ источника, для чего учитывается показа­тель ψ = l/d. При мелкошпуровой технологии разрушения пород для электрического разряда в жидкости ψ_э = 60 — 300, а для ВВ ψ_вв = 12-50.

Отмеченные факторы и в первую очередь отсутствие газообразова­ния при разряде в жидкости определяют особенности разрядно-импуль­сного воздействия на минеральную среду:

основное влияние волновых процессов приводит к бризантному ха­рактеру воздействия и практическому отсутствию смещения разру­шенных частей породного массива;

интенсивное поглощение энергии при ее рассредоточенное™ по дли­не источника и образующийся цилиндрический фронт волн обуслов­ливают локализацию воздействия узкой зоной незначительного рас­пространения в глубь породы.

Это определяет избирательность разру­шающего воздействия и возможность сочетания зон разрушения с охра­няемыми зонами.

Теоретически вопрос импульсного, нагружения исследован в ра­ботах Г. Либовица, Р. Томсона, АЛО.- Ишлинского, Н.И. Мячиной, В.М. Финкеля и др. Показано, что при импульсном нагружении из-за больших скоростей деформирования разрушение Имеет хрупкий харак­тер, а влияние микронеоднородностей среды сказывается в меньшей мере, так как развивающаяся трещина имеет большую кинетическую энергию и может перескакивать с одной плоскости спайности на другую.

Трещинообразование, проявляемое в направлении максимальных на­пряжений, произойдет тогда, когда действующее напряжение превысит предел прочности среды на более эффективный вид нагрузки. Зональ­ность трещинообразования при разрядно-импульсном нагружении по­казана на рис. 35. В опережающей зоне концентрации максимальных растягивающих напряжений происходит локальное пластическое течение, что концентрирует напряжения и вызывает зарождение микротрещин.

При электрическом разряде в жидкости эта зона образуется действием ударной волны, поэтому механизм зарождения очага трещин связан с ударной волной. Развитие зародышевых трещин может быть вызва­но проявлением трех следующих факторов — действием вторичной прямой волны при пульсации парогазовой полости, действием отражен­ной первичной волны и гидравлическим давлением рабочей жидкости.

Разрушение от действия прямого фронта ударных волн не может быть существенным, так как минеральные среды, как и все материалы, име­ют весьма высокую прочность на сжатие; для горных пород Поэтому механизм трещинообразования в горных поро­дах должен быть связан с действием фронта отраженных волн, созда­ющих в среде растягивающие напряжения, и с движущимся жидкостным потоком. За счет действия растягивающих нагрузок образующаяся впе­реди трещины зона разгрузки смыкается с трещиной, что и обусловли­вает ее развитие; это увеличивает скорость распространения трещин, которая в типичных горных породах оценивается как = 350 3500 м/с [22, 39]. Действием отраженных волн и жидкостного потока мож­но объяснить ветвление трещин. Из известного в механике положения (В.М. Финкель), что ветвление происходит при < 0,64 следует, что при направленном расколе породы V_тр > 0,64 у_р; условием по­вышенного дробления является < 0,64 υ_р, где υ_р, - скорость продоль­ной волны в разрушаемой минеральной среде.

Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, также участвует в развитии трещины, т.е. и в разрушении породы. Роль ра­бочей жидкости как разрушающего фактора тем существеннее, чем меньше скорость движения жидкостного потока и больше статическое нагружение трещины. Это объясняется тем, что предел прочности ста­тическому нагружению меньше динамического, т.е. статическая нагруз­ка является более эффективным разрушающим фактором. Это же поло­жение относится к жидкостному потоку, который при электрическом разряде в жидкости может как "клин" внедряться в трещину и способ­ствовать ее дальнейшему развитию.

По данным Ю.А. Песляка, длина развивающейся трещины растет с увеличением модуля упругости породы и уменьшением вязкости рабочей жидкости. Расчеты показали, что для разрядных камер шпу­рового типа продолжительность движения жидкости составляет 0,4-4,0 м/с при скорости 50-500м/с.

Условием выполнения рабочей жид­костью активной роли является подбор определенных параметров разрядного контура, обеспечивающих напряжение до 10 кВ и выделе­ние в технологическом узле энергии в расчете на единичную массу жид­кости не менее 40 · 10³ Дж/кг. Этот фактор характеризуется показате­лем удельных затрат энергии

(4.4)

где Е_в — энергия, выделившаяся в технологическом узле; М_ж — мас­са жидкости.

Показатель К_е определяет, наряду с другими факторами, вид раз­рушения среды при электрическом разряде в жидкости. Так, по дан­ным лабораторных экспериментов, при расколе бетонных моделей К_е = 40 • 10³ Дж/кг; при дроблении этих же моделей показатель должен составлять не менее 90 • 10³ Дж/кг.

На рис. 36 показана диаграмма, характеризующая кинематику тре­щины—изменение ее длины (l_тр) во времени (t_тр). Приведем требуемые пояснения к этой диаграмме введя дополнительные параметры: Δ — пауза между окончанием процесса зарождения трещины и началом ее развития, соответствует временному интервалу в распространении пер­вичной и вторичной волн (или между прямыми и отраженными волнами). Для наших условий:

,где момент времени, соответствующий действию первичной ударной волны; _в — момент начала действия вторичной (или отраженной волны продолжительность действия вторичных нагружений по расширению исходной трещины продолжительность удлине­ния исходной — полная длина.

С учетом вышесказанного выделим следующие основные стадии разрядно-импульсного разрушения горных пород:

создание напряженного состояния в породе. Образование локальных зон пластического течения и зародышевых трещин. Фактор-действие первичных ударных волн.

Развитие трещин, увеличение их ширины и длины. Действующие факторы (последовательно) — отраженная первичная волна, вторичная прямая волна, образующаяся при пульсации парогазовой полости; поток

Таблица 14. Группировка минеральных сред по разрушаемое при разрядно-импульсном воздействии

Груп-	Показатель А*в,	Порода	Основной фактор
па	кг2/ (м^ • с)
	<70• 106	Грунт, глина, суглинок	Поршневое действие га-
	(70-250) 106		зообразных продуктов.
	Мел, уголь, серпентинит, пес­чаник, известняк, сланец, квар-	Волновое воздействие и действие газообразных
	(250-400) 106	цит, гранит, доломит	Продуктов.
	Кварцит, доломит, яшма, гра­нит, мрамор, габбро, халцедон	Волновое воздействие.
	>400 •	Роговик, скарны, базальт, мра­мор, гранитогнейс	То же

внедряющейся в трещину рабочей жидкости, оказывающей квази­статическое давление;

взаимодействие трещин от групповых РИ источников, слияние и образование магистральных трещин. Факторы те же, что и в предыду­щей стадии;

смещение частей разрушенной породы. Факторы — ударная волна и жидкостной поток.

Группировка минеральных сред по разрушае­мости при разрядно-импульсном воздействии может быть выпол­нена по следующему интегральному показателю [4]

(4.5)

где А — показатель акустической жесткости среды; П_пр — показатель простреливаемости; - масса действующего заряда ВВ; V - объем полости.

Показатель акустической жесткости А = ρС, где ρ — плотность сре­ды; С — скорость звука. По величине показателя простреливаемости выделено три группы пород Этот показатель учитывает деформационные свойства среды, так как характеризует объем полости,

образуемой при взрыве 1 кг ВВ. Таким образом, интегральный показатель разрушаемости характеризует упругие и деформационные свойства минеральных сред, что подтвер­ждает возможность группировки сред на его основе (табл. 14) .

В породах 1-й группы деформации носят неупругий характер, а ос­новным разрушающим фактором является поршневое действие газо­образных продуктов взрыва, поэтому разрядноимпульсное разрушение нерационально.

Напротив, в породах 2-й и 3-й групп основой разрушения является волновое воздействие, что определяет рациональность примененеия разрядно-импульсных методов.

Наиболее эффективно разрядно-импульсное разрушение в монолитных нетрещиноватых породах. В мелкообломочных породах с по­вышенной трещиноватостью (расстояние между трещинами до 0,5 м) применять разрядно-импульсный метод для разрушения неэффективно, так как требуются специальные заполнители, закачка в разрядные ка­меры цементирующих смесей, непрерывная подача в технологический узел рабочей жидкости.

В породах сильнотрещиноватых, и в средне-обломочных (расстояние между трещинами 0,5—1 м) достижение на­правленного раскола затруднено, а размер кусков, образуемых при раз­рядно-импульсном воздействии, определяется естественной блочностью пород. Таким образом, наиболее благоприятные условия для приме­нения разрядно-импульсного разрушения в целях направленного рас­кола имеются в крупнообломочных и монолитных породах, характе­ризующихся интегральным показателем разрушаемости К_в > 250 · 10⁶ кг²/ (м⁵ · с).

Для целей дробления применение разрядно-импульсного метода рационально в породах, характеризующихся показателем К_в = (70 ÷250) 10⁶ кг²/(м⁵ ·с); в этих породах имеющиеся трещины могут быть использованы как дополнительные свободные поверхности, что снизит энергозатраты на процесс разрушения.

Рациональные области пр именения разрядно-импульсных методов разрушения минеральных сред могут быть обоснованы рассмотрением четырех исходных положений: 1) со­ответствие физики электрического разряда в жидкости условию эффек­тивного разрушающего воздействия на среду; 2) соответствие специ­фики разрядно-импульсного воздействия целям и задачам, решаемым в данном технологическом процессе; 3) использование фактора образо­вания цилиндрического фронта волн и высокой концентрации энер­гии; 4) технико-экономические преимущества.

Известно, что чем выше акустическая жесткость среды, тем боль­ше роль волновых процессов в разрушающем воздействии. Это обус­ловливает возможность применения разрядно-импульсных методов разрушения в минеральных средах, характеризующихся показателем

Для обоснования рациональных технологических процессов на основе электрических разрядов в жидкости рассмотрим схемы разряд­но-импульсного воздействия на минеральные среды. На рис. 37, а пока­зана схема, предусматривающая разрушение среды за счет непосред­ственного воздействия РИ источников.

По этой схеме разрядно-импуль­сный источник размещается в самой разрушаемой среде или в рабочей жидкости, в которой размещается объект воздействия. Схема, показан­ная на рис. 37, б₁ основана на разрушении среды за счет сочетания ме­ханических и разрядно-импульсных воздействий.

По этой схеме разрядно-импульсное воздействие на данную зону среды должно опере­жать во времени последующее механическое нагружение; рабочий ор­ган внедряется в предварительно ослабленную зону среды, что снижает общие энергозатраты на разрушение и расширяет область при­менения стандартных механических рабочих органов различных поро-доразрушающих машин и механизмов.

Схема, показанная на рис. 37, в, предусматривает применение электрических разрядов в жидкости как средства привода породоразрушающего рабочего органа. Однако эф­фективность этой схемы для крупномасштабного разрушения (напри­мер, массива пород) недостаточна. Так в работах проф. А.Н. Зеленина, И.А. Недорезова показано, что для уменьшения энергозатрат на разру­шение пород более рационально снижать крепость пород, а не повы­шать мощность привода рабочих органов.

К примеру, увеличение мощ­ности привода ковша экскаватора в 15 раз обеспечивает рост произво­дительности труда лишь на 7 %. Анализ показал, что схема, показанная на рис. 37, в, может быть эффективной в технологических процессах, связанных с разрушением небольших объемов пород — обработкой проб и кристаллов, блоков малых линейных размеров.

Как было показано выше, энергетический эквивалент электричес­кого разряда в жидкости весьма мал, а большая часть энергии разря­да затрачивается на волновые процессы (86—94%). Отсюда следует вывод, что разрядно-импульсное разрушение горных пород рациональ­но, когда есть условия для полного использования энергии волн. Из­вестно, также, что все материалы имеют значительно меньший предел прочности на растягивающие нагрузки, чем на сжатие. Так, по данным В.В. Ржевского и Г.Я. Новика [36], соотношение между разрушающими сжимающими и растягивающими усилиями составляет:

при статическом нагружении и при динамическом

нагружении Следовательно, при статическом и динамическом разрушающих нагружениях растягивающие напряжения являются более эффектив­ными, чем сжимающие. Это обстоятельство должно учитываться в схе­мах, показанных на рис. 37, а и б.

Создание волновых растягивающих нагрузок возможно посредством распространения по разрушаемой сре­де отраженного фронта волн, что связано с отражающей свободной по­верхностью. Поэтому разрядно-импульсное разрушение рационально при размещении разрядно-импульсного источника вблизи свободной поверхности. Это условие можно записать как — радиус действия РИ источника данной энергии; И⁷ — линия наименьшего сопро­тивления (л.н.с).

Одним из технологических преимуществ электрического взрыва проводника является возможность получения цилиндрического или ква­зиплоского фронта ударных волн. Отсюда следует, что разрядно-импульсные методы на основе электрического взрыва проводника рациональ­ны в тех технологических процессах, в которых разрушение среды дол­жно ограничиваться заданной плоскостью воздействия. Такими процес­сами являются направленный раскол и отбойка, оконтуривание горных тел и выработок, избирательное разрушение.

Вместе с тем разрядно-импульсное воздействие возможно в целях дробления минеральных сред и данного объема пород. При дроблении эффективность разрушения может быть повышена вследствие прину­дительного ветвления трещин при их развитии. Поэтому начальные па­раметры электрических разрядов в жидкости должны обеспечивать в среде зарождение многочисленных трещин и их последующее ветвле­ние.

Для этих целей образование цилиндрического фронта волн нера­ционально; более рационально воздействие на возможно больший объем породы сферического фронта волн, образуемых точечным РИ источ­ником. Рабочее напряжение разрядного контура должно быть менее 10 к В, что обеспечит суммарное воздействие на породу динамического волнового фронта и жидкостного потока, оказывающего квазистати­ческое воздействие.

Экологические преимущества разрядно-импульсной технологии — отсутствие пыле- и газообразования, отсутствие разлета кусков разру­шенной породы, возможность разрушения пород в заданной плоскости, что уменьшает потери сырья при обработке.

Социальные преимущества этой технологии заключаются в возможном повышении производитель­ности труда при требуемой большей квалификации персонала, а также в снижении уровня потенциальной опасности (в сравнении с ВВ). Вмес­те с тем, переход на разрядно-импульсную технологию повышает в срав­нении с БВР стоимость применяемого оборудования и увеличивает до­лю амортизационных отчислений в себестоимости работ. Поэтому при­менение разрядно-импульсной технологии целесообразно в тех произ­водственных процессах, в которых существующие технологии харак-80

теризуются низким уровнем механизации и производительности труда или низким качеством работ.