Способ электрогидравлического разрушения твердых тел

 

Изобретение относится к разработке горных пород с использованием электроимпульсной технологии и может применяться для разрушения горных пород, в производстве строительных материалов. Способ электрогидравлического разрушения твердых тел включает бурение в разрушаемом твердом теле нечетного числа шпуров, разнесенных по линии раскола, заполнение их жидкостью и помещение в них электродов для осуществления импульсных электрических разрядов, воздействующих на тело ударными волнами, и гидравлического давления на стенки шпуров. При этом воздействие на тело осуществляется двумя разнесенными во времени импульсами, причем второй импульс воздействия на тело генерируют импульсными электрическими разрядами в четных (промежуточных) шпурах с задержкой по времени относительно разрядов в нечетных шпурах, осуществляющих первый импульс воздействия. Создаваемые во втором импульсе ударные волны воздействуют на предварительно напряженные участки тела с уже зародившимися трещинами, резко усиливают их рост и ведут к разрушению тела вдоль заданной линии раскола, вдоль которой пробурены шпуры. Техническим эффектом, достигаемым при осуществлении данного способа, является возможность раскола крупногабаритных, в том числе некристаллических, горных пород по заранее выбранному направлению в течение одного цикла, что повышает эффективность выполнения работ и снижает расход энергии за счет ее более эффективного использования. 2 ил.

Изобретение относится к разработке горных пород с использованием электроимпульсной технологии и может применяться для разрушения горных пород, в производстве строительных материалов.

Электрогидравлический способ разрушения твердых тел основан на том, что в пробуренном в твердом теле шпуре, заполненном жидкостью, в частности водой, в котором размещается электродная система установки, при электрическом разряде выделяется энергия, порождающая волну давления, воздействующего на заполняющую шпур жидкость и на твердое тело. В результате воздействия происходит нарушение целостности твердого тела в виде появления системы трещин и отколов.

Известен способ электрогидравлического разрушения твердых тел, в котором в пробуренном в твердом теле шпуре размещают электродную систему, в частности, со взрывающимися проволочками, генерирующими при электроразряде цилиндрические ударные волны (Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л., Машиностроение, 1986, с. 253).

Недостатками известного способа является его невысокая эффективность из-за быстрого угасания ударных волн, низкий коэффициент целевого расходования приложенной энергии.

Известен способ электрогидравлического разрушения твердых тел, который включает бурение в твердом теле нескольких шпуров вблизи вершин квадратной ячейки или в углах квадратной сетки, в которых создают импульсный высоковольтный разряд в жидкости, воздействующий на твердое тело ударными волнами (Пат. РФ 2038150, B 02 C 19/18 1992 г.). При этом воздействие на тело осуществляется одновременно по крайней мере четырьмя симметричными цилиндрическими ударными волнами, интерференция которых приводит к локальной концентрации механической энергии.

Недостатком известного способа являются невозможность выполнения направленных отколов, невозможность его реализации при разрушении блоков неправильной формы, на которых невозможно сохранить структуру квадратной сетки.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ электрогидравлического разрушения твердых тел, который включает бурение в разрушаемом твердом теле разнесенных по линии раскола трех шпуров, заполнение их жидкостью и помещение электродов в первый и третий шпуры, осуществление одновременного импульсного электрического разряда, воздействующего на тело ударными волнами ("Новые физические методы разрушения минеральных сред". Труды Всесоюзной конференции в Алма-Ате, 10-14 октября 1966 г. Л., Недра, 1970, с. 343). При этом разряды проводят в крайних (первом и третьем) шпурах, второй шпур свободен.

Недостатком известного способа является невозможность его использования в горном деле при разрушении крупных блоков породы, пород с аморфной, вязкой структурой, для которых трудно получить раскол по требуемому направлению в одном импульсе.

Техническим эффектом, достигаемым при осуществлении данного способа, является возможность раскола крупногабаритных, в том числе некристаллических горных пород по заранее выбранному направлению в течение одного цикла, что повышает эффективность выполнения работ и снижает расход энергии за счет ее более эффективного использования.

Для этого в способе электрогидравлического разрушения твердых тел, включающем бурение в разрушаемом твердом теле нечетного числа шпуров, разнесенных по линии раскола, заполнение их жидкостью и помещение электродов в нечетные шпуры, осуществление в них одновременного импульсного электрического разряда, воздействующего на тело ударными волнами, согласно изобретению, дополнительно помещают электроды в четные шпуры, а воздействие на тело осуществляют двумя разнесенными во времени импульсами, причем второй импульс воздействия на твердое тело генерируют в четных шпурах в момент времени, удовлетворяющий соотношению T_и > t > L/v₁, где T_и - длительность импульса тока разряда в шпуре, с; t - время начала тока в четных шпурах, с; L - расстояние между шпурами, м; v₁ - скорость распространения ударной волны в твердом теле, м/с, при этом расстояние между шпурами L выбирается из условия L < h · (v₁/v₂), где h - глубина шпура, м, v₂ - скорость звука в заполняющей шпур жидкости, м/с, при котором время двойного пробега ударной волны между шпурами не превышает времени разгрузки шпура через его открытый торец.

Сущность способа заключается в следующем.

Для разрушения твердого тела по линии раскола большой длины, при которой время распространения ударной волны вдоль линии раскола превышает длительность эффективного вложения энергии в разряд и ее преобразования в механическую энергию, воздействие на тело осуществляется в нескольких местах по линии раскола путем бурения такого числа шпуров, при котором выполняется приведенное соотношение. При этом электрические разряды в промежуточных шпурах осуществляются с задержкой во времени в соответствии с указанным соотношением относительно разрядов, осуществляющих первый импульс воздействия на тело. При этом учитывается, что наряду с ударными волнами на стенки шпуров действует расклинивающее гидравлическое давление, возникающее в результате многократного частичного отражения ударных волн в шпуре и продолжающегося в течение импульса тока разряда выделения энергии.

Благодаря неодновременному воздействию на тело ударными волнами и гидравлического давления, создаваемыми импульсными электрическими разрядами в заполненных жидкостью шпурах, разнесенных по заданной линии раскола тела, эффекты разрушения тела в результате зарождения трещин в ближней зоне на фронте ударной волны и появления их в результате растягивающих напряжений (волн разгрузки) при отражении ударной волны от поверхности канала соседнего шпура резко усиливаются генерируемым в нем вторым импульсом воздействия. Вторая ударная волна, воздействуя на предварительно напряженные участки тела с уже зародившимися трещинами, резко усиливает их рост и ведет к разрушению тела вдоль линии суммарного действия ударных волн, т.е. вдоль заданной линии откола, на которой пробурены шпуры.

Схемы расположения шпуров для разрушения твердого тела вдоль короткой и длинной линий раскола приведены на фиг. 1 и 2. Позициями 1, 3, 5 на фиг. 1 и 2 обозначены нечетные шпуры, а 2 и 4 - четные шпуры, пробуренные в разрушаемом твердом теле 6, в которых размещаются электроды для осуществления импульсного электрического разряда, соединенные высоковольтными кабелями 7 с генератором импульсных токов 8 с регулируемой задержкой включения тока разряда в четных шпурах.

Способ осуществляют следующим образом.

В разрушаемом твердом теле 6, например блоке горной породы, бурят шпуры 1-5 глубиной h, размещая их по линии откола на расстояниях L друг от друга и от края блока. Затем в шпурах устанавливают электроды для осуществления электрического разряда и генерации ударных волн и подключают их к соответствующим выходам генератора импульсных токов. Электроды могут иметь коаксиальную конструкцию в виде двух соосно расположенных и изолированных между собой цилиндрических электродов с открытой (без изоляции) торцевой частью для осуществления разряда или снабжены приспособлением для установки взрывающейся проволочки для инициирования протяженного канала разряда с целью лучшего согласования сопротивления канала разряда с генератором импульсных токов и генерации цилиндрических ударных волн. Шпуры с установленными электродами заполняются водой или другой диэлектрической жидкостью.

Например, при разрушении блока из гранита (v₁ ≈ 5000 м/с) по линии раскола длиной 1,5 м с использованием генератора импульсных токов на основе емкостного накопителя, обеспечивающего длительность тока разряда 350-400 мкс, по линии раскола бурят 3 шпура глубиной h ≈ 300 мм с шагом 300-500 мм, удовлетворяющим условию L < h · (v₁/v₂) при использовании воды в качестве наполняющей шпур жидкости (v₂ ≈ 1500 м/с).

При включении генератора импульсных токов 8 вначале происходят разряды в нечетных шпурах 1, 3, 5, а при использовании взрывающихся проволочек - одновременный взрыв проволочек, располагаемых в этих шпурах. При этом генерируются ударные волны давления, которые передаются заполняющей шпур жидкостью твердому телу (из-за различия акустической жесткости жидкости и твердого тела имеет место частичное отражение волн). Ударные волны давления, распространяясь со скоростью звука в материале разрушаемого твердого тела, создают в околошпуровых зонах радиальные трещины длиной около 2-3 радиусов шпура.

Частично отразившиеся от стенок шпуров ударные волны, распространяясь радиально по направлению к оси шпура, достигают канала разряда и вторично отражаются от него. В результате неоднократных отражений ударных волн и продолжающегося выделения энергии в канале разряда гидравлическое давление в шпуре возрастает, оказывая расклинивающее действие на стенки шпура. Это приводит к появлению дополнительных напряжений и способствует росту зародившихся на фронте ударной волны трещин. Давление удерживается в шпуре в течение времени T = 2h/v₂ до прихода волны разгрузки от открытого торца шпура. Наиболее эффективное использование энергии разряда достигается при T_и ≈ T, с учетом этого дано приведенное выше соотношение для выбора времени задержки второго разряда.

Ударные волны, распространяющиеся в твердом теле радиально со скоростью звука v₁, через время t = L/v₁ достигают поверхностей соседних шпуров и свободной поверхности твердого тела по линии раскола и частично упруго отражаются от них. При отражении ударных волн возникают растягивающие напряжения, приводящие к нарушению целостности твердого тела в виде локальных отколов и появления трещин, преимущественно по линии раскола. Отраженные от стенок четных шпуров и свободной поверхности тела ударные волны, распространяясь в твердом теле, воздействуют на трещины, уже возникшие в зонах нечетных шпуров, и, интерферируя, способствуют их развитию вдоль линии раскола.

Спустя заданное время задержки, удовлетворяющее неравенству T_и > t > L/v₁, в генераторе импульсных токов включаются цепи, обеспечивающие осуществление электрических разрядов в четных шпурах 2, 4 или взрыв установленных там проволочек (для приведенного выше примера раскола гранитного блока оптимальное время задержки лежит в диапазоне 100-350 мкс). Генерируемые при этом ударные волны резко усиливают возникшие ранее разрушения, воздействуя на зародившиеся при прохождении первичных волн трещины, которые являются местами концентрации значительных остаточных напряжений. В ближней зоне четных шпуров их действие проявляется в удлинении и расширении уже образованных здесь трещин вгоняемой в них жидкостью (водой), что приводит к значительным расклинивающим усилиям по линии раскола в силу преимущественной ориентации возникших в этой зоне трещин. В последующие моменты времени этот эффект усиливается действием гидравлического давления в течение времени разряда в четных шпурах.

Процесс завершается разрушением тела по линии раскола, заданной расположением пробуренных шпуров.

Способ может быть реализован для других нерудных материалов, таких как бетон, мрамор, известняк, песчаник и др.

Формула изобретения

Способ электрогидравлического разрушения твердых тел, включающий бурение в разрушаемом твердом теле разнесенных по линии раскола нечетного числа шпуров, заполнение их жидкостью и помещение электродов в нечетные шпуры, осуществление в них одновременно импульсного электрического разряда, воздействующего на тело ударными волнами, отличающийся тем, что дополнительно помещают электроды в четные шпуры, а воздействие на тело осуществляют двумя разнесенными во времени импульсными электрическими разрядами, причем второй импульс воздействия на твердое тело генерируют в четных шпурах в момент времени, удовлетворяющий соотношению Т_и > t > L/v₁, где Т_и - длительность импульса тока разряда в шпуре, с; t - время начала тока в четных шпурах, с; L - расстояние между шпурами, м; v₁ - скорость распространения ударной волны в твердом теле, м/с; при этом расстояние между шпурами L выбирается из условия L < h x (v₁/v₂), где h - глубина шпура, м; v₂ - скорость звука в заполняющей шпур жидкости, м/с; при котором время двойного пробега ударной волны между шпурами не превышает времени разгрузки шпура через его открытый торец.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2