Условие разрядно-импульсного разрушения минеральных сред, действующие факторы и показатели

Рабочая жидкость и ее роль в разрушении ми­неральных сред. Передача энергии от РИ источника горной поро­де осуществляется посредством рабочей жидкости.

Активная роль жид­кости в процессе разрушения пород наиболее ярко должна проявлять­ся при мелкошпуровой технологии, так как именно при этом варианте жидкость заполняет стационарную (для данного цикла) импульсную камеру, для которой имеем:

Обьем шпура (4.20)

Объем жидкости (4.21)

где h_ж h_шп. Более строго следует учитывать не весь объем V_ж, а объем жидкости в кольцевом зазоре шпуровой камеры, в котором Происходит формирование электрогидравлического удара, т.е.

(4.22)

где - соответственно радиус и высота слоя изоляции; r_к — ра­диус корпуса электрогидравлического взрывателя.

Расчетный объем камеры колеблется для мелкошпуровой техно­логии в пределах 10^-5 — 10^-3 м³. При этом характерно соотношение

т.е. кольцевой зазор уменьшает радиус образуемой парогазовой полости и накапливаемой в ней энергии. Выполненные рас­четы показали, что при Е_н = 3,7 ÷ 25 кДж и напряжении U = 5 ÷ 10 кВ радиус этой полости должен составлять (12 — 32) 10^-2 м. Однако в стес­ненных условиях шпуровых камер парогазовая полость не достигает этих размеров, что может быть охарактеризовано двумя коэффициен­тами стесненности:

(4.23)

где — диаметр корпуса взрывателя; а_п и b_п — линейные размеры полости соответственно по осям x и у.

Для условий мелкошпуровой технологии , что подтверждает асимметричность полости и несоответствие ее энер­гии и потенциальной энергии сферической полости. Соотношение этих энергий может быть установлено как Е_п = 0,11 Е_сф. Вместе с тем, ограниченность объема шпуровой камеры позволяет поддерживать повышенное давление во фронте ударной волны.

Для шпуровой камеры период стабилизации повышенного давления составляет τ_Рт = 87 мс, что увеличивает эффект разрушающего воздействия на среду. В шпуро­вой камере происходит многократное отражение волн от стенки шпу­ра, что приводит к росту амплитуды давления первого импульса в 1,2— 1,3 раза; практическое значение имеет лишь первый цикл "расширение-схлопывание" полости. Расчеты показывают, что скорость движения жидкости примерно в 2—3 раза меньше скорости распространения фрон­та ударной волны в ближней зоне.

Таким образом, жидкость, в отли­чие от динамического характера волновых воздействий, должна ока­зывать на среду квазистатическое нагружение, т.е. выполняет роль "клина", статически внедряющегося в породу.

Зональность зарядно-импульсного воздей­ствия определяется типом РИ источника и его энергией. Разрядно-импульсное воздействие на породу наиболее четко проявляется в без­граничной среде, когда r_д < W (рис. 44). В гидродинамической зоне, размеры которой незначительны, проявляется интенсивное разрушение пород — это зона непосредственного воздействия электрогидравличес­кого удара.

Напряжение во фронте волны существенно больше преде­ла прочности среды на сжатие, поэтому разрядно-импульсное воздей­ствие проявляется преимущественно в виде измельчения. В переходной зоне амплитуда ударной волны уменьшается, что снижает дробление по­роды и приводит к образованию трещин; проявляется также незначи­тельная пластическая деформация пород. В упругой зоне волна движет­ся с постоянной скоростью; напряжения меньше предела прочности породы.

Интенсивность воздействия по зонам зависит от типа РИ ис­точника. При точечном источнике давление и напряжения во всех направ­лениях одинаковы. Для образующегося сферического фронта характер­но геометрическое расхождение, сопровождающееся потерей энергии. При одиночном линейном РИ источнике образуется цилиндрическая ударная волна, фронт которой на данном расстоянии г имеет меньшее геометрическое расхождение и большую плотность энергии. Энерге­тический тротиловый эквивалент электрического разряда в жидкости мал, а газообразование и вызываемое им поршневое воздействие на породу отсутствуют, что уменьшает дробление материала и сдвижение породы в гидродинамической и переходной зонах.

Отсюда следуют два вывода:

для разрушения пород применение РИ источников, размещенных в условиях безграничной горной среды (r_д < W ), нерационально;

для технологических процессов РИ источники должны размещаться «близи свободной поверхности, т.е. когда л.н.с. меньше расстояния, и* котором от данного РИ источника проявляется разрушающее воз­действие (r_д > W).

Под радиусом действия (r_д) РИ источника будем понимать характерное для данной среды расстояние, на котором проявляется суммар­но разрушающее действие от источника данного типа и мощности, наиболее четко параметр r_д можно установить при взрывах в безгранич­ной среде, однако исследуемые технологические процессы осуществля­ются также в горных телах конечных размеров.

Параметр r_д должен зависеть от физико-механических свойств среды, объема и вида жид­кости, наличия и числа свободных поверхностей, типа РИ источника и Наделяемой им энергии. За исходную примем формулу определения разрушающих напряжений в породе при действии импульсных нагрузок, имеющую вид:

(4.24)

Откуда следует, что радиус зоны разрушения

(4.25)

В соответствии с сформулированными нами технологическими зада­чи ми с достаточной точностью можно сказать, что

предел прочности среды на растяжение, а коэф­фициент > 1.

Введем коэффициенты, учитывающие влияние следующих факто­ром: соотношение между действующими напряжениями и пределом прочности среды ( объем и плотность жидкости (k₂)> число сво­бодных поверхностей (k₃), тип РИ источника (к₄).

Тогда (4.26)

Для данной импульсной камеры и РИ источника начальное давление определяется энергией, выделяемой на источнике, т.е. зависит от где (2,5 ÷ 1,6) Е_в = Е_н Отсюда приведенное значение радиуса действия составит

(4.27)

Расчетное значение радиуса действия составляет 0,4 — 0,02 м. Следует различать радиус действия при дроблении, отбойке и расколе.

Распространение фронта волны и ее парамет­ры' С позиций разрабатываемых технологий основным фактором, оп­ределяющим результат разрядно-импульсного воздействия на мине­ральные среды, являются ударные (упругие) волны, фронт которых имеет сложный характер движения: распространяется в жидкости,

отражается от корпуса РИ источника и от границы среда — жидкость, пре­ломляется и распространяется по среде.

Для наших условий рациона­лен тот вариант сочетания импедансов граничных сред, который обес­печит до границы среда — воздух минимальное отражение при макси­мальном преломлении.

Важно также установить предельное расстояние r*, на котором энер­гия волны достаточна для разрушения данной среды. Для установления этого параметра используем известную зависимость Е_ув = F (r), прин­ципиальный характер которой приведен на рис. 45. Точке r* (нанесена условно) соответствует предельное значение энергии ударной волны Е_ув*, обеспечивающее разрушение среды. Следовательно, на расстоя­нии от источника r> г* среда разрушаться не будет.

Чтобы исключить влияние формы взрывающегося проводника, его размеров и энерго­вклада, применим приведенные значения параметра r*, а за масштаб приведения примем линейную плотность энергии . Тогда имеем r* = r* ^-1.

Расстояние, на котором проявляется разрушающее действие РИ источника, обусловленное распространением ударной волны с мак­симальным значением амплитуды, можно представить как

(4.28)

Используя формулу (4.28), можем получить расчетную длину взрываю­щегося проводника, оптимальную по давлению во фронте ударной волны(l*_пр).

Передача энергии и ее потери существенно влияют на результат разрядно-импульсного разрушения. При этом важно учесть величину энергии, выделившейся в технологическом узле ( ) и пере­данной разрушаемой среде (Е_с).

Если величина исходной, накоплен­ной, энергии может быть определена расчетом, то для точного опреде­ления Е_B и Е_с необходимы экспериментальные данные, так как на каж­дой из стадий передачи энергии ее потери существенны. Исследователи выделяют следующие составляющие потерь энергии, учитываемые коэффициентами к₆ - к₉, где: к₆ = 0,1 ÷1 - характеризует долю энер­гии ударных волн и гидропотока, не попавших на объект обработки;

0 ÷ 0.2 - характеризует потери энергии от канала разряда до объект обработки; =0,1÷ 0,3 характеризует технологические потери; = 0,1 ÷ 0,5 характеризует потери энергии, унесенной отраженными ударными волнами и затрачиваемой на "дробление" гидропотока.

Ве­личина этих коэффициентов зависит от конкретных условий обработ­ки среды — условий осуществления электрического разряда в жидкос­ти, физико-механических свойств среды. Этапы передачи энергии и ее Потерь показаны на рис. 46. В импульсном генераторе происходит накоп­ление энергии Е_н, часть которой (Δ ) теряется в конденсаторной батарее или в коммутирующем устройстве (неполное выделение энер­гии может фиксироваться по величине остаточного напряжения).

На формирование искрового канала и на процессы в нем затрачивается часть накопленной энергии (Е_К). Обозначим затраты энергии на ини­циирование разряда через Δ ). Тогда энергия, вводимая в искровой канал

(4.29)

где

Таким образом, жидкости передается энергия

(4.30)

где ΔЕ_К — потери внутри канала.

После преобразований формулы (4.30) получим

(4.31)

Где — коэффициент, учитывающий долю полной энергии, вводимую в жидкость (подлежит определению).

В жидкости также происходят потери энергии (на ионизацию, наг­рей), которые обозначим через ΔE₃. В результате парогазовой полости передается энергия

(4.32)

Где ή_п — коэффициент, определяемый экспериментальным путем. По данным В.С. Перехвальского на образование парогазовой полости затрачивается 10—18 % выделяемой энергии. С учетом этого запишем

(4.33)

где - затраты энергии на формирование парогазовой полости; ή_в — коэффициент, учитывающий долю накопленной энергии, выделенной на РИ источнике. Следует учесть также потери энергии на пульсацию полости (ΔE₄) и при подаче энергии от полости разрушаемой среды (ΔE₅). Тогда среде передается энергия

(4.34)

Для упрощения передачу энергии от жидкости к среде будем характе­ризовать единым коэффициентом ή₃.

Тогда (4.35)

где ή₃ — коэффициент, зависящий от механических свойств среды, а также от энергии, накопленной в жидкости.

Коэффициент ή₃ возрастает с увеличением энергии Е_ж и при умень­шении жесткости среды. Так для данной среды при увеличении давления в шпуровой камере с 10² до 10³ МПа коэффициент возрастает в 1,7 раза; уменьшение модуля сдвига среды вдвое почти во столько же раз увеличивает коэффициент \. Сопоставительные расчеты показы­вают, что при шпуровой камере коэффициент передачи энергии ή₃при линейном РИ источнике в 1,3—1,5 раза больше, чем при точечном.

Для исследуемых технологических процессов составим упрощенную схему передачи энергии, учтя лишь основные этапы: накопительная батарея — технологический узел. — минеральная среда. Такая схема позволяет ис­следовать процесс разрядно-импульсного разрушения сред и разра­ботать методы управления технологическими процессами. Для выделен­ной схемы имеем:

­

Соответственно потери энергии от батареи до импульсной камеры сос­тавят 1 - ή_в. По данным ряда исследователей коэффициент выделения ή_в. = 0,4 ÷ 0,6. Представим полную выделившуюся энергию в следующем виде

(4.36)

где Е_у , Е_в.н, Е_жп — энергия соответственно в ударной волне, волне напряжений и жидкостном потоке; ΔE_т.у — потери энергии в техноло­гическом узле.

Исключить полностью потери (ΔE_т.у) невозможно; более реаль­но уменьшить их. Среде передается лишь часть энергии, выделенной в технологическом узле, что учтем коэффициентом .Тогда имеем (4.37)

Показатель _с зависит от следующих факторов: способа размещения в горной среде технологического узла, от механических свойств раз­рушаемой среды.

Выше отмечалось, что для технологических процессов рационально применение групповых РИ источников. Пусть используется Z разрядно импульсных источников и в каждом из них выделяется энергия , а для разрушения данного объема среды требуется п импульсов. Схема передачи энергии РИ источника горной среде показана на рис. 47.

Энергия , может изменяться для серий импульсов или быть постоянной и одинаковой для всех РИ источников в данной серии (этот вариант предпочтительнее). Суммарная энергия, одновременно выделяемая в технологических узлах, определяется по формуле:

(4.38)

Где - коэффициент, учитывающий потери энергии в РИ источнике, более технологичен вариант, когда п = 1, что определит:

(4.39)

Охарактеризуем через _и — потери энергии при передаче ее от РИ источника среде. Тогда энергия, передаваемая среде, составит:

(4.40)

Итак, горной среде передается энергия Е_с, составляющая часть накапливаемой энергии, но в самой среде также существенны потери энергии, с учетом которых (Δ Е₆) величина полезно используемой энергии составит:

(4.41)

Достижение поставленной технологической задачи с наименьшими энергозатратами на разрушение будет тогда, когда энергия соответствует энергии , где , — энергия, необходимая для данного вида разрушения. В общем виде условие разрушения может быть представлено как

(4.42)

В реальных условиях возможны варианты, когда Однако рационален вариант, когда

Возможна запись вида

(4.43)

где ΔЕ° — суммарные потери энергии при ее передаче от конденсатор­ной батареи к среде, включая потери в самой среде. Итак, лишь часть накапливаемой энергии передается среде- (Е’_с) и затрачивается на ее раз­рушение (Е ). Естественно, чем меньше показатель ΔЕ°, тем выше к.п.д. анализируемой системы, выше качество разрядно-импульсного воздействия и эффективность разрушения. Для оценки полезного ис­пользования энергии в технологических целях введен коэффициент

(4.44)

Где что указывает на значительный резерв в повыше­нии эффективности разрядно-импульсного воздействия на минераль­ную среду. При разрядно-импульсном воздействии разрушение произой­дет тогда, когда суммарные напряжения от действия фронта волн и от гидравлического напора превысят прочностные свойства среды. Это ус­ловие представим в виде

(4.45)

где σ_н — суммарные напряжения, действующие на среду при электри­ческом разряде в жидкости; [ ]_с — предел прочности среды на наи­более эффективный вид нагрузки, Па.

При действующих групповых РИ источников наиболее нагруженная зона размещена по оси симметрии на расстоянии 0,5 а. Для этой зоны условия разрушения среды будут иметь вид:

(4.46)

где - напряжения соответственно сжатия и растяжения в соответствующей волне.

Известно, что все минеральные среды обладают малым пределом сопротивления растягивающим видам нагрузок. Тогда условие преиму­щественного разрушения минеральных сред при разрядно-импульсном воздействии можно выразить как:

(4.47)

где (σ_н) _р — суммарные растягивающие нагрузки.

Оценку энергозатрат на разрушение объекта следует проводить с учетом вида технологического процесса. При этом важно выделить два таких различающихся процесса разрядно-импульсного воздействия — направленное плоскостное и объемное. При этом надо учитывать сле­дующие параметры:

при объемном дроблении — объем разрушения, приходящийся на один групповой РИ источник (единичный объем разрушения, обозна­чим V');

при плоскостном разрушении — полное сечение вновь образуемой поверхности, приходящееся на один групповой электрогидравлический взрыватель — единичную площадь S'. По смыслу имеем:

где а — расстояние между групповыми РИ источниками; В — ширина разрушаемого горного тела высотой Н; d_шп — диаметр шпура. Для оцен­им соотношения объема разрушения (V) и образовавшейся новой по­верхности ( ) введем показатель относительной поверхности

Обработка экспериментальных данных показала, что коэффициент зависит от мощности РИ источника, механических свойств среды и вида разрушения. К примеру, по данным экспериментальных исследо­ваний при отбойке гранита = 100 ÷120 м²/м³; при дроблении бетонных кубиков = 150 м²/м³; при направленном расколе глыб яшм показатель = 80 ÷110 м²/м³.

Одним из основных технико-экономических показателей эффек­тивности разрядно-импульсного разрушения сред должны быть затра­ты энергии. Анализ показал, что при разрядно-импульсном разрушении рационально применение показателей удельных энергозатрат:

При объемном дроблении (4.49)

При направленном разрушении

где V — полный объем разрушения; S — полная площадь образованной поверхности в плоскости направленного разрушения; Е — полные затра­ты энергии на процесс разрушения.

Удельные затраты при разрядно-импульсном разрушении зависят от многих факторов, но большее влияние оказывают вид разрушения, свойства среды и параметры разрядного контура. Диапазон практичес­ких значений этих показателей составляет: при расколе цветных кам­ней ( > 120 • 106) имеем е_S= (40 ÷100) 10³ Дж/м²; при дроблении глыб объемом до 2 м³ имеем = 150 • 10³ Дж/м³.

По показателям и можно установить расчетные значения тре­буемой энергии разрушения:

(4.50)

а также охарактеризовать относительную эффективность энергозатрат. Для такой оценки предлагается применять показатель К_еимеем:

(4.51)

Где минимальные удельные энергозатраты, обеспечивающие данный вид разрушения. Рационален вариант равенства этих показа­телей, т.е. когда К_е= 1. При К_е> 1 будет перерасход энергии и переизмельчение разрушаемого объема; при К_е< 1 технологическая цепь не будет достигнута.