Отбойка горных пород сверхвысокими частотами

Электромагнитные волны СВЧ позволяют формировать рабочеетело в массиве породы без выхода его на свободную поверхность. В этом состоит большое преимущество СВЧ, поскольку в другихдиа­пазонах электромагнитных волн такого формирования рабочеготеласделать не удается. Разработано несколько способов формирования ра­бочего тела в массиве породы на сверхвысоких частотах. Один изтакихспособов заключается в том, что в массиве породы излучениеконцен­трируют в одной точке, отстоящей от поверхности массива назаданнойглубине. Вблизи указанной точки напряженностьэлектромагнитнойволны резко возрастает. Это приводит к нагреванию породы и увеличению электропроводности ее от увеличения температуры, соответственно – к увеличению поглощения электромагнитной энергии в объеме, окружающем упомянутую точку; в результате такого процесса формируется рабочее тело в массиве породы, отстоящее от поверхности массива на заданном расстоянии. Поскольку на поверхности породы напряженность поля малая из-за рассредоточения излучения, то порода на поверхности практически не нагревается, не изменяются ее свойства и она мало поглощает электромагнитную энергию. Другой способ заклю­чается в уменьшении электропроводности поверхностного слоя породы посредством охлаждения породы. Охлаждение производят, например, жидким азотом. Электромагнитная волна проходит охлажден­ный слой породы без потерь и затухает в неохлажденной породе, где и формируется рабочее тело, расширение которого разрушает часть мас­сива породы, т.е. производит отбойку породы от массива. Объем рабо­чего тела можно определить по формуле

V_o= 4πx³/3

Где х определяется по уравнению x=ln[2N∙α/(σ∙g_нE_o²)^-1]/2α (5)

g_н- электропроводность,

σ- предел прочности на растяжения

N-мощность.

Средняя температура рабочего тела

T=3 Ntk²_п/(4πcmx³)

гдеk_п — коэффициент входа электромагнитной волны в породу.

При отбойке обычно требуется определить лишь величину отбито­го объема,К, поэтому для расчета используют А_тах по формуле (A_max=ß²T²V₀Y₀/2). Учитывая выражения (V_o=4πx³/3) и (T=3Ntk²_п/(4πcmx³)), получаем уравнение закона сох­ранения энергии в виде

H=4πcmxσVb(1-2μ) (6)

Из уравнения (4ß²N²k²_пt²Y/[c²m²πx³(1-2μ)]/=σ²kV/Y) определяется величина отбитого объемаV за вре­мя t:

Сверхвысокая частотная установка включает генератор, излучатель формирующий поток излучения в массиве породы, блок питания, блок контроля и управления. Расстояние от излучателя до массива должно быть порядка 1—2 м исходя из того, чтобы отбитая порода свободно падала между поверхностью массива и излучателем, не мешая работе последнего. Излучатель располагают на расчетное расстояние от поверхности массива породы. Если забой имеет первоначально одну свободную поверхность, то в центре забоя отбивают объем V при одной свободной поверхности, а затем производит отбойку при двух свобод­ных поверхностях, располагая рабочее тело на расстоянии Н от ворон­ки, образованной после отбойки первого объема. В этом случае произ­водительность увеличивается примерно на 30 %, а энергоемкость соот­ветственно снижается. Целесообразно вести отбойку так, чтобы в мас­сиве образовать три свободные поверхности, что позволит увеличить производительность почти в 2 раза. При отбойке сверхвысокими частотами положительную роль играет вода, заключенная в закрытых по­рах и трещинах породы: вода поглощает сверхвысокие частоты актив­но, испаряется, а пары создают давление в порах порядка 2 • 10⁷ Па, что значительно увеличивает производительность разрушения породы. При влажности песчаника около 1 % энергоемкость отбойки составляет 150 МДж/м³ отбитой породы. В сухой породе энергоемкость отбойки достигает 200 МДж/м³. Для сверхвысокой частотной отбойки породы имеет большое значение согласование сред: поскольку электромагнит­ная волна к породе подводится по воздуху, то отражение достигает по мощности 10—20 %, в зависимости от свойств породы. Отраженная волна вредно влияет на людей, находящихся в зоне работы сверхвысокой час­тотной установки. Для согласования применяют различные способы, например, заполняют пространство, по которому подводят энергию, сре­дой без поглощения, с диэлектрической проницаемостью, равной тако­вой для породы. В этом случае мощность генератора используется пол­ностью, производительность увеличивается.

Представляет большой интерес применение сверхвысоких частот Для ослабления прочности мерзлых пород: обработка сверхвысокими частотами распространяется на слой толщиной до 0,5 м, после чего в обработанной породе может работать обычная землеройная техника.

Задание

Для отбойки объема V за время t необходимо поместить рабочее тело в массив породы на определенную глубину Н, которая определяется временем ввода энергии, мощностью, вводимой в породу, и свойства­ми породы.

Решения

Для определения Н воспользуемся тем условием, что мак­симальная работа А_мах, входящая в уравнение (4ß²N²k²_пt²Y/[c²m²πx³(1-2μ)]/=σ²kV/Y), достигается при оптимальной нагрузке на рабочее тело р_опт, что в свою очередь достигается помещением рабочего тела на оптимальную глубину в мас­сив породы. Величину р выражают так: р = σS_р/S_v, где S_р - поверх­ность разрушения, т.е. поверхность, по которой отбиваемый объем V от­деляется от массива породы. Поверхность разрушения

S_р =Vb/H (5)

где b — коэффициент, учитывающий формулу объема V. При отбойке на одну свободную поверхность объем V имеет форму конуса, поэтому b =3/ sin γ , где γ — угол раствора конуса. S_v = πx². Учитывая значения S_р и S_v, получаем

р = σVb/Нπх². (7)

Используя значениер_опт в формуле (p_опт=ßTY₀), получаем

ßТУ₀ = σVb/(Нπx²). (8)

Учитывая выражения (V_o=4πx³/3) и (T=3Ntk²_п/[4πcmx³), получаем уравнение для опреде­ления оптимальной глубины Н заложения рабочего тела в массив породы для отбойки объема V:

Н=4πcmxσVb(1-2μ)/(ßYNk_п² t)(9)

Исходя из значения Н в уравнении (8), подбирают длину волны и конструкцию излучателя. Энергоемкость отбойки определяется с уче­том значения V в формуле (8):

σ = π (cmσ)² x³k(1-2μ)/ [4Nk_п t (ß Y)²] (10)

Из выражений (4) и (9) следует, что целесообразно увеличивать мощность генератора излучения, поскольку при этом производительность увеличивается как N², а энергоемкость уменьшается пропорцио­нальноN. Отбойка наиболее производительна в породах высокой проч­ности, у которых У/σ имеет большое значение. Большое значение имеет концентрация энергии, обусловливающая величину х: при увеличении частоты ώ электромагнитной волны, х уменьшается почти пропорционально частоте, а следовательноV увеличивается как ώ³, а уменьшат­ся пропорционально ώ³. Однако уменьшать длину волны иувеличивать частоту можно в определенных пределах, поскольку необходимо не допускать нагревания сверхвысокими частотами поверхностного слоя породы.

Решения варианта 1

Н=4πcmxσVb(1-2μ)/(σYNk_п² t)

К_п= 2pz/ρ₁+ρ₂ – коэффициент преломления

ρ- волновое сопротивления среды.

x=ln[2N∙α/(σ∙g_нE_o²)^-1]/2α

где g_н- электропроводность,

Н=4∙3,14∙2520∙9,77∙150∙10(1-2∙12)/150∙9∙100∙310625∙1130=-0,007 м

x=ln[2N∙α/(σ∙g_нE_o²)^-1]/2α= ln(2 ∙100/150∙9,81∙81)^-1/2∙0,17=9,77

α = [2^nD + 2N/(SgE²_o)]^-1

α=(2^{2 7} +2∙100/3,5∙9,8∙81)^-1=0,17

Список использованной литературы

1. Азиев А.М., Черников В.А. Электротермическое расширение скважын при образовании полостей заданной формы.-Горный журнал, 1984г.

2. Гаврилов Г.Н. Разрядно-импульсная технология разработки минеральных сред. Киев, Наука думка- 1979г.

3. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смигла В.П. Адгезия твердых тел. М:Наука, 1973г.

4. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. Киев, Наукова думка,1983г.