Отбойка горных пород сверхвысокими частотами

Электромагнитные волны СВЧ позволяют формировать рабочее те­ло в массиве породы без выхода его на свободную поверхность (рис. 25). В этом состоит большое преимущество СВЧ, поскольку в других диа­пазонах электромагнитных волн такого формирования рабочего тела сделать не удается.

Разработано несколько способов формирования ра­бочего тела в массиве породы на сверхвысоких частотах. Один из таких способов заключается в том, что в массиве породы излучение концен­трируют в одной точке, отстоящей от поверхности массива на заданной глубине.

Вблизи указанной точки напряженность электромагнитной волны 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 (рис. 26).

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

, (2.82)

где х определяется по уравнению (2.22). Средняя температура рабочего тела

), (2.83)

где к_п — коэффициент входа электромагнитной волны в породу, опре­деляемый из выражения (2.10).

При отбойке обычно требуется определить лишь величину отбито­го объема V, поэтому для расчета используют А_mах по формуле (2.29). Учитывая выражения (2.82) и (2.83), получаем уравнение закона сох­ранения энергии в виде

(2.84)

Из уравнения (2.84) определяется величина отбитого объема V за вре­мя Г:

(2.85)

Для отбойки объема V за время г необходимо поместить рабочее тело в массив породы на определенную глубину Я, которая определяется временем ввода энергии, мощностью, вводимой в породу, и свойства­ми породы. Для определения Я воспользуемся тем условием, что мак­симальная работа А_тах, входящая в уравнение (2.84), 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 = σ / , где — поверх­ность разрушения, т.е. поверхность, по которой отбиваемый объем V от­деляется от массива породы. Поверхность разрушения

= Vb/Н, (2.86)

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

. (2.87)

Используя значение р_0ПТ в формуле (2.28), получаем

(2.88)

Учитывая выражения (2.82) и (2.83) получаем уравнение для опреде­ления оптимальной глубины H заложения рабочего тела в массив породы для отбойки объема V:

(2.89)

Исходя из значения H в уравнении (2.89), подбирают длину волны и конструкцию излучателя. Энергоемкость отбойки определяется с уче­том значения V в формуле (2.89) :

. (2.90)

Из выражений (2.85) и (2.90) следует, что целесообразно увеличивать мощность генератора излучения, поскольку при этом производитель­ность увеличивается как N², а энергоемкость уменьшается пропорцио­нально N.

Отбойка наиболее производительна в породах высокой проч­ности, у которых Y/σ имеет большое значение. Большое значение имеет концентрация энергии, обусловливающая величину х: при увеличении частоты ω электромагнитной волны, х уменьшается почти пропорцио­нально частоте, а следовательно V увеличивается как а q уменьшает­ся пропорционально .

Однако уменьшать длину волны и увеличивать частоту можно в определенных пределах, поскольку необходимо не до­пускать нагревания сверхвысокими частотами поверхностного слоя породы.

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 H 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 [23].