Разрушение горных пород диэлектрическим нагревом

Диэлектрический нагрев осуществляется в высокочастотном элек­тромагнитном поле за счет поглощения энергии электромагнитного по­ля свободными зарядами и вследствие высокочастотных колебаний связанных зарядов диэлектрика. Расчет величины поглощенной энер­гии породой выполняют по формуле (2.2).

Идеальная модель диэлек­трического нагрева осуществляется при помещении диэлектричес­кой породы в конденсатор, который подключен к генератору высокой частоты.

С повышением частоты поля интенсивность нагре­вания увеличивается. Этот процесс использован в способе разрушения породы диэлектрическим нагревом. Для, того чтобы сконцентрировать энергию в рабочем теле, применяют повышенную частоту электро­магнитного поля, более 2 МГц и формируют неоднородное поле для соз­дания высокой напряженности, в соответствии с формулой (2.2) . Рабо­чее тело формируется вследствие поглощения электромагнитной энер­гии на возможно меньшем расстоянии х = г, определяемом формулой (2.22).

Частично при формировании рабочего тела участвует кондуктивная теплопередача: около зоны с высокой напряженностью поля соз­дается высокий градиент температуры и тепло уходит из этой зоны в окружающую породу, увеличивая тем объем рабочего тела, согласно за­кону (2.40), при этом уменьшается концентрация энергии в рабочем теле, что уменьшает величину работы, получаемой от него согласно выражению (2.23). Используя электромагнитное поле высокой часто­ты и напряженности, рабочее тело нагревается по всему объему однов­ременно и кондуктивная теплопередача имеет малое значение.

Расчет разрушения производится аналогично тому, как это выполнено в разд. 2.2. В расчете следует учесть, что рабочее тело имеет форму, близкую к полусфере с радиусом г, поскольку электрод касается породы в точке. Поэтому

. (2.71)

Средняя температура рабочего тела определяется по формуле (2.52). Поглощаемая энергия:

. (2.72)

С учетом выражения (2.71), средняя температура определяется форму­лой:

(2.73)

Высокочастотная установка для разрушения породы диэлектрическим нагревом включает генераторный блок, блок питания, блок управления, содержащий контрольные приборы, реле и средства управления ра­ботой генератора и всей установки, блок согласования, позволяющий изменять полное сопротивление генератора в соответствии с полным сопротивлением нагрузки (рис. 24).

Установка генерирует электромаг­нитное поле частотой 5,28; 13,56; 27,12 МГц, разрешенных для про­мышленного применения. Данные частоты достаточны для формирования рабочего тела в таких диэлектрических породах, как гранит, известняк, сиенит, гнейс и т.п. Высокочастотная установка монтируется на автомобиле и питается от сети карьера напряжением 0,4 кВ. Охлаждение генератора осуществляется автономно.

Установлено, что минимальная напряженность поля, необходимая для успешного формирования рабочего тела, должна быть не менее 1 х 10⁴ В/м, поэтому подвод энергии с высокой интенсивностью может осуществить одиночный электрод, под которым, в точке соприкосно­вения с породой, создается высокая напряженность поля. Этот электрод подключают при помощи высокочастотного кабеля к высокопотенци­альному выводу установки. Второй вывод установки заземляют. Если точечный (одиночный) электрод устанавливают на поверхность породы, то под электродом возникает электрическое поле высокой на­пряженности.

Вследствие этого происходит ионизация воздуха и поля­ризация поверхности породы. Это приводит к образованию на поверхнос­ти скользящего поверхностного разряда, который значительное коли­чество энергии (не менее 50%) излучает в воздух, а энергия, введенная в породу, рассеивается по большому объему. При этом существенно сни­жается эффективность разрушения породы.

Для устранения влияния скользящего разряда применяют различ­ные методы, из которых самый простой и эффективный — помещать электрод в шпур, пробуренный в породе на глубину 3—5 см. Диаметр шпура может быть небольшим (15-20 мм), поэтому скорость бурения получается высокой. Рабочее тело имеет форму полуэллипсоида, вы­тянутого к земле. Радиус рабочего тела составляет 10—15 см. Такое ра­бочее тело формируется за 10-15 мин. Технология разрушения диэ­лектрическим нагревом заключается в том, что в кусках породы, при дроблении негабаритов, бурят шпуры, располагая юс так, чтобы они позволяли помещать рабочее тело ближе" к центру массы куска породы.

В шпур вставляют электрод и включают высокочастотное напряжение. Через 2—5 мин в породе возникают первоначальные трещины, которые растут, достигая границ куска через 5—15 мин, после чего высокочастот­ное напряжение от рабочего электрода отключают. Во время работы ус­тановки опасная зона имеет радиус 8—10 м, соответственно за этим ра­диусом располагают высокочастотную установку и людей. Во время образования рабочего тела и разрушения породы электрические свой­ства породы изменяются, что изменяет полное сопротивление нагрузки генератора в 2—5 раз за 7—20 мин.

Поэтому используя блок согласова­ния установки можно согласовывать полные сопротивления генератора и нагрузки, не допуская потерь энергии. Для увеличения производитель­ности установки к ней подключают параллельно несколько электродов и разрушают несколько кусков породы, с одинаковыми параметрами, одновременно. Рациональные параметры высокочастотной установки: мощность 100—150 кВт, рабочее напряжение 15—18 кВ при указанной выше частоте.

При разрушении негабаритов энергоемкость разруше­ния составляет 7—18 МДж/м³, производительность — от 25 до 50 м³/ч и определяется мощностью установки и свойствами разрушаемой поро­ды. Высокочастотное разрушение диэлектриков не дает пробоя поро­ды, поэтому отсутствует токовая перегрузка генератора.

Диэлектрический нагрев применяют также для отбойки блоков породы от массива: в этом случае на поверхности массива породы наносят линейные электроды посредством металлизации породы. На линейный электрод подают напряжение от высокочастотной установки — под электродом образуется рабочее тело продолговатой формы, в со­ответствии с длиной электрода, которое при расширении отбивает блок породы от массива. Отделение блоков от массива длинными элек­тродами, нанесенными на поверхность породы,не сопровождается воз­никновением скользящего разряда по поверхности породы.

Применение высокочастотной установки экономически выгодно при большом объеме работы.