Технологии на горных работах

Управление разрядно-импульсным воздействием должно осуществляться в целях достижения максимальной эф­фективности данного вида разрушения горной породы при минимальных затратах энергии и достижении технологической цели. Структурная схема регулирования системой электрического разряда в жидкос­ти показана на рис. 51.

Способы управления разрядно-импульсным воздействием вклю­чают:

выбор одной из разновидностей разряда в жидкости или электри­ческого взрыва проводников, выбор схемы разрядно-импульсного воздействия на среду;

изменение параметров разрядного контура выбор типа РИ источника и изменение его параметров (материала, длины, диаметра);

изменение условий размещения РИ источников (число, рядность, расстояние а, W, глубина h);

регулирование формой фронта ударной волны и его распростра­нением;

управление трещинообразованием и ветвлением трещин; организацию взаимодействия групповых РИ источников (одно­временный и разновременный разряд); обеспечение активной роли жидкости.

Управление трещинообразованием, по существу, означает управ ление процессом разрушения. Средствами управления являются из­менение скорости энерговыделения, регулирование параметрами , изменение линейных размеров РИ источника, использование эффекта кумуляции.

Управление РИ источником - наиболее доступный способ управления разрядно-импульсным воздействием на минеральные среды. Рациональные способы управления .основаны на регулировании энер­гией накопления посредством изменения величины рабочего нап­ряжения на батарее конденсаторов.

Для достижения требуемой дли­тельности разряда регулирование осуществляют изменением емкос­ти С или индуктивности L линейные размеры взрывающегося про­водника устанавливаются, исходя из величины показателя ψ , соответ­ствующего данному виду разрядно-импульсного воздействия на сре­ду; плоскостное разрушение достигается применением удлиненных проводников, для дробления породы следует применять короткие проводники меньшего диаметра, что повысит бризантное действие РИ источника.

Величина выделяемой в технологическом узле энергии должна соответствовать объему разрушения или площади поверхности раскола ;

исходным фактором при расчетах должны быть показатели удельного энерговклада и

При плоскостном разрушении РИ источникии следует размещать в один ряд с одновременной подачей разряда. При дроблении заданного объема_э напротив, более эффективно многорядное размещение источников по шахматной сетке. Расстояние между РИ источниками должно устанавливаться из величины пока­зал я сближения т (при расколе т > 1,4); сближение источников на расстояние т < 0,6 приведет к интенсивному дроблению.

Интенсивность роста разрушающего воздействия на породу с каждым пос­ледующим импульсом снижается. Поэтому для дробления рациональ­но подача одной мощной импульсной серии при разновременном раз­ряде; для достижения направленного раскола эффективнее двух или многократные маломощные серии импульсов, при которых , n - число импульсов.

Возможные пути увеличения частоты импульсов - переход с электрического взрыва проводника на свободный разряд , подача импульсов от двух автономно действующих накопите­лей, работающих в противофазе режима "накопление-разряд", при­менение специальных электрических схем в автоматическом режиме следования импульсов, применение протяжных механизмов подачи Обрывающегося проводника.

Активная роль рабочей жидкости в разрушении обеспечивается

регулированием уровня насыщения энергией неизменного объема жидкости, изменением массы жидкости при данной энергии, предотвра­щением выброса жидкости из импульсной камеры, искусственным направлением потока на объект воздействия.

Средствами достижения являются повышение напряжения, применение специальных устройств, Герметизация камеры, ввод в жидкость сжатого воздуха и газов. Для специфичных условий применения разрядно-импульсной технологии на месторождениях ценного кристаллосырья возможны следующие способы управления — изменение параметров РИ источников и их размещения; создание искусственных экранов, изменение формы фрон­та волн и направления его распространения, обработка поверхности кристаллов и создание условий для проявления их внутренней напряженности. При вскрытии кристаллосодержащих полостей (гнезд) разрядно-импульсные источники должны размещаться на расстоянии r> r_д или r_д < r*_б. Возможные способы управления при разрушении массива пород действием комбинированных рабочих органов вклю­чают регулирование величиной напряжения U , изменение расстояния между электродами и частоты подачи импульсов в данном рабочем цикле, введение в зону электродов газообразующих добавок.

Одним из преимуществ разрядно-импульсной технологии явля­ется возможность автоматического управления всей системой и уп­равление системой по схеме замкнутого цикла с обратной связью.

Рассмотрим технологический вариант расчета основных парамет­ров разрядно-импульсного воздействия на минеральные среды. Пос­ледовательность расчетов следующая:

1. Исходя из технологической задачи, устанавливается вид раз­рушения — раскол, отбойка, дробление. Учитывается, что зона раз­рушения находится в пределах r < , а охраняемая зона — на расстоя­нии r > .

2. Уточняются физико-механические свойства объекта воздействия и его линейные размеры. Так определяются прочностные показатели, плотность, упругие свойства, трещиноватость, текстура; измеряются ширина В, длинаL, высота H объекта, рассчитывается объем V и пло­щадь разрушения S.

3. По известным свойствам объекта воздействия и заданному ви­ду разрушения определяются значения показателей, характеризую­щих удельные затраты энергии ( на плоскостное разрушение) и ( на объемное разрушение).

4. По предельному значению [ V] и [S], характеризующему мак­симально возможную величину объема и площади разрушения от дей­ствия одного РИ источника, и учитывая их количество z , устанавлива­ется расчетная величина объема и площади разрушения в данном им­пульсе. Имеем :

(4.84)

5. Устанавливается число требуемых серий импульсов на данный объект работ

(4.85)

6. Рассчитываются полные затраты энергии на каждую серию им­пульсов

(4.86)

7. Проверяется соответствие расчетных значений Е_V и Е_S полной энергии (Е_В), выделяемой в данном импульсе. Соотношение должно удовлетворять условию

(4.87)

где — коэффициент передачи энергии среде (от плазменного кана­ла до объекта разрушения).

8. Рассчитывается энергия, накапливаемая в конденсаторной бата­рее. Имеем

(4.88)

Где - коэффициент полезного использования накопленной энер­гии, учитывает потери энергии в разрядном контуре и в технологи­ческом узле.

Регулировать величиной следует за счет изменения рабочего напряжения U и емкости С. При этом обязательна проверка на усло­вие т.е. расчетная величина напряжения должна быть мень­ше (или равна) предельно-допустимой для данных импульсных кон­денсаторов.

Рассмотренный технологический вариант расчета может быть ре­комендован для разрушения горных пород и кристаллов.

Опытно-промышленное внедрение разрядно - импульсной технологии разрушения горных пород осуществлялось на многих объектах геологоразведочных и горных предприятий.

В практике работ применение получили разрядно-импульсные методы направленного плоскостного разрушения глыб, монолитов , блоков горных пород, а также дробление негабарита, бетонных фун­даментов и блоков. Известны работы в этой области ряда организа­ций страны — например, СКБ Института тепло- и массообмена АН БССР, Казахского политехнического института, треста "Магнитострой", ВПО "Союзкварцсамоцветы" Мингео СССР, Московского геологоразве­дочного института имени Серго Орджоникидзе, Института геотехни-ки Ческой механики АН УССР, треста "Севосетинавтодор". Однако боль­шая часть этих работ не вышла за рамки производственных экспери­ментов, хотя преимущества разрядно-импульсной технологии в ряде горных процессов представляются бесспорными. Для примера приведем условия и результаты работ МГРИ по направленному плоскост­ному разрушению горных пород [39].

Опытно-промышленная проверка разрядно-импульсной технологии проводилась с применением опытных образцов электроимпульсных установок типа "Импульс" и "Базальт". В установках данного типа импульсный генератор монтируется " ни передвижной транспортной раме (прицепе). При разрядно-импульсной технологии направленного раскола монолитов и пассировки блоков технологический узел представляет собой вертикальную или наклонную нисходящую камеру в виде шпура диаметром до 50 мм глу­биной 0,8—2,5 м; РИ источник выполнен в виде электрогидравличес­кого рабочего органа с алюминиевым или медным взрывающимся проводником.

Рационально одновременное применение не менее двух взрывателей. Параметры взрывающихся проводников следующие: диаметр от 0,85 до 1,7 мм, длина в пределах 120—250 мм. Одновре­менно может использоваться до четырех

взрывателей, что определя­ется размерами обрабатываемого горного объекта.

Каждый из взры­вателей устанавливается в шпур так, чтобы взрывающийся провод­ник находился в рабочей жидкости, заполняющей шпур. В качестве рабочей жидкости используется техническая вода; шпуры заполняются водой одноразово или непрерывно, что зависит от трещиноватости пород. Возможно применение специальных диэлектрических жидкостей и составов, что расширяет возможности разрядно-импульсной технологии.

Технологический цикл разрядно-импульсной технологии вклю­чает выполнение следующих операций:

разметка шпуров и их бурение перфоратором; шпуры размеща­ют в плоскости требуемого раскола на расстоянии а = 200 ÷800 мм;

подготовка злектрогидравлической установки к работе — осмотр конденсаторов, проверка блокираторов, узлов управления; произ­водится перед серией импульсов или в начале рабочей смены;

подготовка электрогидравлических взрывателей к работе и на­резка отрезков взрывающихся проводников;

монтаж взрывающегося проводника на взрывателе (10—15 с на один проводник);

заполнение шпуров водой;

установка взрывателей в шпуры (15—20 с на один взрыватель);

отход работающих на безопасное расстояние при R 15 м;

накопление электрической энергии (30—60 с на импульс);

разряд и снятие остаточного напряжения (5—10 с на импульс);

подход работающих к объекту разрушения (10—15 с).

Общая продолжительность технологического цикла при одновре­менной работе четырех взрывателей составляет - суммарные затраты времени на все операции цикла, кроме бурения шпуров (t _б). По данным хронометражных наблюдений Δt =480 ÷ 900 с. При составе рабочего звена из двух человек (оператор и проходчик) часть операций цикла может быть совмещена во времени с процессом бурения.

Опытно-промышленное внедрение разрядно-импульсной техно­логии осуществлено на предприятиях Мингео СССР и Минавтодора ; РСФСР. Направленный раскол монолитов на блоки и пассировка бло­ков производились в горных породах различного состава и свойств — в гранитах, базальтах, доломитах, габбро, известняках, мраморах, лабрадорите. Работы по отбойке монолитов не вышли за рамки производственного эксперимента.

Так, на одном из месторождений при па­раметрах U = 5 кВ, С=8000 мкФ за счет многократной подачи импульсов на 3—4 электрогидравлических взрывателя был отбит монолит лабрадорита объемом 9 м³ массой около 30 т. Однако процесс не был технологичным, так как понадобилось до 20 серий импульсов, а удель­ные затраты энергии превысили в 4 раза этот же показатель при нап­равленном расколе. Направленный плоскостной раскол осуществляется при следующих параметрах:

объем и линейные размеры обрабатываемых монолитов и негабаритов составили от 1 до 9 м³ при максимальном линейном размере до 3 м;

шпуры (преимущественно, вертикальные) имели диаметр 43—46 мм при глубине 0,5—2,5 м. Глубина шпуров устанавливалась из расчета (0,5÷ ,8) Н, а расстояние между шпурами (0,1 6) Н, где Н — высота монолита, негабарита;

взрывающиеся проводники имели (d_пр= 1,3÷1,7 мм, при l_пр = 220 ÷ 280 мм; рациональное соотношение l _пр/d_пр составляет более 6. Возможно применение медных и алюминиевых проводников; из­готовление взрывающихся проводников из алюминиевой проволо­ки предпочтительнее, так как повышается энерговыделение и эффективность разрушающего воздействия на породу;

емкость конденсаторных батарей составляла 4000 или 8000 мкФ. Рабочее напряжение на конденсаторах изменялось в пределах (З÷5) 10³ В. Такие параметры обеспечивали накопление в батарее конденсаторов электрической энергии от 18 до 100 кДж. По данным опытных изме­рений в технологическом узле выделялось 40—65 % накопленной энергии . Таким образом, в одном шпуре может быть выделена энергия в 7,2—65 кДж. Оперативное управление величиной выделяемой в тех­нологическом узле энергии осуществляется

посредством регулиро­вании рабочего напряжения. Для сопоставления отметим, что энерге­тический эквивалент электрического разряда в жидкости весьма нез-начителен — 5 кДж накопленной энергии равноценны 1 г тротила;

плоскостное разрушение, то есть разделение монолита или бло­ки, осуществлялось при линейной плотности энергии в 20—330 кДж 1 м длины взрывающегося проводника, что обеспечивало образовании ударной волны.

Удельные затраты энергии на единичную площадь поверхности раскола составляли 12—93 кДж/м². Столь значительное наличие в величине этого важного показателя обусловлено физико-механическими свойствами разрушаемых горных пород. Так к примеру направленный раскол монолитов крупнозернистого гранита осуществляется при = 27 ЗЗ кДж/м²; известняка — при = 13 ÷ 17 КДж/м².

Результат опытно-промышленного внедрения разрядно-импульсной технологии направленного раскола горных пород следующий:

Применение импульсной энергии, образуемой при электричес-