Способ электроразрядного разрушения твердых материалов

Способ электроразрядного разрушения твердых материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности, а именно к разрушению горных пород и искусственных твердых материалов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, и может найти применение для разрушения негабаритных обломков крепких горных пород на каменных карьерах, для проходки вертикальных наклонных горных выработок сравнительно большого диаметра, для утилизации бетонных и железобетонных блоков, конструкций и т.п.

Известен способ разрушения горных пород электрическим током [SU №878934, МПК Е21С 37/18, опубл. 07.11.1981], при котором от генератора электрических импульсов подают разрушающие горную породу импульсы на электроды, введенные в контакт с горной породой, при этом пространство, в котором установлены электроды, перед подачей импульсов герметично изолируют от остального объема и заполняют его газом, электрическая прочность которого выше электрической прочности воздуха, например, элегазом. Основным недостатком указанного способа является его низкая производительность и технологическая сложность, т.к., необходима герметичная изоляция электродного пространства и разрушение происходит только между электродами, наложенными на поверхность горной породы, на глубину не более 1/3 межэлектродного промежутка.

Известен электрогидравлический способ разрушения горных пород и других твердых материалов [US №4479680, МПК Е21С 37/18, опубл. 30.10.1984], включающий формирование шпура на поверхности твердого материала, заполнение его жидкостью и размещение в ней взрываемого проводника, находящегося в цепи с конденсаторным устройством. При электрическом взрыве проводника ударная волна переносится жидкостью в твердый материал в виде импульса деформации сжатия, который распространяется через твердый материал, до тех пор, пока не отразится от свободной поверхности в виде импульса деформации растяжения, упомянутый импульс деформации растяжения будучи согласован с прочностью твердого материала на растяжение вызывает его местное разрушение. Недостатком указанного способа является сложность при размещении жидкости в горизонтальных и потолочных шпурах.

Частично указанный недостаток устранен в выбранном за прототип способе разрушения электрическим разрядом [ЕР 0858874, МПК B28D 1/00; Е21С 37/18, публ. 19.08.1998], включающем формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа в виде сосуда с передающей ударную волну жидкостью и размещенным в ней взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником. В качестве передающей ударную волну жидкости используется, например вода.

Общим недостатком предыдущих двух способов является низкий коэффициент передачи энергии разряда в твердый материал, так как в качестве передающего ударную волну вещества используется жидкость с относительно низкой, по сравнению с твердыми материалами, акустической жесткостью (1,5…1,8·10⁶ кг/м²с, что снижает эффективность передачи волн давления, и в конечном итоге эффективность разрушения.

Задачей изобретения является создание эффективного способа разрушения строительных конструкций и сооружений, негабаритных обломков крепких горных пород и других твердых материалов.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом, является повышение эффективности разрушения горных пород и утилизации бетонных и железобетонных блоков и конструкций, откола на свободную поверхность при проходке и расширении тоннелей за счет повышения амплитуды и уменьшения потерь энергии ударной волны на преломление и отражение.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе электроразрядного разрушения твердых материалов, в соответствии с прототипом включающем формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с предающим ударную волну веществом и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником, в отличии от прототипа в качестве предающего ударную волну вещества используют пластичный материал с акустической жесткостью близкой к акустической жесткости разрушаемого материала.

Целесообразно в качестве пластичного материала использовать полиэтилен.

Целесообразно в качестве пластичного материала использовать пластилин.

Эффективность передачи ударной волны от канала разряда до разрушаемого материала зависит от согласованности акустических жесткостей передающего ударную волну вещества (передающей среды) и разрушаемого материала.

Применение пластичной передающей среды, например, полиэтилена, пластилина, позволяет повысить амплитуду ударной волны за счет ограничения области горения разряда (капиллярный разряд) [Маршак И.С., Дойников А.С. Импульсные источники света. - М.: Энергия, 1978. -478 с.].

Изобретение поясняется фиг.1, где представлена конструкция электровзрывного картриджа для разрушения горных пород, фиг.2, где представлена схема электровзрывного разрушения и фиг.3, на которой представлена зависимость введенной в канал разряда энергии от времени для разных передающих сред.

В таблице представлена эффективность передачи энергии ударной волны от канала разряда в твердый материал в зависимости от свойств передающей среды и разрушаемого твердого материала. Эффективность рассчитывалась по формуле преломления:

T = 4 ⋅ ρ 1 ⋅ c 1 ⋅ ρ 2 ⋅ c 2 ( ρ 1 ⋅ c 1 + ρ 2 ⋅ c 2 ) 2 ,               ( 1 )

где Т- коэффициент прохождения ударной волны;

ρ₁, с₁ - плотность кг/м³ и скорость звука м/с передающей среды;

ρ₂, c₂ - плотность кг/м³ и скорость звука м/с разрушаемого материала.

Выбор пластичного материала в качестве передающей ударную волну среды, обусловлен его высокой акустической жесткостью и пластичностью. Это позволяет избежать значительных потерь энергии на переизмельчение за счет образования трещин в приканальной области, и увеличить энергию волны, передаваемую от канала разряда в разрушаемый материал на ~20…25%. Из таблицы видно, что полиэтилен наиболее эффективно передает энергию волны.

На фигуре 1 представлена конструкция электровзрывного картриджа для разрушения горных пород, где 1 - передающая среда, 2 - взрываемый проводник, 3 - электроды.

На фигуре 2 представлена схема электровзрывного разрушения. В накопителе электрической энергии сопротивление r_z и индуктивность L складываются, соответственно, из сопротивления и индуктивности конденсаторной батареи С, коммутатора S, соединительных шин и подводящего кабеля 4. В разрушаемом материале 5 размещают картридж 6, выполненный в форме цилиндра из передающей среды 1 (например, полиэтилена, пластилина), по оси которого размещен взрываемый медный проводник 2. Проводник 2 через электроды 3, подводящий кабель 4 и коммутатор соединен с конденсаторной батареей. В момент срабатывания коммутатора конденсаторная батарея начинает разряжаться через проводник, что приводит к его взрыву и образованию металлической низкотемпературной плазмы с концентрацией частиц 10¹⁹…10²¹ см^-3 и температурой 10³…10⁴ К. После формирования канала разряда, накопленная в конденсаторной батарее энергия выделяется в плазму. Мощность, при этом, может достигать сотен МВт [Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. - 208 с.]. Быстрое выделение энергии в малом объеме приводит к повышению давления в канале до нескольких ГПа. В результате происходит расширение плазменного канала разряда с образованием ударной волны, которая формирует упругую и пластическую волны, распространяющиеся через передающую среду 1 в разрушаемый материал 5. Под воздействием упругой волны в материале 5 формируется напряженно-деформированное состояние 7, изменяющееся в диапазоне от десятков до сотен МПа, вызывающее образование, рост трещин и в конечном итоге разрушение материала 5.

На фиг.3 представлена зависимость введенной в канал разряда энергии от времени для разных передающих сред: 8 - пластичный материал, 9 - вода. Энергия, вводимая в канал разряда, рассчитывалась с помощью интегрирования мгновенной мощности:

W = ∫ 0 T 0 U ( t ) ⋅ i ( t ) d t ,         ( 2 )

где U - напряжение;

i - ток;

W- выделяемая энергия;

Т₀ - время выделения энергии;

t - время.

Исследование энерговыделения в канале разряда в воде (по прототипу) и в пластичных материалах (по предложенному изобретению) проводилось на накопителе электрической энергии с зарядным напряжением 10 кВ, емкостью 12 мкФ, индуктивностью 1,067 мкГн, активным сопротивлением r_z=0,0197 Ом. По оси картриджа 6, выполненного в виде цилиндра из пластичного материала диаметром 24 мм, был размещен взрываемый медный проводник 2 диаметром 0,15 мм и длиной 50 мм. В качестве пластичных материалов использовались пластилин (ОСТ 6-15-1525-86) и полиэтилен (ГОСТ 16338-85). Из фиг.3 видно, что мощность выделения энергии в канале капиллярного разряда в пластичном материале в первую полуволну тока на ~15% выше, чем при разряде в воде. Это показывает эффективность использования свойств капиллярного разряда для увеличения амплитуды и крутизны фронта ударной волны, распространяемой через передающую среду 1 в разрушаемый материал 5.

Осуществление способа представлено на примере конкретного выполнения. Формировали шпур глубиной 30 см на поверхности бетонного блока размером 100×60×60 см и маркой В40, помещали в шпур картридж 6 из пластичного материала 1 с размещенным внутри взрываемым проводником 2 длинной 10 см и подсоединяли его шинами к накопителю электрической энергии емкостью С=168 мкФ и зарядным напряжением U=20 кВ. После срабатывания газоразрядного коммутатора и начала разряда накопителя, происходил взрыв проводника 2 и инициирование канала разряда. Дальнейший разряд накопителя с достижением тока 200 кА происходил на образовавшийся канал разряда, заполненный парами металла взорванного проводника 2. Быстрое выделение энергии в малом объеме приводило к повышению давления в канале разряда. В результате происходило расширение плазменного канала разряда с образованием ударной волны, которая формировала упругую и пластическую волны, распространяющиеся в бетонные блоки, через пластичный материал 1. Под воздействием упругой волны в бетоне формировалось напряженно-деформированное состояние, вызывавшее разрушение блока. В качестве пластичного материала использовали пластилин (ОСТ 6-15-1525-86) и полиэтилен (ГОСТ 16338-85).

Преимущество заявленного способа заключается в повышение эффективности разрушения горных пород, за счет увеличения амплитуды и уменьшения потерь энергии ударной волны, что достигается применением в качестве передающей среды пластичного материала с акустической жесткостью близкой к акустической жесткости разрушаемого материала.

Таблица
Передающая среда	Энергия ударной волны, переданная в твердое вещество, %
бетон	гранит	мрамор	песчаник
Вода	69,7	32,9	29,1	73,5
Парафин	64,7	30	26,3	68,9
Полиэтилен	90,5	46,8	42	89,1
Пластилин	89	46	41,3	87,6

1. Способ электроразрядного разрушения твердых материалов, включающий формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с веществом, предающим ударную волну и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником, отличающийся тем, что в качестве вещества предающего ударную волну используют пластичный материал с акустической жесткостью, близкой к акустической жесткости разрушаемого материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичного материала используется полиэтилен.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичного материала используется пластилин.