Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

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:

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:

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.