CC BY
54
::::::::::семинар 6
ДОКЛАД Н А СИМПОЗИУ МЕ "НЕДЕЛЯ I ОРНЯКА Ц
МОСКВА, : МГГУ, : 25.01.ІІ - 2І.01.ІІ
^ А.Ф. Усов, В.А. Цукерман, 2000
УДК 622.026.01
А. Ф. Усов, В.А. Цукерман
РАБОТАЮЩАЯ ИСКРА: ИННОВАЦИОННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Р
оссийскими учеными разработан оригинальный способ разрушения горных пород с использованием эффекта взрывного действия электрических разрядов в твердых телах. Способ разрушения с электрическим пробоем породы на импульсном высоком напряжении от емкостного накопителя энергии, пред-ложенный проф. Воробьевым А.А., получил название электроимпульсного (ЭИ). Принципиально важные положения основ способа были обоснованы проф. Воробьевым Г.А. В детальной разработке физических основ способа и его технологических приложений участвовали многочисленные исследователи Томского (ТПУ) и Карагандинского политехнических университетов, АО «Институт “Механобр”», Кольского научного центра РАН.
Разработаны эффективные технологии для бурения скважин, проходки щелей в массиве, резания крупных блоков и обработки поверхностного слоя массива или отдельного блока, дезинтеграции материалов и других процессов. Как правило, технологические разработки апробированы в опытно-промышленном масштабе, показана их высокая технологическая эффективность. Однако, в силу ряда причин новые технологические разработки не получили соответствующего своим потенциальным возможностям использования на практике, а фронт научных исследований по тематике в последние годы заметно уменьшился. Настоящая статья имеет
целью поддержать интерес исследователей к выполненным оригинальным и перспективным технологическим разработкам при нашем твердом убеждении, что время широкого их использования еще впереди. Не имея возможности отразить в рамках журнальной публикации все аспекты проблемы и назвать всех исследователей, имеющих заслуги в разработке способа, отошлем читателя к работам [1-5], где этому уделено достаточное внимание. Ниже ограничимся лишь сведениями, которые имеют значение для понимания физической сущности новых технологических процессов и оценки границ их применимости в производственной сфере.
Разрушение твердых тел (диэлектриков, горных пород) осуществляется электрической искрой при их электрическом пробое. Среда, окружающая разрушаемый массив материала с токоподводящими электродами, выполняет в процессе роль агента, способствующего электрическому пробою твердого тела и обеспечивающего технологическую функцию удаления продукта разрушения из зоны реализации процесса. Чаще всего, это жидкость, но также средой может быть электрически прочный газ, паровоздушная смесь под давлением, вакуум. Принципиально важной особенностью способа является использование импульсного высокого напряжения с такими параметрами (амплитудой и фронтом), при которых наступает инверсия традиционного соотношения электрической прочности твердых диэлектриков и жидких сред. На рис. 1,а схематично дано со-
поставление вольт-секундных характеристик пробоя в одинаковом разрядном промежутке твердого тела (горной породы) и жидкой среды. При сокращении экспозиции напряжения электрическая прочность твердых тел (обычно более прочных, чем жидкости) растет, но в меньшей степени, чем у жидких сред и в диапазоне времени пробоя 1менее 10-6с электрическая прочность горных пород становится ниже прочности диэлектрических жидкостей (минерального масла), а при экспозиции напряжения менее 2-3-10'7с ниже и прочности технической воды. Использование отмеченного эффекта в применении к разрушению пород поясняется на рис. 1б, 1в. Электроды устанавливаются на поверхность твердого тела (горной породы) и на них подается импульс напряжения иф. Если импульс напряжения имеет параметры, соответствующие левой части графика от точки равнопрочности сред (Ак) электрический пробой в промежутке происходит внутри твердого тела, а не по кратчайшему пути - поверхности тела в жидкой среде. Это явление принято называть как внедрение разряда в твердое тело. Энергия, выделяющаяся в канале разряда, действует на материал подобно взрывчатому веществу и приводит к его разрушению. При достаточном количестве энергии в зону разрушения единичного разряда вовлекается необходимый для технологического применения объем материала - от единиц до первых десятков см3. Способ позволяет отделять порции материала от массива или крупного блока (рис. 1,б), разрушать отдельные куски материала (рис. 1,в). Эффектом разрушения (объемом и степенью дробления материала) можно управлять, увеличивая длину разрядного промежутка, добиваясь максимальной глубины внедрения разряда в толщу материала, устанавливая оптимальные значения энергии и скорости ее выделения.
Важнейшие показатели технологической эффективности данного физического процесса решающим образом определяются электрическими свойствами горных пород. Объем разрушения единичным разрядом V предопределяется уже на первой стадии процесса, когда в поверхностном слое твердого тела формируется канал разряда, и однозначно зависит от величины разрядного промежутка I (глубина внедрения канала разряда в твердое тело h также определенным образом связана с /). Действует прямая зависимость - для достижения более высокой производительности необходимо применять более высокие напряжения; чем выше электрическая прочность горной породы, тем меньше величина пробивного промежутка и производительность разрушения. За счет выбора параметров импульсного напряжения (амплитуды, крутизны фронта) и условий пробоя (вида жидкой среды, геометрии породоразрушающей электродной конструкции) обеспечивается оптимизация процесса пробоя с достижением минимальных градиентов напряжения пробоя. Элек-троимпульсному пробою и разрушению подвержена преобладающая масса горных пород и руд за исключением веществ отличающихся сплошной
металлической проводимостью
(сплошные магнетитовые и полиметаллические руды). Для оценки области наиболее эффективного применения ЭИ-технологии важное значение имеет следующее обстоятельство. Г орные породы по электрической прочности различаются в меньшей степени, чем по физикомеханическим свойствам. Поэтому с ростом механической прочности (крепости) пород эффективность ЭИ-разрушения снижается в меньшей степени, чем при разрушении традиционными механическими способами, т.е. относительная эффективность его использования в сравнении с механическими способами растет. В связи с этим, хотя ЭИ-способ может быть применен для разрушения горных пород любой механической прочности, наибольший технико-экономи-ческий эффект его применения достигается на особо крепких горных породах и мерзлых грунтах.
Предложены эмпирические соотношения для описания зависимости напряжения пробоя от различных факторов пробоя. Для оценочных целей укажем средние значения напряжения пробоя горных пород в сантиметровом диапазоне. Они составляют 50-100 кВ/см при пробое в диэлек-
Рис. 1. Принцип электроим-пульсного разрушения:
а - сопоставление вольт-секундных характеристик различных сред; б - последовательность процессов пробоя и разрушения в системе с одной свободной поверхностью; в - последовательность процессов пробоя и разрушения фрагментов материала
трических жидкостях и достигают 250-300 кВ/см при пробое крепких горных пород с использованием технической воды. В разработанных технологических про-цессах величина разрядного промежутка изменяется в пределах 0,01-0,3 м, а уровень рабочего напряжения составляет 250-800 кВ.
Достижение наименьших энергетических показателей ЭИ-разрушения реализуется за счет оптимизации режима ввода энергии в канал разряда. Для этого имеется обширная экспериментальная база результатов исследований физики процессов разрушения и разработанные на их основе математические модели разрушения материалов в условиях ЭИ [4]. Формирование поля напряжений в материале при ЭИ-разрушении аналогично нагружению с помощью ВВ. Источником нагружения является канал разряда, который находится непосредственно в твердом теле. ЭИ-разрушение твердого тела происходит за счет растягивающих напряжений и это обеспечивает достижение минимальных затрат энергии на разрушение. Динамический характер ЭИ-нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала с минимальными потерями энергии на пластическую деформацию. В сравнении с ВВ канал разряда имеет то преимущество, что энергосодержание канала разряда, обеспечиваемое подводом энергии извне от емкостного накопителя, может за счет изменения параметров разрядной цепи регулироваться в широких пределах по величине и характеру выделения во времени. Энергетика процессов разрушения с помощью ВВ и ЭИ значительно отличается - ЭИ процесс реализуется при малом энергосодержании единичного акта воздействия (1-5 кДж), что эквивалентно всего лишь долям грамма тротила. Поэтому для получения высокой производительности ЭИ-процесса частоту свершения этих актов следует повышать и условия ЭИ-технологий
1І3
Рис.2. Буровой наконечник (а) и последовательность пробоя и разрушения (1, 2, 3 и т.д.) забоя скважины многоэлектродным устройством (б)
позволяют ее поднимать до 10-25 в секунду.
Важное значение для реализации конкретных технологических процессов является возможность обеспечения непрерывности пробоя твердого тела при разрушении массива или дезинтеграции руды. Важнейшим физическим феноменом ЭИ-процесса является возможность автоматического распределения разрядов при использовании многоэлектродных конструкций (рис. 2). Принцип автоматического распределения разрядов обеспечивает цикличное, но полное разрушение породы по всей площади забоя.
При этом не требуется вращать или перемещать инструмент. За счет соответствующего выбора формы электродов и их расположения может быть придана любая произвольная форма - круглая, прямоугольная, щелевая, кольцевая и т.д. Автоматическое распределение разрядов по забою может быть совмещено с принудительным распределением разрядов, например, путем перемещения электродной конструкции по забою раз-
бурения взрывных скважин заметно ниже, чем для станков при механиче-скоом бурении и составляет 1-2 кВтОшибка! Не указан аргумент ключа.ч/пог.м и 1,5-3,0 кВтОшибка!
рушения. Это целесообразно при большой площади забоя, например, при проходке выработок большого сечения, при обработке поверхности массива или блока. В отличие от механических способов при ЭИ-разрушении не требуется прилагать к инструменту значительных усилий - достаточно лишь обеспечивать контакт инструмента с массивом. Так как рабочим инструментом по существу является искра износ инструмента минимален и проблемы срока его службы не стоит.
Экспериментальные ЭИ-
установки различного технологического назначения успешно опробованы как в лабораторных, так и в опытно-промышленного условиях на действующих предприятиях.
Бурение скважин. Способ успешно опробован на экспериментальных установках бурения взрывных скважин для добычи руд в карьере и в подземных выработках, для сооружения траншей, котлованов, для бурения геологоразведочных скважин сплошного и кольцевого забоя, скважин и
Не указан аргумент ключа.ч/пог.м для бурения геологоразведочных скважин кольцевым забоем. Энергоемкость ЭИ-бурения скважин большого диаметра составляет 30 - 70
стволов большого диаметра (до 1200 мм). Показатели работы отдельных установок, разработанных КНЦ РАН и ТПУ, приведены в таблице.
Испытания показали возможность эффективного применения ЭИ-технологии для бурения скважин широкого спектра назначения. В подземных условиях на Кировском руднике ОАО "Апатит" и руднике «Ена» АО "Ковдорслюда" показана осуществимость электроимпульсного способа бурения кругового веера взрывных скважин в вертикальной плоскости в крепких горных породах с технологической глубиной до 50 м. При бурении взрывных скважин в карьере наибольшая техническая скорость бурения достигла 12 м/ч с проходкой в непрерывном режиме 30 м. В производственных испытаниях бурения геологоразведочных скважин достигнута глубина 233 м. При бурении скважин метрового диаметра достигнута глубина 25 м и максимальная скорость бурения 2.0 м/ч.
Энергоемкость ЭИ-разруше-ния широкого спектра пород Кольского полуострова находится в пределах 30135 кгм/см3. Энергоемкость ЭИ-
кгм/см3, что почти на порядок ниже, чем при традиционных методах бурения.
\№1
Основные характеристики буровых установок и место проведения испытаний Породы Удельная скорость бурения, (на 1 импульс в сек.) п.м./ч
Бурение скважин для отбойки пород взрывом (ТПУ). Диаметр 150 мм, глубина до 50 м, промывка дизельным топливом, Лениногорский полиметаллический комбинат (Казахстан) микрокварциты 1,5
Бурение скважин в подземной выработке (КНЦ РАН) • диаметр 130 мм, глубина до 50 м, промывка водой, Кировский рудник ОАО «Апатит» (Мурманская обл.); • диаметр 150 мм, глубина до 50 м, промывка водой, рудник «Ена» АО «Ковдорслюда» (Мурманская обл.), апатитовая руда гнейс - слюда кварц - слюда плагиоклаз 0,35 (1 -25 мм) 0,6 (1 -Ошибка! Не указан аргумент ключа.30 мм) 0,25 0,3 0,35
Бурение разведочной скважины (ТПУ), в районе г. Томска • без отбора керна, диаметр 160 мм., промывка дизельным топливом; • с отбором керна, промывка дизельным топливом, водой, нефте-водными растворами окварцованный песчаник окварцованный песчаник глинистый сланец 0,5 0,6 0,8
Бурении скважин диаметром 800 -1200 мм, промывка дизельным топливом (КНЦ РАН), г. Апатиты (Мурманская обл.): • сплошным забоем, 800 мм • б)кольцевым забоем, 700 мм • расширение скважин: ^ от 600 до 800 мм ^ от 800 до 1000 мм филлитовый сланец филлитовый сланец филлитовый сланец филлитовый сланец 0,05 0, 15 0,3 0,7
Бурении скважин диаметром 1000 -1200 мм, (ТПУ), l - 300 мм, промывка дизельным топливом, район Байкало-Амурской магистрали (Восточная Сибирь) вечномерзлый грунт 0.75 - 1,0
Опытно-экпериментальными работами показана возможность достижения более высокой скорости бурения, чем на традиционно используемых установках. Скорости бурения скважин большого диаметра в крепких горных породах, которые получены при испытаниях ЭИ-установок, соответствуют лучшим мировым показателям проходки. Для взрывных скважин эти показатели достигаются при частоте следования импульсов не менее 10-20 в секунду. В отдельных опытах пропорциональная зависимость скорости бурения от частоты следования импульсов прослежена в интервале до 25 импульсов в секунду (ес-тест-венно, при сохранении оптимальных условий промывки).
Обосновано парадоксальное с позиций практики традиционных способов проходки выработок положение о тенденции роста механической скорости бурения с ростом диаметра скважины, обусловленное возможностью повысить плотность энергии на единицу площади забоя. Действительно,
увеличение диаметра скважины позволяет повысить разрядные промежутки в конструкции породоразрушающего устройства и за счет роста производительности единичного импульса (естественно, при соответствующем увеличении подводимой электрической мощности) достичь повышения удельной скорости бурения. Секционирование породоразрушающего инструмента с подключением секций к отдельным источникам импульсов дает дополнительную возможность практически пропорционально числу секций увеличить подводимую к забою энергию и соответственно скорость бурения.
Резание и поверхностная обработка массива и блоков. Исследования показали возможность создания специфичных технических средств для использования ЭИ-способа в технологических процессах резания и поверхностной обработки массива и блоков. Это относится к таким процессам, как:
• вырезка и обработка природного камня, в том числе художественная обработка камня;
• зачистка скальных оснований под сооружения, в том числе в особо сложных условиях, например, под водой или в городской черте; проходка отрезных щелей в выработках различного назначения с целью ограничения воздействия на массив взрывной отбойки. Это включает и вырезку блоков породы из массива без применение взрывной отбойки.
Технология обработки поверхности негабаритных блоков природного камня с целью подготовки для механического распиливания испытана в производственных условиях на Мончегорском карьере Мурманской области [5]. Скорость обработки составила 1,2 м2/ч на блоках мелкозернистого гранита, 1,6 м2/ч - крупнозернистого гранита и 0,9 м2/ч - габбро (при частоте импульсов - 5 в секунду и энергия разряда 1.5 кДж). Энергозатра
ты соответственно составили 4,5; 3,3 и 6,0 кВт/ч/м2.
Дезинтеграция руд горных пород и отходов производства.
В различных технологических процессах ЭИ-дезинтегра-ция может применяться с целью снижения энергосбережения измельчения материалов или достижения новых технологических качеств продуктов дезинтеграции.
Важнейшей особенностью ЭИ-дезинтеграции, главным образом определяющей эффективность ее использования в технологии переработки минерального сырья, является высокая селективность разрушения руд, проявляющаяся в лучшем раскрытии зерен полезных минералов при меньшем их ошламовании. Селективное раскрытие зерен минералов обусловлено эффектами избирательного электрического пробоя компонентов руды и разупрочнением границ контакта зерен минералов друг с другом при воздействии на систему высокоинтенсивной волны давления. Более высокая степень раскрытия зерен полезных минералов по сравнению с традиционными способами обеспечивает на последующих после ЭИ-дезинтегра-ции стадиях обогащения руд лучший технологический эффект, в том числе существенное повышение извлечения и улучшение качества концентратов. Особенно перспективен ЭИ-способ для переработки руд, содержащих драгоценные и полудрагоценные камни, пьезооптическое сырье, слюды, где обеспечивается высокой сохранность кристаллов от разрушения. Разработаны и испытаны ряд установок, в том числе, 4-х стадиальная установка для переработки сырья, содержащего драгоценные камни, установка для выделения слюды
из вмещающих пород, установка для разделки слитков искусственной слюды и др. [4,5]. Созданы компактные установки с целью геологических исследований минерального сырья и получения высокочистых мономине-ральных фракций. В отличие от бурения при ЭИ-дезинтеграции руд в области грубого измельчения не удалось добиться ощутимого снижения энергетических затрат. Отчасти это связано с тем, что при ЭИ-дезинтеграции в устройствах схематически показаных на рис. 3,а и 3,б имеют место потери энергии в жидкостных прослойках между частицами. Достоверные данные специальных исследований этого вопроса относятся к области Q = 1-50 см-2, для которой энергоемкость составила 0.4-0.05 Дж/см2, что сопоставимо с традиционным механическим измельчением. При дроблении материалов по схеме, приведенной на рис 3,в и 3,г выигрыш в энергетических затратах вполне заметен. Возможности снижения энергетических затрат при ЭИ дезинтеграции далеко не исчерпаны и связаны с возможностью повышения кпд передачи энергии в разрядном контуре от накопителя в канал разряда. В существующих схемах генерирования импульсов к.п.д. не превышает 0,350,4; при использовании специальных схем и приемов можно ожидать повышения в 1,5 -2 раза.
ЭИ-технологии открывают дополнительные возможности для решения экологических проблем за счет повышения комплексности использования минерального сырья и отходов производства. Примером реализации этих возможностей является утилизации некондиционных железобетонных изделий (разработка ТПУ). Объектом разрушения служат не-
Рис. 3. Принципиальные схемы электроимпульсной дезинтеграции материалов, разрушения блоков и слитков
кондиционные железобетонные изделия - брак производства или выбывающие из эксплуатации панели. Целью их разрушения является утилизация арматурного металла и бетона. Показано, что состояние арматуры после извлечения позволяет ее повторно использовать по прямому назначению. Бетон после дополнительного измельчения также может использоваться в различных целях, например, как компонент для дорожных покрытий. С таким же успехом могут быть реализованы процессы утилизации опор ЛЭП и различных электротехнических
изоляционных изделий.
Заключение
Работающая электрическая искра позволяет создавать различные инновации в горном деле и реализовать экологически чистые рациональные технологии переработки минерального сырья, отходов производства. Большой объем научно-
исследовательских и проектноконструкторских работ успешно апробирован в опытно-промышленном масштабе. Отдельные процессы могут быть реализованы в производстве уже при существующем уровне разработки техники. Для обеспечения возможности реализации разработок в промышленном масштабе при переработке руд и для бурения скважин необходимо создание специализированного электротехнического оборудования и, прежде всего, импульсных конденсаторов с повышенным ресурсом работы и частотой следования импульсов. В первом приближении критерий экономической целесообразности применимости ЭИ-технологий может быть сведен к ресурсной характеристике импульсных конденсаторов следующим образом: дезинтеграция некоторых руд и материалов оправдывается при ресурсе работы конденсаторов порядка 109 циклов «заряд-раряд»; бурение крепких скальных пород, селективное измельчение и разупрочнение крупновкрапленных руд с высокой стоимостью полезных компанентов (драгоценные камни, слюда) - при
Л®1
ресурсе в 10 циклов; для специальных целях при ограниченных объемах переработки (геологические пробы, специальные материалы) -при ресурсе 107 циклов. (При частоте следования 20 имп/с это соответствует порядка 1500, 150 и 15 часов непрерывной работы). Возможность
создания конденсаторов с ресурсом в 108 циклов подтверждается опытом их изготовления Санкт-Петербургским и Харьковским политехническими университетами для специальных установок, опытом Серпуховского филиала НПО "Конденсатор", изготовившим по техни-
ческим условиям КНЦ РАН партию конденсаторов ИМ-50-0.2, которая успешно опробована и продолжает использоваться в лабораторных и полупромышленных установках КНЦ и ТПУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев А.А., Воробьев ГА., Завадовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. - Томск: Изд-во ТГУ, 1971, 225 с.
2. Основы электроимпульсной дезинтеграции и перспективы ее применения в промышленности / И.И. Каляцкий, В.И. Курец, В.А. Цукерман, Г.А. Финкельштейн // Обогащение руд. 1980. N 1. С.6-11.
3. УсовА.Ф., СемкинБ.В., ЗиновьевН.Т. Переходные
(электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии. - Ленинград: Наука ЛО, 1987, 189 с.
4. Симпозиум по электроимпульсной дезинтеграции материалов (26-28 августа 1988 г., институт «Механобр», г. Ленинград) // Обогащение руд. 1989. №4. С. 33-46.
5. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульс-ного разрушения материалов.- С.-Пб.: Наука, Апатиты: КНЦ, 1995, 276 с.
ш
У сов Анатолий ФФедорович начальник научно-орі анизационної о отдела Кольского научного центра РАН.
Цукерман Вячеслав Александрович — зав. отделом промышленной и инновационной политики Института экономических проблем Кольского научного центра РАН.
____________________________________________________________/
