CC BY
32
----------------------------------- © М.Г. Мечжулин, Н.К. Соколова,
А.Н. Шишов, 2004
УДК 622.73
М.Г. Мечжулин, Н.К. Соколова, А.Н. Шишов
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ДРОБЛЕНИИ НЕГАБАРИТА НА ГРАНИТНЫХ КАРЬЕРАХ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ*
Семинар №2
Увеличение потребления природного камня Северо-Западным регионом России и особенно крупнейшим мегаполисом Санкт-Петербургом остро ставит вопрос об использовании местных природных строительных материалов. В связи с этим, в строительной индустрии стали шире использовать изделия из гранита. Это привело к расширению разработки гранитных месторождений, что, в свою очередь, потребовало совершенствования способов их добычи и переработки.
В настоящее время на карьерах Ленинградской области разрушение пород осуществляется в основном взрывным и механическим способами, особенности которых не позволяют создать экологически чистые технологии. Одним из сдерживающих факторов существующей технологии добычи и переработки гранита является необходимость вторичного дробления негабарита, поэтому важной задачей при отработке месторождения является создание безвзрывной технологии разрушения.
Перспективным направлением безвзрывной технологии разрушения скальных горных пород является применение нетрадиционных электротермомеханических технологий с использованием электромагнитных полей ВЧ/СВЧ-диапазонов, которые способны влиять на физико-механи-ческое состояние породы. Это позволяет использовать нетрадиционные технологии на различных цикутах их добычи и переработки: снижения прочности породы с последующей механической отработкой; дроблении негабарита, селективной дезинтеграции минералов и др. Несмотря на то что к настоящему времени накоплены обширные экспериментальные данные по эффективности применения электромагнитных полей, разработаны и действуют опытные образцы установок, даль-
нейшее развитие методов разупрочнения и разрушения скальных горных пород с помощью ВЧ/СВЧ-полей ограничивается недостаточной изученностью происходящих при этом физических процессов микро- и макроразрушения. Знание закономерностей их развития необходимо для обеспечения требуемого технологического режима электромагнитного воздействия и повышения эффективности разупрочнения и разрушение скальной породы при выделении чистых минералов, дроблении негабарита и направленном расколе блоков. Поэтому оценка развития наведенной концентрации микротрещин и обусловленного ей изменения прочности породы является актуальной научно-технической задачей.
Целью исследований является повышение эффективности разупрочнения и разрушения скальных горных пород при добыче и переработке минерального сырья путем предварительного электромагнитного воздействия и обусловленного им развития микро- и макротрещиноватости. Управление этими процессами обеспечивается регулированием процессами развития микро- и макротрещиноватости путем выбора эффективных технологических стадий электромагнитного воздействия.
Основные задачи работы: исследование кинетики формирования наведенной трещиноватости при электромагнитном нагреве; определение зависимости прочности кварцсодержащих горных пород от уровня наведенной микротрещиноватости и термокинетических параметров при электромагнитном нагреве; обоснование механизма развития макротрещин при объемном ВЧ-нагреве; управление развитием микро- и макротрещиноватости скальных горных пород и формирование зон разупрочнения путем выбора систем ввода электромагнитной
*Работа выполнена при поддержке РФФИ: грант 01-05-64893
энергии в породу и изменения структуры электромагнитного поля. Основные результаты исследований.
1. Изменение прочности кварцсодержащих горных пород при электромагнитном воздействии обусловлена динамикой развития наведенной концентрации микротрещин и термокинетических параметров среды в условиях объемного нагрева.
Применение ВЧ/СВЧ-нагрева для интенсификации различных горно-технологи-ческих процессов рассмотрено в работах A.B. Варзина, A.B. Нетушила, А.П. Образцова, Г.Я. Новика, Ю.И. Протасова, В.В. Ржевского, В.Б. Добре-цова, Ю.М. Мисника, Ю.Н. Захарова, В.В. Дол-го-лаптева, М.Г. Зильбергшмидта, Ю.И. Зеце-ра, Л.Б. Некрасова, О.Б. Шонина, Н.И. Рябеца, РТО Килькеева, Л.Э. Рикенглаза, С.С. Крас-новского, В.А. Хоминского и др.
Ввиду отличных свойств минеральных компонентов породы наблюдается разница в температурах и коэффициентах термического расширения, возникают существенно различные по параметрам напряженные состояния, что усугубляется наличием структурной неоднородности и естественной трещиноватости, приводящим к появлению концентраций напряжений и развитию наведенной микротрещиноватости.
В соответствии с кинетической теорией прочности концентрация наведенной трещиноватости приводит к изменению термокинетических параметров и изменению предела прочности породы. Основой научных исследований явились работы ведущих специалистов и ученых в области кинетической теории прочности: С.Н. Журкова, А.П. Дмитриева, С.А. Гончарова, B.C. Куксенко, В.А. Петрова, В.И. Веттег-реня, М.Г. Менжулина и др.
Термокинетические параметры в зависимости от концентрации трещин изменяются в соответствии с выражениями Uo=Uoo(N*-n1)3/(N*-
no)3,Y=Yoo(N*-ni)2/(N*-no)2
где Uo, у — параметры среды при наведенной концентрации трещин n1, Uoo, yoo — параметры для естественной среды; N* — концентрация микротрещин, обеспечивающая разрушение; (N*-n1) — количество микротрещин в единице объема, которые должны быть дополнительно созданы в процессе воздействия электромагнитного поля для обеспечения разрушения. Тогда предел прочности с учетом микротрещиноватости определяется по формуле [1]:
ст*= иоо//оо ((N *- п1)/(Ы *- п0)) х (1)
х[1 - КТ/иоо ((№*-по )/(№*-п1))31п(т/то)] ( )
Известно, что при нагружении скальной породы имеет место определенная последовательность процессов зарождения, роста и слияния микротрещин. Вначале происходит накопление мелких трещин до их некоторой критической концентрации п.* в единице объема, после чего начинается попарное или множественное слияние с образованием укрупненных трещин. Количество трещин некоторого размера 1;, в единице объема определяется как Ы*= п* = 1/к3/,3,
где к — концентрационный параметр слияния трещин. Следовательно, для оценки прочности породы необходимо знание термокинетических параметров среды, концентрационного критерия микротрещин и их влияние на процесс разупрочнения. Оценка уровня наведенной микротрещиноватости осуществляется оптическим методом. Анализ расчета прочности гранита на основе исследования наведенной концентрации микротрещин при конвекционном нагреве показал правомерность использования формулы (1) при СВЧ-иагреве. Предварительно определяется естественная трещиноватость гранитного блока. С этой целью из керна диаметром 40 мм были изготовлены дисковые образцы толщиной 4 мм. Они же служат образцами при исследовании диэлектрических свойств гранитов рапакиви в ВЧ-диапазоне. Количество всех трещин на площади Б2 составит; п, = N + #2 = ЕАп0_1 • к + Е Ап1_15 , где Е п0_1 ■ к — суммарное количество трещин первого интервала от 0 до 1 мм на площади Бь измеренных с шагом 0,1 мм, приведенное с помощью поправочного коэффициента (к = 56) к общей исследуемой площади Б2; ЕАп1_15 — суммарное количество трещин второго интервала от 1 до 15 мм с шагом 1 мм на всей исследуемой площади. Результаты исследования микротрещиноватости в породе до и после нагрева приводятся на графиках, где по оси абсцисс откладывается длина трещин, по оси ординат ---- значения F = ^Т" ■ к ?ср / п, где ДП;
— количество трещин для данного шага длин; Д112 — шаг длины трещин: для 1-го интервала Д1^ = 0,1 мм, для 2-го интервала Д12 = 1 мм; к — поправочный коэффициент по площади: к! = 56, к2 = 1; п — общее количество трещин на площади Б, 1сср — средняя длина шага данного
Та®л Стт яца№ 1 >ии разупрочнения грант ш при СВЧ-нагреве 1 1Л7 Ь-
Ст^ щя т, К Стр; ктура трещиодовато-1 стр -,.3/2 Г Пу—П (К-По)/(К-пи) ;сж, МПа 1 433 К фраст! МПа
0 05 1 м 2 екэ 3 4 »2 373 373-500 500-558 558-640 >640 Части ЩИН I М4: ЭДге і іное закрытие тре-упрочжние породы ертовие трещины рорание субблоков й&&мнкротрещин иды трещин 0,13 а. 2,8-1,57 04 1,3-1,5 о5 1,5 05 1,5-1,7 " 2,4 1.2-4,3 4.3-1,3 1,3 9 19 1І 1 1 1 0--110 0-112 2 \ 2-82 /Г 30 26-13 12-12,4 «12 “12-7
01 13, о:1 ■г 5 -20 -13 -10 -5 5 0 0.5 10 Ы „ к V ' ''У\ '
Рис. 1. Распределение трещин по поверхности гранита при СВЧ-нагреве: —Т = 293 К; — Тн
интервала длин трещин.
Исследования микротрещиноватости при СВЧ-нагреве выполнялись с помощью установки частотой 2375 МГц с выходной мощностью 2,0 кВт. В результате СВЧ-воздействия на образец, установленный в поле стоячей волны 8 = 45 Вт/см2 обеспечивалась плотность тепловых источников д = 2,5 Вт/см2.
Объектом исследования явились кварцсодержащие горные породы — характерные типы гранитов Ленинградской области: 1 — серый гранит, имеет минералы с широким спектром размеров от 0,4 до 4,5 мм. В его составе содержатся: кварц — 30 %, калиевый полевой шпат ~ 50 %, плагиоклаз — 10 % и биотит — 10 %. На основании распределения наведенной концентрации микротрещин по размерам при СВЧ-нагреве (рис. 1) определяются концентрационный параметр слияния трещин к'(Т) и критическая концентрация разрушения ЭД*(Т).
Получены зависимости снижения прочности гранита от наведенной микротрещинова-тоети при СВЧ-нагреве (рис. 2). Как видно из графиков, предел прочности имеет характерные участки:
1. — при низкотемпературном нагреве до
— =373 К наблюдается характерный участок упрочнения гранита в результате частичного закрытия дефектов строения;
2. — снижение прочности гранита в интервале температур от 373 до 499 К происходит за счет зарождения точечных дефектов, роста и слияния более мелких трещин и перераспределения их к границам зерен;
3. — значительное снижение прочности гранита в интервале температур от 499 до 558 К связано с разделением зерен на блоки с ма-
лой областью концентрации микротрещин в результате их слияния, развиваются две укрупненные микротрещины;
4. — при температуре 558 К происходит разрушение — раскол образца гранита за счет развития двух макротрещин;
5. — в области температур 558^640 К происходит развитие всех видов микротрещиноватости.
На основании температурных характеристик микроструктурных параметров, наведенной концентрации микротрещин и изменения прочности породы при СВЧ-нагреве выделены основные стадии разупрочнения, представленные в табл. 1.
Выбрав соответствующую стадию и режимом СВЧ-нагрева можно повысить эффектив-
Рис. 2. Зависимости пределов прочности гранита от температуры и концентрации наведенных микротрещин: 1 — стсж; II — араст. ст МПа
0 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 (Ы-п0)/(Ы-п1)
151
ность разупрочнения породы.
2. Прогноз развития наведенной трещиноватости при дроблении негабарита и направленном расколе блоков системой ВЧ-электродов может быть выполнен на основе расчета температурных полей, полей термоупругих напряжений, использования уравнений кинетики трещинообра-зования.
При воздействии ВЧ-электромагнитных полей на горные породы можно выделить следующие основные процессы: поглощение породой ВЧ-энергии и формирование источников тепла; нагрев горной породы и развитие в ней термоупругих напряжений; формирование и развитие трещиноватости; разупрочнение и разрушение породы.
Оценка развития макротрещин в блоке горной породы системой двух стержневых ВЧ-электродов, расположенных в шпурах, применительно к отбойке и дроблению негабарита выполнена на основе расчета полей температур и термоупругих напряжений и динамики развития магистральных трещин.
Процесс нагрева блока горной породы внутренними источниками тепла, возникающие при поглощении породой энергии электрического поля описывается уравнением нестационарной теплопроводности с граничными условиями отсутствия теплообмена на границе блока.
Согласно полученным распределениям поля температур и термоупругих напряжений (рис. 3-4) найдены точки на боковой поверхности блока, где достигаются максимальные растягивающие напряжения, которые лежат на уровне основания электрода. Когда предел прочности на растяжение достигнет значения предела прочности разрушения, появляется трещина, идущая от боковой поверхности блока вглубь, которая приводит к изменению картины поля напряжений в блоке за счет разгрузки на образующую поверхность. Второй максимум растягивающих напряжений наблюдается в верхней части блока, где предполагается развитие от-кольной трещины. Механизм развития макротрещин при электромагнитном нагреве определяется зарождением, накоплением и слиянием микротрещин и последующим их прорастанием за счет концентрации напряжений в вершине развивающей макротрещины.
Расчеты проводились для следующих значений прочностных и термокинетических параметров породы:
[стсж]=120 Мпа, [араст]=10 Мпа, П|=105 Дж/моль,
у=9,375-10-3м3/моль, у=0,3, Т=300 К. Шпуры радиусом К.шп=21 мм располагались на расстоянии d=10 Ящп перпендикулярно расчетной плоскости. Три рассмотренных варианта распределения напряжений сту и геометрия задачи прорастания магистральных трещин приведены на рис. 5.
В случае нагрузки с распределением напряжений по ограниченной расстоянием х = =2,25 Ящр происходит зарождение, накопление и слияние микротрещин и трещин первого уровня. В результате образуются трещины второго уровня с характерным размером Ь2 = 5,25 мм, равным размеру счетной ячейки. Тем самым достигается разрушение породы в ячейках указанной области. Размер этой области соответствует уровню напряжений, равному пределу прочности на растяжение. В более удаленных ячейках, где нагрузка падает ниже предела прочности на растяжение, скорость разрушения механизмом роста концентрации микротрещин падает и происходит механизмом прорастания магистральной трещины. В случае нагрузки с распределением напряжений по кривой 2, рис. 5, характер разрушения сохраняется.
Поскольку нагружающие напряжения ниже, чем в первом случае, уменьшается размер области, разрушаемой механизмом роста концентрации микротрещин, и увеличивается роль механизма магистральной трещины. В этих случаях магистральная трещина прорастает до плоскости симметрии, что обеспечивает раз-
Рис. 3. Поле температуры при 1=30 с:
1-14 = 170 о0;
2-12 = 140 о0;
3-13 = 120 о0;
4-14 = 100 о0;
5-15 = 90 о0; 6-1б= 80 0С
Рис. 4. Поле
максимального главного напряжения при
{=30 с, г=0: -1-СТ1 = 28 МПа; 0-СТ1 = 0; 1-ст1 = 28 МПа; 2-СТ1 = 55 МПа; 3-Ст1= 110 МПа.
Рис. 6. Схема проведения замеров и распределение температуры после раскола блока с помощью ВЧ-системы
««.. Л2-Ж>,/2-12.5 с
рушение породы между двумя шпурами с образованием магистральной трещины между ними.
Механизм разрушения ростом концентрации микротрещин обеспечивает разрушение породы вплоть до областей, в которых величина максимальных растягивающих напряжений становится равной а « 0,7[страст] а, механизм роста магистральной трещины до уровня напряжений а « 0,15[страстто есть в областях, не отвечающих критерию максимальных растягивающих напряжений.
Нагрузка с распределением напряжений по кривой 3, отличается тем, что при х = =2,75Кпш напряжения становятся сжимающими. В этом случае разрушение вплоть до уровня нагрузок а « 0,7[страст] сохраняет все указанные выше закономерности. Включающийся затем механизм роста магистральной трещины обеспечивает ее прорастание только лишь до границы области растягивающих напряжений, то есть до области, где разрушения области сжимающих напряжений не происходит. Отсюда следует, что границу области растягивающих напряжений можно трактовать как границу области, за которую разрушение, начавшееся в области больших растягивающих напряжений, проникнуть не может.
Развитие магистральных трещин в полях растягивающих термических напряжений при ВЧ/СВЧ-нагреве определяется зарождением, накоплением и слиянием микротрещин при напряжениях, превышающих величину порядка 0,71~&р ] от прочности на растяжение, и последующим прорастанием возникшей макротре-
щины в область с более низкими растягивающими напряжениями 0,7[ст ]>а> 0,15[ар] за
счет механизма концентрации напряжений в вершине развивающейся магистральной трещины.
3. Эффективность разупрочнения и разрушения скальных горных пород достигается на основе выбора температурного режима и системы ввода электромагнитной энергии в породу, формирования локальные зон нагрева и зон термоупругих напряжений в зависимости от решаемой технологической задачи.
Эффективность применения ВЧ/СВЧ-
энергии определяется способностью породы поглощать электромагнитную энергию. Удельная мощность Руд, определяется известным выражением Руд = 2% (е'^8|Е | 2 , где е' — абсолютная диэлектрическая проницаемость; ^8 — тангенс угла диэлектрических потерь; Г — частота; Е — напряженность электрического поля.
При электромагнитном воздействии на скальные горные породы важную роль в процессе их нагрева и формирования поля температурных напряжений играют изменяющиеся электрофизические свойства породы. В связи с этим исследованы зависимости диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь ^8 различных типов гранитов Ленинградской
области, которые показали, что граниты обладают достаточно высокой поглощающей способностью е' = 6,1 ^4,7, ^8 = 0,09^0,03. Величина е' гранитов медленно уменьшается с частотой в то время как ^8 в диапазоне частот от
1,76 до 30 МГц уменьшается примерно в 3 раза. Для серого гранита е' = 4,9 и tgS = 0,018 на частоте 2,4 ГГц. Полученные данные позволяют произвести оценку введенной в породу энергии, зоны эффективного воздействия электромагнитного поля на скальную породу и на основании этого выбрать режим ВЧ/СВЧ-нагрева, соответствующий заданной технологии разупрочнения и разрушения.
Исследования ВЧ-контактного способа разрушения негабарита и возможности его эффективного использования при отбойке и направленном расколе блоков проводились совместно ИГД им. A.A. Скочинского и СПбГГИ в Выборгском районе Ленинградской области месторождение «Рапакиви» Задачи эксперимента состояли в изучении качественной картины локального разрушения скальных горных пород в окрестности электродов и разрушения негабарита макротрещинами при различных схемах ввода энергии ВЧ-контактным способом и дополнялись измерениями микротрещиноватости образцов, взятых из различных точек зоны разрушения, и измерениями распределения температуры породы. Исследования проводились с использованием ВЧ-генератора, мощностью 60 кВт частотой 5,28 МГц. Параметры генератора: U = 9 кВ, Ia= 8А, U3 = 9,7 кВ.
Исследование температурного поля в породе имеет своими целями изучение вопросов, связанных с поглощением ВЧ- энергии в породе, а также с нагревом породы и ее разупрочнением микротрещиноватостью. Разработанная в ИГД многоэлектродная система состоит из трех рядов концентрически расположенных стержневых электродов 0 8 мм. На внутренней окружности 0 50 мм расположено 5 электродов, по окружности диаметром 100 мм — 7 электродов и по окружности 0 200 мм — 9 электродов.
На рис. 6. представлена схема проведения замеров температуры на блоке 1 объемом V1 = 1,28x1,31x0,69 = 1,16м3 после его раскола с помощью многоэлектродной системы, которые проводились в вертикальной плоскости раскола начиная от свободной поверхности блока вдоль вертикальной линии, совпадающей с осью элек-
тродной системы Яэд =0, и вдоль линии, смещенной от оси электрода на расстояние ^„/2=12,5 см, составляющее половину внешнего радиуса электродной системы (зоны нагрева на поверхности), с шагом 2 см. Из-за необходимости обнажения поверхности раскола (сдвига расчлененных блоков) измерения на оси электродной системы (11 = Яэль = 0) проводились после выключения генератора, по линии 12 = И^л/2 = 12,5 см — через 5-7 мин. после проведения измерений по линии 11 = 0. Очевидно, столь значительные времена температурного последствия определенным образом повлияли на регистрируемое поле температур. На поверхности раскола в зоне плавления породы у электрода была зафиксирована температура ~ 1373 К.
Результаты выполненных измерений приведены на рис. 6, где цифрами 1 и 1* обозначены соответствующие графики распределения температур по линии 1! = Яэл = 0 и 12 = И^л/2 = 12,5 см, полученные на блоке 1 (V! = 1,28x1,31x0,69 = 1,16 м3). Общее время нагрева составило ~15 мин. Кривая 2 соответствует распределению температур по линии 1! = 0, полученному на блоке 2 меньших размеров ^2 =
4,3 V! = =0,9х0,6х0,5 = 0,27 м3) при ВЧ-нагреве в течение 10 мин. По мере удаления от поверхности нагрева температура спадает достаточно быстро, так, для всех опытов на глубине 0,29 м она составляет 383 К. Температура по линии 12 = 12,5 см (кривая 1) на некотором удалении от дневной поверхности (более 6 см) начинает превышать температуры при 1!= Кэл = 0 Результаты измерений представлены в табл. 2.
Изучение характера микротрещиноватости в породе при ВЧ-нагреве было проведено на образцах, отколотых при разрушении блока
Рис. 7. Распределение концентрации микротрещин по размерам в зоне нагрева блока 1 системой электродов:
1 — ненагруженная порода Т = 293 К; 2 — в точке АТ = 973 К; 3 — вточке ВТ = 1153 К породы. В этом случае под электродной систе-
Таблица 2
Блок № Оъбем V, м3 Время t, мин Расстояние L, см Темпе
5 см
1 1,16 15 Li—R3a—0 1203
1 1,16 15 Ь2=Яэл/2=12,5 1053
2 0.,27 10 L1 —К-эл— 773
Точка Расстояние Ь, см Температура Тн, К п* тт -2 Д, мм К=Ь2/Ь1 ^1/К3Ь3
— — 293 700 3,11 2,2 751,88
А 0 843 548 2,32 3 10,98
В 12,5 1153 371 371 3 2,27
мой порода была разрушена субгоризонталь-ными закольными трещинами на три слоя. Толщина слоев составила: первого (выветренного) слоя — (1,1^1,8) см, второго — (1,7^2,5) см. Отслоенные куски породы представляли собой пластины примерно круглой формы (диаметром 18-20 см) с максимальной толщиной по центру электродной системы. Из третьего слоя гранита, находившегося на расстоянии 5-10 см от верхней свободной поверхности блока, изготовлены образцы для определения трещиноватости породы после ВЧ-нагрева. Образцы были взяты из точки А, расположенной на оси электродной системы 1! = Кэл = 0 (рис. 6), при температуре ВЧ-нагрева Тн = 873К, и из точки В, смещенной от оси электронной системы на 12 = К,л/2 = 12,5 см, при температуре ВЧ-нагрева Тн = 1153 К.
Распределения трещин по поверхности ра-пакиви представлены на рис. 7. Для естественной породы (Т = 293 К) с увеличением длины микротрещин концентрация их заметно уменьшается (график 1) как в интервале Ь = (0^1) мм, так и в интервале Ь2 = =(1^15) мм: если концентрация трещин размером 0,05 мм составляет По,05 = 248, то для трещин с длиной 0,95 мм эта величина п095 = 34.
В целом спад концентрации трещин при увеличении их длины представляется монотонным, однако имеются максимумы п0 45 = =45 и п0,95 = 33,75. Суммарная концентрация трещин естественных образцов исследуемых гранитов определяется трещинами малого размера Ь = (0^1) мм. Общая концентрация наведенных микротрещин равна п = 700, где основную долю составляют микротрещины первого диапазона п0.1 = =675. Д = 3,11 мм'2. После ВЧ-нагрева характер распределения трещин по длине заметно изменяется, особенно для трещин с длиной Ь1 = (0^1) мм.
В области «малых» трещин из этого диапазона возникают характерные устойчивые максимумы концентраций трещин, соответствующие для кривых 2 и 3 длинам трещин, равным 0,15 мм и 0,25 мм. При этом заметно снижается количество совсем «малых» трещин в этом диапазоне. Количество относительно больших трещин в этом диапазоне возрастает. В первом
диапазоне Ь = (0^1) мм наблюдается достаточно заметный рост трещин с длиной порядка
0,1 мм и более на фоне заметного уменьшения количества мелких трещин длиной менее 0,1 мм. Очевидно, что увеличение концентрации трещин с размером более (0,1^0,15) мм связано с ростом и слиянием трещин длиной Ь < (0,1^0,15) мм. Однако при этом не происходит столь же заметного образования и роста малых трещин порядка 0,05 мм и менее.
Для второго интервала длин трещин Ь2 = (1^15) мм наблюдается преимущественный рост концентрации трещин с длиной 1,0^3,5 мм. Концентрация трещин длиной 7,5^15,0 мм практически не изменяется. Суммарное количество трещин у образцов, взятых с плоскости раскола блока по оси электродной системы в окрестностях точки А составляет П = Е+ Е А«,2 = 548, а Д5 = =2,32 мм-2 меньше, чем для естественных образцов на 25 %, в основном в результате слияния микротрещин с длиной, меньшей (0,1^0,15) мм. Для образцов, взятых из зоны В, максимальная концентрация трещин в диапазоне Ь = (0^1) мм смещается по сравнению с образцами, взятыми из зоны А, в сторону больших длин (0,15^3,5) мм, т.е. в зоне В при примерно той же температуре нагрева возникает система более крупных трещин. В окрестностях точки В концентрация трещин равна = 371, а количество трещин на единицу площади составляет 1,65 мм-2, что примерно на 50 % меньше, чем у ненагретых образцов, за счет укрупнения трещин
Рис. 8. Схема исследования микротрещиноватости
гранита в призлектродной зоне
длиной менее 0,25 мм и увеличения количества трещин длиной более (1,0^1,5) мм. Результаты исследования наведенной концентрации микротрещин в табл. 3.
Концентрация трещин в точке В меньше, чем в зоне точки А, а преобладающий размер трещин в зоне В больше, чем в зоне А. Наибольшее количество «длинных» трещин в зоне В косвенно свидетельствует о том, что наиболее благоприятные условия для микроразрушения возникают первоначально в этой области. Далее процесс разрушения развивается из области А в область под центром электрода,
приводя в конечном итоге к образованию укрупненной трещины и отделения от блока от-кольной линзы.
Результаты распределения микротрещино-ватоста в случае выкалывания «линзы» при разрушении негабарита одиночным стержневым электродом. Отделение «линзы» от породного блока при воздействии ВЧ-
электрического поля с параметрами иА = 9,0 кВ, 1А = 8А, Иэ = 9,5 кВ произошло за 130 с. «Линза» была распилена в вертикальной плоскости, проходящей через ось шпура, а затем в этой плоскости было определено распределение микротрещиноватости в трех точках А = 2,5ЯЗД, В = 4,5ЯЭЛ, С = 8,5ЯЭЛ, указанных на рис. 8.
Как видно из графика 1 (рис. 9) для образца
1, взятого из зоны ВЧ-нагрева на расстоянии Ь1 = 2,5КэЛ = 45 мм от электрода, наблюдаются максимумы относительной концентрации трещин при Р0,25 = 0,11, Р0>55= 0,13, Р0,65 = 0,16 и Р0,95 = 0,24. Суммарное количество трещин составляет п5 = пк1 + пк2= =370, Д8 = 1,64 мм-2 При визуальном исследовании четко видны три трещины, проходящие перпендикулярно трещинам спайности калиевого полевого шпата.
Для образца 2, взятого из зоны, удаленной от электрода на расстояние 112 = 4,5ЯЭЛ= =90 мм, характерны межзерновые трещины, которые проходят между минералами кварца, плагиоклаза и калиевого полевого шпата, характерными для края овойда, при этом на зернах калиевого полевого шпата нет трещин спайности. Распределение микротрещин для данного образца, представленное на графике 2, имеет три максимума относительной концентрации трещин, соответствующие величинам; Р025 = 0,089, Р2,5 = =0,11, Р5,5 = 0,53, Р8,5 = 0,64 и Р10,5 = 0,98. Общее количество трещин п8 = 113 — почти в три раза меньше, чем для образца 1,
взятого из точки А на расстоянии 1! = 1,25^, Д= 0,502 мм-2. Для гранита, взятого из точки С на расстоянии 4,5ЯэЛ, также характерно наличие межзерновых трещин. Микротрещины спайности калиевого полевого шпата наблюдаются лишь на отдельных зернах 10
На графике 3 представлено распределение относительной концентрации микротрещин для образца 3, взятого на расстоянии 13=8,5^=170 мм от электрода. Количество всех трещин составляет пк=514. Д8 = =2,2'&6 мм-2. Результаты исследований представлены в табл. 4.
Как показали исследования, при ВЧ-нагреве стержневым электродом происходит слияние более мелких трещин длиной 0,05^0,15 мм, образование трещин длиной 0,35 мм на расстоянии 4,5^ от электрода, а общее уменьшение количества микротрещин длиной до 1 мм составляет 10% по сравнению с естественной трещиноватостью данного массива гранита рапаки-ви. Происходит также увеличение общего количества трещин второго диапазона Ь2 = (1^15) мм более чем в четыре раза за счет резкого увеличения количества трещин длиной (1,0^2,0) мм и 5 мм. Прорастание трещин наблюдается от периферии к центру шпура, что приводит к образованию кольцевой закольной трещины.
Характерный график распределения микротрещиноватости в зависимости от расстояния до электрода, построенный по результатам подсчета микротрещин из зоны разрушения, представлен на рис. 6. Область, в которой высока концентрация микротрещин длиной менее 1 мм, простирается до расстояния 100 мм. За ее пределами концентрация мелких трещин падает, а крупных трещин длиной, более 1 мм, — растет.
Я, мм
ке В= 4,5КЗЛ; 3 — в точке С=8,5 Кэл
В окрестности контакта электрода с дном шпура располагается зона «1» расплава. К ней примыкает зона сплошного разрушения породы «2». Порода состоит из зерен с характерным размером 1ч-2 мм. Сцепления между зернами практически нет. Ширина этой зоны составляет 10^30 мм. К этой зоне примыкает зона раздробленной породы «3» шириной 10^20 мм. Характерный размер зерен составляет 3-ь5 мм. За пределами этой зоны располагается зона разрушения породы магистральными макротрещинами «4». В зоне «4» можно выделить область, в которой высока концентрация микротрещин с характерным размером 1^ <1мм (рис. 10). Эта область простирается до расстояний 80^0 мм. За ее пределами концентрация мелких трещин резко падает, а концентрация крупных трещин > 1 мм растет. Характер разрушения породы в зонах «1»^«4» одинаков во всех экспериментально исследованных случаях применения стержневых электродов. Характер разрушение породы макротрещинами, наблюдаемый в зоне «4», существенно зависит от размеров и формы блока, количества и расположения электродов относительно свободных поверхностей блока и друг друга.
Анализ характера ВЧ/СВЧ-разрушения породы возможен с привлечением результатов численного расчета электрических, тепловых полей, полей термоупругих напряжений и полей наведенной трещиноватости. Трудоемкость таких расчетов приводит к необходимости построения приближенных физических моделей для объяснения основных закономерностей разрушения пород с целью построения и отбора технологически перспективных вариантов состава и размещения объемных источников нагрева, их экспериментального исследования и теоретического расчета.
При нагреве блока с поверхности с помощью многоэлектродной системы, максимальные температуры реализуются на поверхности (если пренебречь теплообменом и смещением центра нагрева по оси расплава). Породная среда примыкающей к электродному блоку области, имея возможность расширяться вверх, ограничена в своем расширении вдоль свободной поверхности, что приводит к формированию ПОЛЯ сдвиговых напряжений, и, в итоге, к прорастанию кольцевой закольной трещины, имеющей сдвиговую природу. При ВЧ-нагреве дробления негабарита с помощью заглубленного электрода, сдвиговый характер кольцевой закольной трещины сохранятся, хотя в качестве активного объема термоклина выступает уже само внешнее по отношению к выкалываемой линзе полупространство, а поле напряжений имеет более сложный вид. Большое заглубление электрода приводит к уменьшению градиента температур в объеме породы и к соответствующему снижению сдвиговых напряжении в зоне возможного откола, в том числе, до значений ниже предела прочности на сдвиг.
С этих позиций находят свое объяснение причины успешной раскалывания «тонкого» блока. В этом случае расстояние от оси объемного термоклина до верхней и нижний свободных поверхностей, а также до торцевой поверхности было небольшим. Градиент температуры в этих направлениях был достаточным для обеспечения уровня растягивающих напряжений на этих поверхностях, превышающего предел прочности. Для «толстого» блока такие условия были реализованы только для торцевых и дневной поверхностей блока, что привело к частичному развитию магистральной трещины. Для ВЧ-электродов с рассмотренными параметрами нагрева расстояние от оси термоклина до свободной поверхности га*«30 см является предельным для развития магистральных трещин растяжения и при больших значениях этого расстояние га> га* с точки зрения развития магистральных трещин среда является бесконечно протяженной. Для электродного блока, обеспечивающего пятно нагрева большего размера и, следовательно, большего размера термоклин, предельное расстояние га* также больше, что подтверждается результатами опытов. Анализ результатов с позиций термокинетики развития трещинообразования и разрушения позволил найти объяснение выявленным экспериментально особенностям и предложить модель, позволяющую прогнозировать характер разрушения породы при различных конфигурациях ВЧ-электрических нагрузок. Во всех экспериментах
не наблюдалось «стреляния» Рис. 10. Зави-
породы, т.е. образования в про- сияешь ^ДС-
пределения ко-цессе разрушения частиц, обла- г ^ г г J ^ личестеа мик-
дающих заметной кинетической ротрещин от
энергией, а также практическое расстояния до
отсутствие взаимного смещения электрода: I-
фрагментов породы. Это свиде- 1тр<1 мм; 2-1ч>>
мм
тельствует о расходовании поступающей в породу энергии лишь на трещино-образование и нагрев.
Рассмотрен способ разрушения скальных пород, основанный на создании локальных зон нагрева и зон термоупругих напряжений, с помощью многомодовых систем ввода СВЧ-энергии в породу. Использование СВЧ-энергии для разрушения скальных пород обеспечивает эффективное решение технологической задачи, связанное с безвзрывной технологией дробления негабарита
на гранитных месторождениях. Сравнительный анализ взрывного, механического и электромагнитного способов дробления негабарита на карьере «Кузнечное» показал, что наиболее эффективным является вариант использования СВЧ-технологии разрушения с годовой производительностью 40 кВт.ч/м3. Показатели экономической эффективности от использования СВЧ-установки: чистый дисконтированный доход —
2,4 млн. руб., а индекс доходности — 4,22. Годовой экономический эффект составит 1,08 млн. руб. Помимо экономической эффективности СВЧ-технология дробления негабарита приводит к снижению негативного воздействия па окружающую природную среду и улучшает социально-экологическую обстановку в районе проведения горных работ.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Мечжулин М.Г., Соколова НК, Шишов А.Н. - СПГГИ им. Г. В. Плеханова (ТУ).
