Полувековой юбилей электроимпульсному способу разрушения материалов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.026.01

ПОЛУВЕКОВОЙ ЮБИЛЕЙ

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

А.Ф. Усов

Кольский научный центр РАН,

Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Аннотация

Изложены физические основы электроимпульсного способа разрушения материалов -формирование канала пробоя в твердом теле на импульсном напряжении в микросекундном диапазоне воздействия и закономерности его разрушения действием канала электрического разряда при выделении в нем энергии емкостного накопителя. Представлены результаты разработки техники и технологии электроимпульсного бурения скважин, резания горных пород в технологических процессах проходки щелей в массиве, разрезания блоков камня, зачистки поверхности массива и блоков и др., дезинтеграции руд и технических материалов.

Ключевые слова:

электроимпульсное разрушение, электрический пробой, канал разряда, бурение скважин, резание горных пород, дезинтеграция руд.

Введение. Принцип электроимпульсного разрушения

История исследований электроимпульсного способа разрушения материалов (ЭИ) перешагнула полувековой юбилей. Этот способ обоснован и экспериментально подтвержден группой томских ученых - А.А. Воробьевым, Г.А. Воробьевым и А.Т. Чепиковым. В 1999 г. способ зарегистрирован как научное открытие "Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения" с приоритетом от 14 декабря 1961 г.

1950-1960-е гг. были временем расцвета творческой мысли в вопросах использования энергии электрических разрядов для созидательных целей. Как справедливо отмечал А.А. Воробьев, корни научного интереса к этой проблематике в издревле наблюдавшихся явлениях разрушения естественных объектов природы (скальные выступы горных пород, деревья), строений (печные трубы) разрядами атмосферного электричества [1]. Важнейшей задачей развития научных исследований электротехники в XX веке стало обеспечение электрической прочности элементов изоляции электрических аппаратов, и это определило бурное развитие таких направлений электротехники и электрофизики, как техника высоких напряжений, физика электрического пробоя твердых и жидких диэлектриков. Наблюдение и изучение гидродинамических потоков при электрическом пробое жидкой изоляции подвело ученых к созданию электрогидравлического (по Л.Л. Юткину) способа деформирования и разрушения твердых материалов, эмульгирования и деэмульгирования жидких сред, возбуждения колебаний в жидкой среде для эхолокации в водоемах [2]. Наблюдение и изучение природы и характера разрушения твердых диэлектриков при их электрическом пробое подвело к обоснованию способа разрушения твердых тел импульсным электрическим пробоем [3, 4]. Электрический пробой твердого тела достигается использованием высокого импульсного напряжения, соответствующего по амплитуде электрической прочности породы. Однако, чтобы реализовать данный вариант способа, требуется создать особые условия для пробоя, которые бы гарантировали сквозной электрический пробой твердого тела и исключали возможность электрического разряда по поверхности твердого тела (разряда перекрытия). Требуемая для этого координация (обеспечение соотношения) пробивных напряжений сквозного пробоя породы и перекрытия по поверхности в простейшем случае достигается размещением электродов в предварительно выбуренные шпуры (рис. 1а) так, что путь перекрытия по поверхности 1п значительно больше разрядного промежутка в твердом теле Ь, 1п/Ь>>1.0. В слоистых породах, в породах с низкой электрической прочностью (сланцы, каменные угли)

указанное выше требование координации напряжений пробоя может быть обеспечено и без бурения шпуров, формированием ступенчатой формы забоя. В 1953 г. И.И. Каляцким (Томский политехнический институт) впервые был опробован способ отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжения Аркадьева - Маркса.

1

Рис. 1. Принципиальные схемы электроразрядных способов разрушения материалов: а - способ высоковольтного импульсного пробоя, б - способ электродинамического разрушения, в - способ высокочастотного контактного разрушения, г - электроимпульсный способ разрушения. 1 - накопитель энергии, источник импульсного напряжения (схемы а, г);

2 - коммутирующее устройство; 3 - источник электротеплового пробоя; 4, 5 - электроды;

6 - канал разряда, 7 - твердое тело, горная порода; 8 - жидкая среда

Благодаря малому импедансу разрядного контура электрический разряд при свойственных для электрического способа разрушения энергиях развивает значительную мощность и по эффекту действия на материал подобен взрывчатому веществу (энергия каждого разряда эквивалентна долям грамма тротила). Этого достаточно, чтобы отделять от массива или крупного блока порции материала объемом в несколько кубических дециметров, разрушать отдельные фрагменты материала крупностью до 200-300 мм.

Однако данному способу присущ принципиально важный недостаток - его недостаточная технологичность. Если рассматривать вариант с предварительным бурением шпуров, то затраты времени и энергии на бурение шпуров не компенсируются энергетическим выигрышем от использования электрических разрядов для разрушения породы. А если рассматривать случай со ступенчатым забоем, то в процессе разрушения массива от импульса к импульсу становится все сложнее сохранять ступенчатую форму забоя, обеспечивать автоматическое нахождение оптимального места установки электродов.

Поиски более эффективных решений привели к созданию нескольких самостоятельных способов электроразрядного разрушения горных пород, в которых по-иному решается проблема формирования разряда в твердом теле. В способе электродинамического разрушения [5] реализуется процесс электротеплового пробоя. На электроды подается высокое переменное напряжение, и за счет проводимости массив нагревается. За счет лучшего теплоотвода в сторону обнаженной поверхности массива температурное поле в нем формируется так, что столб наиболее нагретого материала располагается под поверхностью тела, и именно в нем формируется электротепловой пробой с последующим выделением в канале разряда энергии емкостного накопителя (рис 1б). Синхронизация работы источника переменного напряжения и разряда емкостного накопителя не представляет проблемы, например, с помощью тригатронного поджига разрядника. Электротепловой пробой реализуется при сравнительно невысоких пробивных градиентах. Пробивные промежутки при приемлемом уровне напряжения могут достигать нескольких дециметров, что обеспечивает высокую энергетическую эффективность электроразрядного разрушения. Технологическое применение данный способ нашел для отбойки калийных солей. Сравнительно невысокая механическая прочность солей на разрыв позволяет отбивать данным способом от массива большие куски.

Принцип электротеплового пробоя положен и в основу высокочастотного контактного способа, когда используется переменное напряжение высокой частоты. Последний способ развился вообще в самостоятельный способ разрушения без использования энергии электрического разряда. За счет быстрого нагрева массива полем высокой частоты в нем формируется тепловой клин,

способный создавать в массиве поле механических напряжений, достаточных для разрушения твердого тела [6].

В варианте способа, который получил название электроимпульсного разрушения материалов [7] (является предметом рассмотрения в данной статье), формирование канала электрического пробоя твердого тела и его последующее разрушение осуществляется от одного источника напряжения. При расположении электродов непосредственно на поверхности твердого тела, то есть при сопоставимости величин пути перекрытия по поверхности и разрядного промежутка при пробое твердого тела работает другой принцип координации пробивных напряжений сквозного пробоя и перекрытия по поверхности, а именно, основанный на зависимости пробивного напряжения от условий электрического нагружения объекта.

В традиционных условиях на постоянном и переменном напряжении, при значительной вариации электрической прочности различных диэлектриков наиболее общим случаем является тот, что электрическая прочность твердых диэлектриков выше прочности жидких диэлектриков и еще в большей степени газов. В этом случае разряд в промежутке между электродами, наложенными на подвергаемый разрушению массив с одной свободной поверхностью и даже на кусковой фрагмент породы, развивается по поверхности массива или кускового фрагмента породы с минимальным эффектом разрушения.

На импульсном напряжении зависимость электрической прочности диэлектрика от условий электрического нагружения (вольт-секундная характеристикой пробоя среды, В.С.Х.) является функцией скорости нарастания напряжения (крутизны фронта импульса) для косоугольных импульсов напряжениях или амплитуды напряжения для импульсов напряжения с коротким (наносекундным) фронтом и квазипостоянной амплитудой в пределах времени формирования пробоя, и общим является то, что при сокращении экспозиции импульсного напряжения (времени воздействия до завершения пробоя) электрическая прочность диэлектриков растет. Однако прочность твердых тел возрастает в меньшей степени, чем жидких сред и газов. В результате этого наступает инверсия соотношения электрических прочностей сред - в диапазоне времени воздействия менее 10-6с электрическая прочность горных пород становится ниже прочности диэлектрических жидкостей, а при экспозиции напряжения менее (1-2)-10- с ниже и прочности технической воды (рис. 2).

Рис. 2. Принцип электроимпульсного разрушения: а) сопоставление В. С.Х. различных сред, б) последовательность процессов пробоя и разрушения в системе с одной свободной поверхностью, в) последовательность процессов пробоя и

разрушения фрагментов материала

На рис. 2 схематично дано сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя в одинаковом разрядном промежутке твердого тела (горной породы) и жидкой среды. Точка пересечения вольт-секундных характеристик (критериальная крутизна фронта импульса

напряжения Лк для пробоя на косоугольной волне напряжения) соответствует равенству прочностей и вероятностей электрического пробоя сравниваемых сред. В области инверсии прочностей (на диаграмме в области левее Лк) при подаче импульса напряжения на электроды, установленные на поверхности твердого тела, электрический разряд формируется уже непосредственно в твердом теле и разрушает его. Принципиальные схемы технологических применений электроимпульсного разрушения твердых тел представлены на рис. 3. Они включают бурение скважин, резание горных пород, дезинтеграцию руд, утилизацию некондиционных железобетонных изделий.

а 6 6 е

Рис. 3. Принципиальные схемы технологических применений электроимпульсного разрушения твердых

тел:

а - бурение; б - резание; в - дробление; г - разрушение ЖБИ; 1 - высоковольтный электрод;

2 - заземленный электрод; 3 - разрушаемая порода; 4 - искровой канал;

5 - источник импульсного напряжения

В первоначальном предложении импульсного высоковольтного разрушения был и вариант, напрямую заимствованный из природного феномена разрушения объектов грозовыми разрядами, когда система генерирования и подвода к разрушаемому объекту импульсного напряжения не имеет второго электрода, его функцию исполняет электропроводящая породная масса в недрах Земли [1]. Предполагалось, что этот вариант найдет применение при бурении глубоких скважин. Чтобы обеспечить энергетическую эффективность процесса, необходимо, чтобы основная доля энергии выделялась в искровых разрядах на забое скважины. Результатов экспериментальной проверки этого положения применительно к бурению скважин представлено не было, хотя факт разупрочнения материалов разрядами незавершенного электрического пробоя общеизвестен. Более того, он положен в основу способов электроразрядного разупрочнения руд [8-10].

В Кольском научном центре РАН работы по электроимпульсной технологии ведутся с 1965 г., сначала в Горном институте (лаборатория «Кварц»), а с 1982 г. - в Институте физикотехнических проблем энергетики Севера. Исследования выполнялись в координации и кооперации с НИИ высоких напряжений (г. Томск), Карагандинским политехническим институтом, институтом «Механобр». Координации работ способствовало периодическое проведение научно-координационных совещаний и конференций (в том числе дважды в Апатитах), издание совместных сборников трудов (шесть сборников трудов изданы в КНЦ), выполнение совместных разработок. Цикл монографических работ [11-13], закрепляющий приоритет российских ученых в разработке способа и отмеченный премией РАН имени П.Н. Яблочкова за 2003 г., также является плодом коллективной работы. В Академии наук очень заинтересованно относились к новому научному направлению, вопрос дважды рассматривался в Президиуме РАН (на совещаниях у академиков А.П. Виноградова и Л.А. Арцимовича), с ходом работ по проблеме знакомились академики В.А. Котельников, Н.В. Мельников. К совместным работам были привлечены институты Академии наук (ФТИ, ИФТТ), организации отраслевых министерств (НИИПП, ВНИИСПВ, ВЭИ, ТФВЭИ, МЭЗ, НПО «Конденсатор», НИКИМТ, ГИГХС), вузов (ХПИ, МГИ). Благодаря этому стало возможным в короткие сроки выполнить значительный объем исключительно важных научных исследований, разработать и испытать технические средства для различных технологических приложений способа.

Физические закономерности импульсного электрического пробоя материалов

Практическая возможность использования способа в конкретных технологических целях в значительной степени определяется электрическими и энергетическими параметрами процесса, такими как уровень рабочих напряжений и, производительность единичного разряда V, энергоемкость разрушения Ж. Уровень рабочего напряжения определяет техническую и эксплуатационную надежность техники. При слишком высоком уровне рабочего напряжения снижается надежность работы изоляционных элементов систем передачи импульсов и породоразрушающих устройств, снижается стабильность работы генерирующей аппаратуры, повышаются габариты оборудования. Производительность и энергоемкость разрушения определяют экономическую эффективность технологии. Определение этих параметров для различных горных пород и условий разрушения и составляло задачу первого этапа разработки электроимпульсного способа разрушения материалов, имея конечной целью выявление путей оптимизации процесса, разработку методов расчета показателей разрушения.

Механизм ЭИ может быть представлен двумя процессами, действующими во времени друг за другом: образование в результате электрического пробоя в поверхностном слое твердого тела канала разряда и последующее разрушение твердого тела под действием механических напряжений, возникающих в результате расширения канала разряда при выделении в нем энергии емкостного накопителя. Первая стадия процесса определяет уровень напряжения, при котором реализуется процесс («рабочее напряжение»), технические параметры потенциального разрушения (объем откольной воронки). Выбором оптимальных параметров импульсного

напряжения и условий пробоя (вид среды, геометрия электродной конструкции) достигаются

минимальные градиенты напряжения пробоя. На второй стадии процесса за счет оптимизации преобразования энергии накопителя в работу разрушения достигается минимальная энергоемкость разрушения материала.

Феноменология пробоя

Разрядный процесс в промежутке начинается с развития многочисленных «кистевых» разрядов по поверхности твердого тела с обоих электродов. По мере продвижения «кистевых» разрядов с их головок инициируются многочисленные каналы неполного пробоя в твердом теле, прорастающие с электродов навстречу друг другу. Внедрение большого объемного заряда на границу раздела сред тормозит развитие разрядного процесса по поверхности твердого тела. Финальная стадия процесса представляет собой смыкание развивающихся с более высокой скоростью каналов разряда в твердом теле, которое опережает по времени возможное при других условиях смыкание кистевых разрядов по поверхности. Характер разрядных процессов

существенно зависит от полярности импульса и расположения электродов относительно поверхности твердого тела. Практическую значимость в этих исследованиях имеют данные о технологической

эффективности пробоя, показателем которой служит

величина потенциального объема разрушения V, определяемая протяженностью 1ц и глубиной внедрения разряда в твердое тело И.

Имелись попытки аналитического рассмотрения задачи о глубине внедрения канала разряда в твердое тело. И.И. Каляцким (см. [12]) задача рассмотрена в приближении, соответствующем замене реальной

картины электрического поля между электродами породоразрушающего устройства полем на краю пластин плоского конденсатора (рис 4). Предполагалось, что разряд развивается по направлению, соответствующему силовой линии поля максимальной напряженности, и при условии, что внедрение разряда начинается непосредственно с острий электродов или из точек, исчезающе мало удаленных от острий.

Решение задачи приводит к получению следующих соотношений:

Рис. 4. Картина электрического поля в системе с электродами на границе двух сред.

Максимальный прогиб силовой линии (глубина внедрения): h = хв=о - хв=л =l /2ж-(Cos в - Cos ж) =1/ж& 0.321.

Длина канала разряда в твердом теле:

ж

ls = 2 Jl/2ж -у/2(1 - Cose)de = 41/ж• Cose/2\7rQ = 41/ж= 1.271.

о

Потенциальный объем откольной воронки, если принять его за половину объема эллипсоида с полуосями, равными l/2,l/ж и l/2ж будет:

Vo =2/Зж-l/2-l/ж-l/2ж=13/6ж& 0.053f.

Результаты данного аналитического рассмотрения задачи о глубине внедрения разряда частично подтверждаются моделированием поля в электролитической ванне по методике полной проводимости электролитов [14]. Различными авторами выполнены представительные экспериментальные исследования, ставившие целью выявить зависимость глубины внедрения и параметров разрушения от таких контролируемых факторов пробоя, как межэлектродное расстояние, амплитуда и форма импульса напряжения, диэлектрические и прочностные свойства жидкой среды и твердого тела. Эти исследования выполнены на большой гамме горных пород (более 100 разновидностей) при пробое их в трансформаторном масле, дизельном топливе, растворах на нефтяной основе, воде. Оказалось, что в реальных условиях h находится в значительной зависимости от вещественного состава, структуры и текстуры горных пород; для однородного диэлектрического материала фторопласта, в котором канал разряда легко визуализируется обуглероженным следом, коэффициент пропорциональности в соотношении h(l) близок к 0.3, но для горных пород он изменяется в достаточно широких пределах - от 0.1 до

0.6, Все это делает попытки разработать для практических целей расчета показателей разрушения более усовершенствованную расчетную модель пробоя не имеющими особого смысла.

Для практики использования способа особо важно следующее: увеличение разрядных промежутков l является наиболее эффективным способом повышения производительности V и снижения энергоемкости W электроимпульсного разрушения. Удельные энергетические затраты на разрушение W при увеличении разрядного промежутка l снижаются пропорционально степени 1.5^2.0, а степенной показатель в соотношении V(l) варьируется в пределах 1.5^2.7. В прогнозных же оценках показателей для конкретных горных пород и конструкций породоразрушающих устройств при выборе численных значений коэффициентов в зависимостях h(l) и V(l) следует опираться на экспериментальные данные с учетом вероятности пробоя.

Критериальные условия и вероятность пробоя

Критериальный параметр Ak, соответствующий равновероятности пробоя в параллельной системе сред и выражаемый крутизной фронта косоугольного импульса напряжения (см. рис. 1а), в значительной степени определяется тремя главными факторами - типом горной породы, типом окружающей частицу разрушаемого материала внешней среды, формой импульса напряжения. В меньшей степени Ak зависит от геометрии электродов, величины разрядного промежутка и соотношения размеров разрядного промежутка и разрушаемого твердого тела. Наиболее существенно Ak зависит от вида среды. При пробое крепких горных пород в диэлектрических жидкостях Ак = 200-500 кВ/мкс и 2000-3000 кВ/мкс при пробое в технической воде. Применение данного критерия правомочно в достаточно широком диапазоне разрядных промежутков 10"2 -10"1 м и для геометрии электродов, свойственных технологическим устройствам разрушения пород. На прямоугольных импульсах напряжения вольт-временные характеристики имеют подобный вид, но абсолютные значения электрической прочности сред на 10-15 % ниже. При иных промежуточных формах импульса напряжения требуется и возможно введение корректирующих коэффициентов.

Показана возможность аналитической оценки вероятности пробоя в параллельной системе диэлектриков, для чего требуется лишь задать описание В.С.Х. отдельных сред и функции распределения напряжения пробоя (И.И. Каляцкий, см. в [12]). В качественном отношении результаты таких оценок достаточно верно отражают экспериментально наблюдаемую картину

зависимости вероятности внедрения от крутизны фронта импульса напряжения и могут быть использованы в практических целях на этапе предварительного выбора параметров импульсного напряжения для реализации электроимпульсного процесса.

По экспериментальным данным для горных пород преобладающей тенденцией является повышение вероятности внедрения с ростом крутизны фронта импульсов напряжения и межэлектродного расстояния, и это выводит на соответствующие рекомендации для повышения эффективности пробоя - увеличивать разрядные промежутки, уменьшать фронт импульса вплоть до наносекунд (10-9 с).

Напряжение пробоя и рабочие напряжения

Исследования электрической прочности горных пород и жидкостей, как необходимого

этапа для выявления оптимальных условий реализации ЭИ-процесса, выполнены в широком диапазоне изменения переменных параметров: экспозиции

импульсного напряжения - от 10"5 с до 10"7 с (на импульсах прямоугольной формы в пределах до 10"8 с), разрядных промежутков - до 10"1 м (в отдельных случаях до 0.3 м), давления - до 150 атм, величины сосредоточенной нагрузки на электрод - до 2500 кг/см2, температуры - до 160 оС [15, 16]. Исследования охватывают обширную гамму типов горных пород с диапазоном изменения физико-механических свойств по контактной прочности - 64^290 кг/мм2, пористости -1^20.4%, прочности на сжатие - 150^3900 кг/см2. Сопоставление В.С.Х. ряда горных пород, диэлектрической жидкости - трансформаторного масла и воды представлено на рис. 5.

Электроимпульсному пробою и разрушению подвержена преобладающая масса горных пород и руд, за исключением лишь отличающихся сплошной металлической проводимостью (сплошные

магнетитовые и полиметаллические руды). Для оценки области наиболее эффективного применения ЭИ-разрушения большое значение имеет следующее обстоятельство. Горные породы по электрической прочности различаются в меньшей степени, чем по физико-механическим свойствам. Например, кварцит и песчаник по прочности на сжатие отличаются в 7 раз, а по электрической прочности - менее чем в 2 раза. С ростом механической прочности (крепости) пород эффективность ЭИ-разрушения снижается существенно в меньшей степени, чем при разрушении традиционными механическими способами, в результате чего относительная эффективность использования ЭИ-способа в сравнении с механическими способами растет. Поэтому, хотя ЭИ-способ может быть применен для разрушения горных пород любой механической прочности, наибольший технико-экономический эффект его применения достигается на особо крепких горных породах и мерзлых грунтах.

На основе большого объема данных экспериментальных исследований предложены эмпирические соотношения для описания зависимости напряжения пробоя от основных факторов - от вида горной породы и жидкости, от формы импульсного напряжения, от величины разрядного промежутка [15, 16]. Для оценочных целей укажем средние значения напряжения пробоя горных пород в промежутке 10"2 м. Они составляют 50-100 кВ/см при пробое в диэлектрических жидкостях и достигают 250-300 кВ/см при пробое крепких горных пород в технической воде. Показатель в степенной функции и(1), отражающий рост напряжения пробоя с увеличением разрядного промежутка, не превышает 0.5. Это имеет большое практическое

и, кб

0 ^ ------1- ■----- 1—и_____

ю'7 г 4бв ю‘6 г « є е ю~5

Рис. 5. Вольт-секундные характеристики пробоя некоторых горных пород и жидких сред на косоугольных импульсах напряжения: 1 - кварц; 2 - фельзит-порфир;

3 - трансформаторное масло;

4 - мрамор; 5 - глинистый сланец;

6 - песчаник; 7 - вода при р = 60 ом.м

значение - имеется эффективная возможность повышать производительность ЭИ-процесса за счет применения электродных конструкций с увеличенными разрядными промежутками, но при этом рабочее напряжение остается на приемлемом уровне. В разработанных технологических процессах величина разрядного промежутка изменяется в пределах 0.01-0.3 м, уровень рабочего напряжения составляет 250-800 кВ.

Основные закономерности пробоя горных пород впервые исследованы томской школой исследователей электроимпульсного способа разрушения материалов (И.И. Каляцкий,

А.Т. Чепиков, Ю.Б. Фортес, Н.Е. Коваленко, Л.Л. Игнатенко, В.И. Брылин и др.). Из значимых результатов исследователей КНЦ РАН следует указать на выявление количественных показателей снижения напряжений пробоя в многоэлектродных конструкциях за счет эффекта последовательного пробоя (И.А. Щеголев), на более раннее, чем у других исследователей, получение показателей пробоя в промежутках дециметрового диапазона (Б.С. Блазнин, И.А. Щеголев, В.С. Кононенко), показателей пробоя и разрушения крупнокускового (до 300 мм) материала руд и блоков синтетической слюды (до 600 мм) (А.Ф. Усов, Д.Н. Блазнина, М.М. Каган).

Закономерности разрушения материалов искровым разрядом

Искровой канал в твердом теле выступает как преобразователь электрической энергии во внутреннюю энергию продуктов канала, переходящую последовательно далее в работу по его расширению, в энергию поля механических напряжений и деформаций, в энергию вновь образованной поверхности продукта разрушения. Существующие методы расчета потерь энергии на каждом этапе ее преобразования и его оптимизации позволяют по параметрам электрической схемы источника импульсов рассчитать внутреннюю энергию продуктов канала E0, оценить потери с истечением плазмы вне твердого тела и рассеиванием в форме теплоты и оценить долю, трансформируемую в работу расширения канала в твердом теле A. Определяющие A(t) параметры давления плазмы p(t), объема и радиуса канала V(t), ф), являясь результатом реакции среды на изменение внутренней энергии канала, зависят как от режима выделения энергии в канале, так и от упругих свойств среды. Решение краевой задачи расширения канала в твердом теле выводит на установление параметров возникающего в твердом теле нестационарного поля механических деформаций и напряжений. Частью возбужденная в твердом теле волна поля механических напряжений реализуется в полезном эффекте ЭИ -нарушении сплошности твердого тела, т.е. его разрушении, значительной же частью выносится с волной давления за пределы твердого тела, рассеивается на дислокациях, преобразуется в тепло. Эффективность использования волны поля механических напряжений зависит от параметров самой волны давления, а также от особенностей механизма разрушения твердого тела в условиях динамического нагружения (скорости и концентрации очагов роста трещин).

Результаты исследований этих процессов дают основу для методики расчета конечных показателей разрушения и обоснования оптимальных режимов реализации процесса. Аналитическое решение всего комплекса вопросов, имеющего конечной целью определение параметров разрушения и оптимизацию параметров энергетического блока, практически невозможно. Более продуктивен метод, комбинирующий аналитическое рассмотрение с использованием полученных экспериментальным путем эмпирических и полуэмпирических аппроксимаций закономерностей и параметров с общей оценкой погрешности и достоверности полученных результатов.

Начало изучению характеристик канала разряда, распространения возмущений в среде и показателей разрушения положено в работах Б.В. Семкина, Б.Г. Шубина, А.В. Юшина, П.Е. Шилина [17-21] Сотрудниками Кольского филиала АН СССР (А.Ф. Усов, И.А. Щеголев, С.С. Локшина) в сотрудничестве с ФТИ АН СССР выполнены уникальные исследования процесса распространения трещин при разрушении прозрачных материалов электрическими разрядами, выявлены и оценены основные разрушающие факторы в процессах ЭИ [22-24]. На аппаратуре КФАН СССР методом фотоупругости экспериментально оценивались параметры поля напряжений в твердом теле. Оригинальные методики изучения процесса разрушения материала с фиксированием канала разряда под поверхностным слоем и регистрацией в отраженном свете роста трещин в непрозрачных горных породах (А.Ф. Усов, М.И. Каган,

А.А. Хрущинский) позволили оценить скорость трещинообразования и время разрушения материалов различной природы. Выполнен большой объем исследований энергоемкости разрушения горных пород и руд Кольского п-ова применительно к оценке энергетических параметров ЭИ в процессах бурения и резания горных пород и дезинтеграции руд и материалов.

Расширение канала разряда

На стадии преобразования энергии основная информация о процессе содержится в регистрируемых параметрах расширения и излучения канала разряда. По ним можно судить о температуре, давлении, степени термодинамических превращений вещества твердого диэлектрика в искровом канале. Для изучения динамики расширения искрового канала использовалось скоростное фотографирование. Чтобы сделать возможным перенесение результатов исследования на широкий класс материалов, в исследовании использованы как хрупкие (щелочно-галлоидные кристаллы), так и пластичные прозрачные диэлектрические материалы (органическое стекло). Типичные фотограммы канала пробоя образца КС1 представлены на рис. 6.

Экспериментальные зависимости радиуса канала во времени с погрешностью не более

3-4% для КС1, АВД КВг и 6-8% для ПММА аппроксимируются параболой:

, ,N1/2

г, (!) = - с + () где a, Ь, k - константы.

Рис. 6. Фоторазвертки канала пробоя образца КС1: а - режим самосвечения; б - с подсветкой; в - стилизованный рисунок. 1 - граница канала; 2 -упругий предвестник; 3 - фронт ударной (пластической) волны;

4 - трещины

Излучение и температура канала разряда Спектроскопические методы исследования искрового канала дают наибольшую информацию о термодинамических процессах, протекающих в фазе его расширения. В исследованиях проведены измерения спектральной плотности излучения из зоны канала, яркостной температуры T искрового канала, коэффициентов и показателей поглощения, потерь энергии с излучением

Расчеты температуры канала по модели абсолютно черного тела на основе экспериментальных значений спектральной яркости в широком диапазоне вариации энерговклада для щелочно-галлоидных кристаллов (ЩГК)

ШС1 - КС1 - КВг дают значения амплитуды яркостной температуры канала в пределах 12000-18000 К. Плотность

вещества в канале пробоя (п ~р/кТ), соответствующая этим температурам и энерговкладу в канал (1-50) Дж/см за характерное время 10-6с, оценивается как п = (0.02-0.8)-1022 1/см.

На основе измерения распределения спектральной плотности излучения и показателя поглощения по сечению (разбито на 5 участков) получено распределение температуры по сечению искрового канала (рис. 7).

Рис. 7. Радиальное распределение температуры (а) и спектральной плотности потока (б)

в канале пробоя

Термодинамические функции, состав и уравнение состояния плазмы канала

Преобразование электрической энергии, запасенной в реактивных элементах разрядной цепи, в работу по разрушению (диспергированию) твердых диэлектриков происходит через промежуточное состояние - внутреннюю энергию Е вещества в канале пробоя. Последняя занимает в этом переходном процессе центральное место и трансформируется частично по мере

VI

расширения канала пробоя в работу А над окружающим диэлектриком А = | р dV . Показана

0

применимость для вещества пробоя конденсированного диэлектрика известных уравнений

pV

калорической формы типа Е =----------. На примере ЩГК разработаны приемы аналитического

Гу-1

расчета термодинамических функций, состава и уравнений состояния плазмы канала, дающие удовлетворительное соответствие расчетно-экспериментальной оценке /э{(), основываясь на измерениях динамики геометрических размеров канала пробоя и энерговклада. Наиболее вероятным значением уэ для минералов при их импульсном электрическом пробое в режиме технологического электровзрыва следует считать уэ = 1.12-1.16 для соединений, не содержащих

металлов / группы либо содержащих их в малом количестве, и уэ = 1.6-1.22 - для минералов с

высоким содержанием металлов / группы периодической таблицы (например, Ыа20, Ыа25г0з, К20 и т.д.).

Динамическое нагружение среды искровым разрядом

Исследование характера возмущений в среде, вызванных электрическим разрядом, скоростей их распространения и параметров является важным этапом на пути к решению задачи о разрушающем действии разряда. Визуализация возмущения с помощью теневой съемки и метода фотоупругости при скоростной съемке процесса во многом позволяет дать ответ на поставленные выше вопросы.

На рис. 8, 9 представлены фотограммы скоростной фоторегистрации распространения возмущений от канала разряда при пробое органического стекла (ПММА) в режиме щелевой развертки и режиме лупы времени теневым способом и в поляризованном свете. При интенсивном энерговыделении на начальном этапе, в первую осцилляцию разрядного тока в диэлектрике (в частности, в образцах ПММА) формируется и распространяется сверхзвуковая ударная волна уплотнения, которая, однако, быстро (на расстоянии 1-2 мм) вырождается в акустическую, расщепляясь на упругий предвестник и пластическую волну. При пробое ЩГК практически с момента замыкания межэлектродного промежутка каналом сквозной проводимости от канала отшнуровывается двухволновое возмущение: упругий предвестник (первая линия) и фронт ударной пластической волны (вторая линия). Двухволновая структура

возмущения соответствует упругопластическому поведению ЩГК, наблюдаемому в этих кристаллах в диапазоне до десятков килобар. Такая структура, содержащая упругий предвестник и ударную пластическую волну, характерна для поздних стадий взрыва ВВ в твердых телах, когда сверхзвуковая ударная волна, отделившись от стенки камеры, по мере развития теряет скорость и через некоторое время разделяется на упругую и пластическую.

Рис. 8. Фоторазвертка канала пробое ПММА съемкой теневым методом (а) и в поляризованном свете (б)

Рис. 9. Фоторазвертка (а) и фотохронограмма в режиме лупы времени (б) в поляризованном свете при пробое ПММА

На рис. 10 представлен график изменения скорости головной ударной волны в ПММА

при энергии разряда 450 Дж и периоде разрядного тока 1.1 мкс. Максимальная скорость фронта

ударной волны (ФУВ) в момент отшнуровки от канала разряда оценивается величиной 37004000 м/с.

Давление на распространяющийся с такой скоростью ФУВ, оцененное по ударной адиабате ПММА или по универсальной кривой состояния твердого тела,

составляет (2.5-3.5) 109Па.

Аналитическое соотношение для давления на ФУВ в гидродинамическом приближении р=рОи с учетом, что О=С+Ли преобразуется в

0(0-с)

Ро ". ’ р'

р0 (с + Лы)ы,

где Ро

начальная плотность вещества; 0 - скорость

Рис. 10. Зависимость начальной скорости распространения ударной волны D и скорости расширения канала Vк от периода разрядного тока

случае скорость увеличения радиуса ФУВ.

Для оценки поля напряжений метод динамической фотоупругости. двух главных напряжений:

ударной волны; с - скорость звука; и - массовая скорость за фронтом ударной волны; Л - постоянная материала (для ПММА Л = 1.3). Приняв с = 3800 м/с, р„ = 1.2 г/см3, Л = 1.3, для О = 3800 м/с получим тот же

порядок величин р«3.5 • 109 Па. Наконец, если считать, что скорость расширения канала можно рассматривать как массовую скорость за фронтом волны, то экспериментально фиксируемая в этом 700 м/с приведет к такому же порядку величин давления на

в твердом теле высокую информативность представляет На основании картины поля изохром оценивается разность

а

10

21

б,, б,, 10_,ГПа

где адхр, а22 - нормальные напряжения в полярных координатах; а10 - коэффициент оптической

активности материала; Ь- толщина образца; п- порядок полосы. Для случая пробоя ПММА с энергией в разряде 500 Дж и периодом разрядного тока Т= 3.2 мкс в окрестности трещин порядок полосы равен 4-5, что соответствует разности главных напряжений 400-500 кг/см2, т.е.

растягивающие напряжения а(/хр, под действием которых и происходит рост радиальных трещин в «хвосте» волны, могут составлять 500-800 кг/см2, что существенно выше прочности ПММА на сдвиг (300-500 кг/см2).

При аналитическом рассмотрении течения среды вокруг искрового канала с различными моделями течения и уравнениями состояния твердого тела (Осборна, Жаркова-Калинина, Тэта, Жданова-Конусова и др.) показана возможность расчета профилей волн в пространстве для ряда фиксированных значений времени и расчета напряжений в твердом теле (Б.В. Семкин, см [12]). Профили радиальных 81 и тангенциальных 82 напряжений приведены на рис. 11. Выполнен анализ применимости для целей аналитического расчета электроимпульсного

разрушения различных моделей поведения твердого тела и различных критериев разрушения. Наиболее близкими к задаче электроимпульсного разрушения являются подходы, используемые при анализе разрушения с помощью ВВ. Базируясь на положениях теории хрупкого разрушения Гриффитса-Ирвина и решениях равновесия системы со звездой радиальных трещин от цилиндрической полости, нагружаемой изнутри в статическом и динамическом варианте при ВВ, прогнозируется гранулометрический состав разрушения (Курец В.И., см. [13]) . Аналогично этому при электроимпульсном разрушении решается задача расчета длины трещин в зоне растрескивания. При этом используются результаты оценки радиуса канала разряда тф) , а энерговклад разряда рассматривается с учетом разгрузки канала разряда через устья пробоя.

1

\\ г

\\\ 2 ,3 ; * 6 7

/

п

У

Рис. 11. Профили радиальных s1 и тангенциальных S2 напряжений при пробое скальной породы (Ж1 = 60 Дж/см, ^ = 310-6 с). Время I, мкс: 1 -0.4, 2 - 1.2, 3-2.0, 4-2.8,

5-3.6, 6-4.4, 7-5.2

Динамика, кинетика и энергетические характеристики электроимпульсного разрушения диэлектриков и горных пород

Главными факторами, определяющими характер и динамику трещинообразования, являются структура материала (монокристаллическая, поликристаллическая, аморфная) и интенсивность нагружения.

Для динамики электроимпульсного разрушения характерны следующие закономерности:

1) генеральная картина разрушения твердого диэлектрика под действием инициированного в его толще электровзрыва содержит в качестве основного элемента звезду радиальных трещин с убывающим по мере удаления от канала пробоя их числом, зона объемного разрушения слабо выражена, кольцевые трещины, наблюдаемые для взрыва химической природы, как правило, отсутствуют. Зона объемного разрушения и зарождение звезды трещин формируются под действием волновых возмущений; в заключительной стадии, в том числе в фазе финишной остановки (равновесия) радиальных трещин определяющим механизмом передачи энергии в устье трещин является силовое воздействие канала пробоя (зоны пластических деформаций), энергия, необходимая для роста трещин, доставляется в устья волнами Рэлея;

2) характерной особенностью разрушения хрупких материалов является практически постоянная скорость роста трещин вплоть до момента их остановки (рис. 12). Максимальная скорость роста трещин в силикатном стекле ~ 1500 м/с, что соответствует 0.38 от скорости продольных волн в стекле. В пластичном оргстекле трещины распространяются с дискретными скоростями. При более высоком разрешении в динамике прорастания изломов отмечаются кратковременные остановки трещин и широкий набор дискретных скоростей. Объектам ЭИ-технологии более отвечает канифоль, обладающая по сравнению со стеклом более выраженными пластическими свойствами;

3) в горных породах с большой концентрацией дислокаций имеет место переносное (по

В.М.Финкелю) разрушение, когда трещинообразование определяется смыканием отдельных микротрещин и его скорость соответствует скорости распространения упругой волны. В исследованиях на ряде горных пород применялся косвенный метод, когда с помощью герметизированных электродов канал разряда в образце формируется на фиксированном расстоянии от поверхности, оптической скоростной фоторегистрацией определяется время прорыва на поверхность продуктов электровзрыва, а осциллографической регистрацией - динамика изменения электрического сопротивления канала разряда в предположении, что моменту выхода трещин на поверхность будет соответствовать его резкое падение за счет разгрузки;

4) эффект электроимпульсного разрушения материалов при одинаковых затратах энергии зависит от характера энерговыделения в канале разряда («фактор времени»). Об эффективность разрушения можно судить по таким его параметрам, как максимальная длина трещин, суммарная длина и поверхность трещин, размер зоны трещинообразования и др. Наиболее общим случаем является зависимость указанных параметров от скорости выделения энергии при неизменной ее величине, представленная кривой с оптимумом (рис. 13). В зависимости от характера материала (хрупкие - пластичные) оптимум значительно сдвигается в область малых или больших значений мощности.

Рис. 12. Динамика роста трещин в силикатном стекле (а), канифоли (б) и органическом стекле (в)

_ Р-106, Вт

Т, мкс

Рис. 13. Влияние длительности выделения энергии на эффективность разрушения моделей

из органического (а) и силикатного (б) стекла

Таблица 1

Энергоемкость бурения скважин различными способами

Способ бурения Удельная энергия разрушения, Дж/см3 (кГм/см3)

С использованием специальных породоразрушающих инструментов: • Ударный; • Вращательный: бурение шарошками, алмазное бурение; • Ударно-вращательный; • Вращательно-ударный 200-650 (20.4-66.3) 700-950 (71.4-96.8) 600-800 (61.2-81.5) 400-600 (40.8-61.2) 600-800 (61.2-81.5)

• Взрывной • Гидравлический • Гидроимпульсный • Электрогидравлический • Электротермический • Электроимпульсный • Лазерный • Комбинированное бурение • Огневой • Плазменный • Термошарошечный • Электротермомеханический 200-400 (20.4-40.8) 1000-2000 (102-204) 70-100 (7.1-10.2) 400-500 (40.8-51) 5000 (510) 100-200 (10.2-20.4) 5000-12000 (510-224) 1500 (153) 5000 (510) 1200-1600 (122-163) 500-800 (51-82)

Примечание. Способы, предназначенные для проходки выработок и скважин большого диаметра.

Физическая природа способа дает возможность достижения более низкой энергоемкости разрушения в сравнении с традиционными способами. Большое значение для оценки перспектив использования нового способа разрушения имели исследования к.п.д. ЭИ-разрушения [25]. Как оказалось, использование в ЭИ-процессе одного вида энергии - электрической энергии - еще не гарантирует, как считалось ранее, его высокой энергетической эффективности. Несколько стадий трансформации электрической энергии от потребляемого из сети напряжения переменного тока до используемых для формирования в твердом теле поля механических напряжений импульсных токов электрических разрядов связаны с неизбежными потерями, которые могут быть даже более существенными в сравнении с потерями в традиционных способах разрушения, которым свойственно преобразование вида используемой энергии и ее многоступенчатая трансмиссия. Анализ энергораспределения в процессах ЭИ показал, что непроизводительные затраты энергии на стадии ее трансформации и передачи к объекту разрушения могут достигать 70-80% с технически обоснованной возможностью их снижения почти вдвое. Следует признать, что потери эти весьма существенны, однако физическая природа ЭИ-способа разрушения предопределяет существенно более высокий в сравнении с традиционными способами к.п.д. использования подведенной к объекту разрушения энергии, что и обеспечивает в конечном итоге достижение более низких энергетических затрат, рассчитанных на единицу новой поверхностию Высокая энергетическая эффективность процесса разрушения материала в ЭИ обусловлена следующими факторами. Источник нагружения - канал разряда находится непосредственно в твердом теле, в результате чего разрушение последнего происходит под действием разрывающих (растягивающих) напряжений. Это обеспечивает достижение минимальных затрат энергии на разрушение, так как прочность материалов на разрыв почти на порядок ниже, чем на сжатие, свойственное нагружению твердых тел при их разрушении механическим способом. Динамический характер нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала с минимальными потерями энергии на пластическую деформацию. Высокая степень

локализации энергии в канале разряда позволяет сформировать условия, достаточные для начала процесса трещинообразования в твердом теле при относительно низких значения единичной энергии импульса, эквивалентной долям грамма тротила, а возможность простыми способами регулировать в широких пределах режим выделения энергии в канале разряда позволяет создавать оптимальные условия нагружения и поддержания процесса распространения трещин и разрушения твердого тела в зависимости от природы и размера разрушаемых фрагментов. Способ ЭИ-разрушения, благодаря присущим ему достоинствам, отмеченным выше, является наиболее энергетически эффективным среди всех известных, если, конечно, сравнение проводить в сопоставимых условиях конкретных технологических процессов.Динамический характер ЭИ-нагружения обеспечивает хрупкое разрушение материала без потерь энергии на пластическую деформацию. Канал разряда в сравнении с ВВ имеет то преимущество, что его энергосодержание, обеспечиваемое подводом энергии извне от емкостного накопителя, может простыми способами регулироваться в широких пределах по величине и во времени, создавая оптимальные условия нагружения твердого тела в зависимости от его природы и размера разрушаемых фрагментов. По энергетической эффективности ЭИ-способ применительно к процессам, реализующих разрушение горных пород с одной свободной поверхности (бурение, резание, съем поверхностного слоя), заметно предпочтительнее большинства других способов (табл. 1).

Разработка техники и технологии электроимпульсного разрушения

Технологические исследования ЭИ преследовали цели разработки технических средств и технологии способа для различных применений в горном деле и строительстве инженерных сооружений, определения области и условий их целесообразного технически и экономически обоснованного использования.

Бурение скважин

В КФ АН СССР приоритетные направления исследований ЭИ-бурения были выбраны с учетом специфики горнопромышленного и оборонного комплекса региона, избегая по возможности дублирования работ других организаций страны, разрабатывающих проблему ЭИ. К этим направлениям относятся: бурение неглубоких скважин (5-10 м) для сооружения в скальных породах траншей и котлованов, бурение веера скважин в условиях подземной выработки для добычи руд, бурение горизонтальных опережающих скважин для сооружения подземных выработок, проходка скважин большого диаметра для сооружения шахтных стволов и колодцев. В НИИ ВН г. Томск работы были ориентированы на бурение взрывных скважин для добычи руд на открытых горных работах, бурение геологоразведочных скважин с отбором ориентированного керна, на бурение скважин большого диаметра в мерзлых грунтах района БАМ.

В числе важнейшей технических особенностей, свойственных процессам электроимпульсного разрушения, прежде всего, был выявлен механизм автоматического распределения разрядов по забою разрушения в устройствах бурения скважин. Позднее была показана его применимость ко всем технологическим процессам, техническими средствами реализации которых являются многоэлектродные породоразрушающие конструкции, позволяющие превратить единичные акты разрушения в непрерывный технологический процесс. Многоэлектродная конструкция в общем случае представляет двухполярную систему электродов (высоковольтные и заземленные), которые формируют зону забоя разрушения. Форма электродов (стержни, пластины - имеет значение сечение плоскости контакта с породой), их расположение по забою, величина зазоров между ними выбираются такими, чтобы исходно обеспечивалась равновероятность формирования разряда в любой области забоя разрушения (случай для устройства бурения представлен на рис. 14). При пробое в одном из промежутков/области забоя разрушения (1) образующаяся в поверхностном слое массива воронка заполняется жидкостью, что приводит к электрическому упрочнению промежутка в данном участке забоя. Поэтому последующие разряды происходят поочередно в соседних промежутках (2, 3 ...), обеспечивая последовательное разрушение породы по всей площади забоя. В результате разрушение породы на забое и перемещение электродного устройства в скважине (продвижение в направлении углубления) имеют циклический характер.

Рис. 14. Буровой наконечник и последовательность пробоя и разрушения забоя скважины

многоэлектродным устройством. Штриховкой отмечены потенциальные электроды

Главные критерии при разработке электродных устройств ЭИ-бурения (коронки, по аналогии с механическими способами бурения) - равномерность распределения разрядов по всей площади забоя, обеспечивающая полное разрушение породы под всеми электродами без их зависания, и стабильность уровня напряжений пробоя в течение всего цикла разрушения забоя. В оптимизационных исследованиях конструкций коронок рассматривались такие параметры как форма электродов, преимущественная ориентация разрядных промежутков (направлений кратчайших расстояний между разнополярными электродами) - радиальная, тангенциальная, радиально-тангенциальная, линейно-тангенциальная (между параллельными пластинами), суммарные площади контакта потенциальных и заземленных электродов с забоем. Влияние отдельных параметров коронки обусловлено физическими факторами процесса формирования пробоя. С увеличением площади контакта электрода с породой возрастает число дефектов структуры породы, способствующих началу развития разряда при более низком уровне импульсного напряжения на электроде. При каждом подаваемом на коронку импульсе напряжения по всей площади забоя в приэлектродных областях формируются каналы многочисленных незавершенных пробоев и от импульса к импульсу происходит накопление дефектов, приводящее в конечном итоге к уменьшению напряжений пробоя. Дефекты этого рода зависят от полярности потенциального электрода, особенностей его контакта с породой [12]. Например, укажем на «эффект приподнятого электрода»: если потенциальный электрод при положительной полярности импульса приподнят над поверхностью твердого тела, то разрядный процесс в жидкостной прослойке начинается при более высоком напряжении, чем в случае электрода на поверхности твердого тела, а потому при касании разрядом поверхности твердого тела на него выносится достаточно высокий потенциал, и внедрение разряда в твердое тело происходит практически без развития по поверхности “кистевых” разрядов, в результате вероятность и глубина внедрения разряда максимальные. Роль фактора «площадь контакта» для двухэлектродной системы можно свести к следующему: площадь контакта потенциального электрода должна быть примерно в 1.5 раза больше площади контакта заземленных электродов.

Принцип автоматического распределения разрядов по площади забоя при использовании многоэлектродных конструкций электроимпульсного разрушения позволяет обеспечить технологическую непрерывность процесса бурения и резания пород, последовательное сокращение крупности кускового материала в процессах его дезинтеграции без каких-либо специальных мер (вращение инструмента, классификация материала по крупности или принудительная коммутация разрядов и т.п.). Забою разрушения за счет соответствующего выбора формы электродов и их расположения может быть придана любая произвольная форма -круглая, прямоугольная, щелевая, кольцевая и т.д.

Электроимпульсное бурение отличается исключительно малым износом бурового инструмента и допускает его изготовление из обычных конструкционных сталей. Так как рабочим инструментом, по существу, является искра, износ инструмента минимален и проблема срока его службы не стоит. В отличие от механических способов не требуется прилагать к инструменту значительных усилий - достаточно лишь обеспечивать контакт инструмента с массивом.

К числу общих закономерностей, свойственных всем технологическим процессам электроимпульсного разрушения материалов, относится зависимость производительности

процессов от частоты следования импульсов. Частота посылки импульсов / является одним из основных факторов, определяющих производительность и экономическую эффективность ЭИ технологий. С повышением частоты следования импульсов объемная производительная разрушения и механическая скорость бурения повышаются практически пропорционально. Пределы действия этой зависимости ограничиваются следующим: 1 - рабочая жидкость в процессе формирования пробоя изменяет (ухудшает) свои электрические свойства за счет ионизации и требуется время на ее деионизацию с восстановлением исходных свойств, 2 - в процессе разрушения породы образуются кусковой шлам и паро-газовый пузырь, снижающие электрическую прочность жидкой среды выше зоны контакта электродов с породой. Возможность возникновения пробоя жидкости между токоподводящими частями электродов (ножки), по поверхности или вблизи концевого изолятора как нештатный, аварийный режим должна быть полностью исключена, для чего необходимо, чтобы продукты разрушения породы и разложения жидкости за время между импульсами были удалены за пределы этой чувствительной зоны. Производительность промывки должна быть такова, чтобы за время между импульсами произошел 1.5-2 кратный обмен жидкости в призабойной зоне, 3 - удельные энергетические затраты на промывку растут с увеличением производительности промывки. Для схем прямой промывки в скважинах диаметром 130-150 мм энергетически невыгодно наращивать частоту следования импульсов свыше 25-30 имп. вс. С увеличением диаметра скважины и связанного с этим увеличением сечения промывочного затрубного пространства допустимая частота импульсов снижается. В определенных случаях необходимо учитывать, что с увеличением производительности промывки растет выталкивающая сила, действующая на буровой снаряд.

В работах по электроимпульсному бурению был предложен ряд оригинальных технических решений, учитывающих технологическую специфику бурения скважин различного назначения.

Бурение взрывных скважин в условиях подземной выработки (рис. 15)

Бурение веера восходящих взрывных скважин для отбойки руды или породы при сооружении подземных выработок впервые поставило вопрос о технологии промывки горизонтальных и восходящих скважин. Для обеспечения сплошности жидкости на забое скважины, а это является необходимым условием реализации процесса пробоя горной породы, предложено устанавливать у устья скважины превентер, обеспечивающий напорный слив жидкости из скважины. Расчет промывки веера скважин от нисходящих до восходящих ставил целью выявить наиболее неблагоприятные условия выноса шлама и газовых пузырей, образующихся при разложении жидкости плазмой канала разряда, чтобы учитывать их при определении необходимой производительности промывки.

Рис. 15. Установка электроимпульсного бурения, Кировский рудник ОАО «Апатит»

Разработка средств бурения в условиях подземной выработки, где в целях пожаробезопасности применение горючих жидкостей желательно исключить, ориентировалась на использование в качестве промывочной жидкости воды. Это требовало новых технических решений как для обеспечения формирования и передачи на забой импульсов напряжения с допустимой деформацией, так и для обеспечения надежной работы изоляции элементов бурового устройства. Был предложен новый тип буровых штанг на основе комбинированной изоляции из воды и твердого диэлектрика (полиэтилена или стекловолокна) и обоснованы оптимальные режимы его использования. В одном варианте - это коаксиальная система с покрытием одного или обоих токопроводников слоем полиэтилена, в другом - параллельные токопроводники с кольцевым расположением в толще трубы из изоляционного материала. Выбирая толщину диэлектрика, достигают оптимального распределения поля по слоям полиэтилен - вода, обеспечивающего максимальную электрическую прочность системы [26-27]. Изменяя толщину изоляции, в первом варианте, или число токопроводников, во втором, можно изменять волновое сопротивление по длине линии, что в ряде случаев может быть использовано для повышения эффективности передачи импульсов и использования их энергии. Буровые снаряды на основе опытной партии труб, футерованных полиэтиленом, изготовленных Первоуральским старотрубным заводом, были успешно испытаны на действующих установках на Кировском руднике ПО «Апатит» и руднике «Ена» ГОКа "Ковдорслюда" при бурении скважин диаметром 110-130 мм. Производственные испытания показали техническую осуществимость электроимпульсного способа бурения взрывных скважин в крепких горных породах в подземных условиях с расположением кругового веера скважин в вертикальной плоскости с технологической глубиной до 50 м. Показана возможность достижения более высокой скорости бурения, чем при использовании традиционных станков, и определены условия экономической эффективности электроимпульсного бурения. На основании данных, полученных при экспериментальном бурении на руднике «Ена» ГОКа «Ковдорслюда» в пегматитовой жиле плагиоклазового состава с развитым местами среднезернистым кварц-мусковитовым комплексом с коэффициентом крепости пород (по Протодьяконову) 12-16, ожидаемая скорость бурения при частоте следования импульсов / = 20 оценивается: по гнейсу с включением слюды - 4.5 м/ч, по кварцу с включением слюды - 5.7 м/ч, плагиоклазу - 7.1 м/ч. Реальная техническая возможность оптимизации пробоя с увеличением разрядных промежутков и повышением частоты следования импульсов позволит существенно превзойти показатели бурения существующей техникой, до 10-15 м/ч.

Бурение скважин большого диаметра (рис. 16).

В КНЦ раньше, чем в других организациях, были разработаны и в стендовых условиях испытаны технические средства бурения скважин большого диаметра - 600-1200 мм. Подтверждена особая перспективность ЭИ-технологии проходки выработок больших поперечных сечений в скальных крепких породах как обеспечивающей достижение и превышение показателей бурения традиционными способами. При разработке средств ЭИ-бурения скважин большого диаметра были реализованы такие способы интенсификации процесса, как использование разрядных промежутков увеличенной до 120-150 мм длины, создание дополнительных поверхностей обнажения с переходом на ступенчатую форму забоя скважины, секционирование породоразрушающих инструментов с параллельной работой на инструмент нескольких источников импульсного напряжения, управление разработкой забоя регулярной сменой полярности импульсного напряжения и другие. На стенде, размещенном на выходе скального массива, представленного окварцованным филлитовым сланцем (коэффициент крепости 14-16), отрабатывались технические средства бурения сплошным и кольцевым забоем, а также расширения скважин. Оценены показатели бурения непосредственно в скальном массиве, а также в блоках бетона и отдельных горных пород при диаметре скважин 325, 460, 600, 780 и 1200 мм.

Рис. 16. Высоковольтный полигон КНЦРАН: буровой стенд, буровые снаряды для бурения скважин большого диаметра и

вид пробуренных скважин

Таблица 2

Удельная (на 1 имп./с) скорость электроимпульсного бурения скважин, п.м./ч

Условия и место проведения испытаний Породы Удельная скорость бурения

Бурение взрывных скважин в подземной выработке: • диаметр 130 мм, глубина до 50 м, промывка водой, Кировский рудник АО «Апатит»; • диаметр 150 мм, глубина до 50 м, промывка водой, рудник «Ена» ГОК «Ковдорслюда» (Мурманская обл.) апатитовая руда гнейс - слюда кварц - слюда плагиоклаз мм ^ С-5 (N5;? ^ и-) ^ С4) • СП -1 °" ° °" о °

Бурение взрывных скважин в карьере (Лениногорский ПМК): • диаметр 150 мм, диз. топливо микрокварциты 1.5

Бурение разведочной скважины, в районе г. Томска: • без отбора керна, диаметр 160 мм., диз. топливо; • с отбором керна, диз. топливо, • с отбором керна, вода, нефтеводные растворы. песчаник песчаник сланец 0.5 0.6 0.8

Бурение скважин диаметром 800-1200 мм, г. Апатиты: • сплошным забоем, 800 мм, диз. топливо • кольцевым забоем, 700 мм, диз. топливо • расширение от 600 до 800 мм, диз. топливо • расширение от 800 до 1000 мм, диз. топливо филлитовый сланец 0.05 0.15 0.3 0.7

Бурение скважин диаметром 1-1.2 м, 1 - 300 мм, промывка дизельным топливом, район БАМ вечномерзлый грунт 0.75-1.0

В исследованиях на стенде промывка скважин осуществлялась дизельным топливом. При бурении скважин диаметром 800 мм сплошным забоем в филлитовом сланце при частоте 3-5 имп/с достигнута скорость бурения до 0.2 м/ч с энергоемкостью разрушения 70-80 кгм/см3 (100-120 кВт-ч/п. м). При бурении скважин диаметром 700 мм кольцевым забоем в блоках рисчоррита (коэффициент крепости 16) при частоте следования импульсов 3-4 имп/с получена скорость бурения до 0.1 м/ч при энергоемкости 70 кгм/см3, а в филлитовом сланце - 0.5 м/ч и 140 кгм/см3 соответственно. При расширении скважин электроимпульсным способом в филлитовом сланце при частоте следования импульсов 2-3 имп/с скорость разбуривания скважины от 600 до 800 мм составила 0.7 м/ч, а от 800 до 1000 мм - 1.8 м/ч при энергоемкости разрушения 50 и 30 кгм/см3, соответственно. Обосновано парадоксальное с позиций практики механических способов проходки выработок положение о тенденции роста (практически линейного) механической скорости бурения

V с ростом диаметра скважины, обусловленное возможностью повышения плотности энергии на единицу площади забоя при увеличении величины разрядных промежутков в породоразрушающем инструменте. 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. Скорости электроимпульсного бурения скважин различного назначения, приведенные к частоте следования импульсов 1 импульс в сек., представлены в табл. 2.

С увеличением диаметра буровых снарядов в некотором отношении упрощается решение электротехнических проблем - передачи импульсов на забой и обеспечения надежности изоляции токоподвода, расширяются возможности применения погружных источников импульсного напряжения и секционирования инструментов. Но по условиям формирования импульсов напряжения при диаметре скважин свыше 300-400 мм с промывкой водой этого уже недостаточно, и требуется применение специальных схем и технических мер. Поэтому в случаях, когда нет технологически обусловленных ограничений на применение рабочей жидкости на органической основе, рациональней использовать диэлектрические растворы на нефтяной основе, технология приготовления которых была разработана еще в 1960-е гг. XX в. с участием Института нефтехимического синтеза им. Губкина.

Электроимпульсное резание горных пород

В КНЦ предложены и исследованы различные типы устройств для резания и поверхностной обработки массива и блочного камня, проходки в массиве щелей изменяемой конфигурации [28-29]. При резании в технической воде длина щели может достигать 0.35 м, а удельные энергозатраты составили 4-6 кВт-ч/м по песчанику и 3.5-4.5 кВт-ч/м по известняку. Потенциальная скорость резания (при частоте следования импульсов 20-25 в секунду) оценивается в 2-2.5 м2/ч. Эффективность применения новых технических средств повышается, если принципиально важным является требование исключить нарушение сплошности массива вне забоя. Это может найти использование в таких целях, как:

• добыча и обработка природного камня и, в первую очередь, уникального декоративного камня (в том числе вырезка заготовок архитектурных форм);

• зачистка скальных оснований под сооружения при строительстве объектов на суше и под водой (гидротехнические сооружения, дноуглубительные работы под газо- и нефтепроводы), в городской черте с ограничениями на проведение взрывных работ;

• отбор проб материала с геологических обнажений, с поверхности горных выработок, с бетонных контейнеров захоронения радиоактивных и химических отходов;

• зачистка поверхностей массива и блоков от поверхностного радиоактивного и химического загрязнения;

• проходка отрезных щелей с целью ограничения воздействия на массив взрывной отбойки при сооружении выработок различного назначения.

Рис. 17. Схема пассировки блоков природного камня. Рисунок установки (а), инструмент и блок нестандартного валуна в процессе пассировки (б) и после пассировки в распиловочном станке (в)

С использованием средств электроимпульсного бурения и резания пород в принципиальном плане могут рассматриваться и такие технологии, как:

• бурение скважин для закрепления объектов на подводном скальном основании;

• создание подводных камер в скальных массивах береговой линии;

• бурение льда из подводной акватории снизу вверх с выходом на дневную поверхность;

• отбор проб материала со скального основания дна океана и поверхности подводных объектов.

Перспективно направление ЭИ-пассировки некондиционных блоков природного камня, негабаритов вскрыши месторождений полезных ископаемых и валунов под распил и изготовление тесаных изделий (рис . Испытания экспериментальной установки, проведенные в производственных условиях Мончегорского карьера ПО «Карелстройматериалы», показали ее высокую технологическую эффективность.

Особенностью разработанной технология пассировки блоков природного камня и валунов является ЭИ-подрезание щелью части поверхностного слоя и последующий его скол электрогидроимпульсным воздействием (электрическим разрядом в воде). Это гарантирует равномерность обработки поверхности и снижает энергетические затраты на обработку камней при необходимости большого объема съема поверхностного слоя. 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 имп/с и энергии разряда 1.5 кДж). Энергозатраты соответственно составили 4.5; 3.3 и 6.0 кВт-ч/м2.

Электроимпульсное измельчение материалов

Работами в КНЦ расширено представление о механизмах селективности электроимпульсной дезинтеграции. Избирательная направленность канала пробоя на рудные включения, создающие в куске руды неоднородности электрического поля, является важным, но не единственным механизмом, определяющим селективность разрушения. В числе других механизмов: избирательный электрический пробой электрически менее прочных компонентов руды, какими чаще всего являются минералы пустой породы (например, в слюдяных рудах); избирательное разрушение более хрупкой вмещающей породы (например, в слюдяных и асбестовых рудах); разупрочнение границ контакта двух сред, отличающихся акустическими свойствами, при прохождении в среде волны разгрузки и разупрочнение границ контакта двух сред, отличающихся деформационными свойствами, при прохождении в среде волны сжатия.

В КНЦ оценены технико-экономические показатели ЭИ-дезинтеграции руд, добываемых и обогащаемых на предприятиях Кольского п-ова, а также руд и материалов других регионов и развиты представления о критерии экономической целесообразности применения способа, увязывающего потенциал технологической эффективности ЭИ-дезинтеграции различных видов минерального сырья с ресурсом работы конденсаторов, стоимость которых составляет основную часть затрат. Это сместило акценты в приоритетах исследований ЭИ-дезинтеграции на объекты, где реализация способа с учетом получаемого технологического эффекта может быть экономически оправданна при современном уровне качества электротехнического оборудования и не столько за счет полноты извлечения, сколько за счет сохранности полезной компоненты от разрушения (ограночное кристаллосырье, кристаллы естественной и искусственной слюды, пьезокварц), сохранения вскрытыми включениями геологической информационности (в геохронологических целях).

Созданная в КНЦ установка для дробления слюдяных сростков производительностью 1 м3/ч, испытана в условиях обогатительной фабрики рудника «Ена» ГОКа «Ковдорслюда». На этой же установке выполнены технологические исследования на рудах Мамско-Чуйского месторождения, относящихся к типу труднораскрываемых со значительным количеством (35-40%) слюды в сростках. (Руды Енского месторождения легкораскрываемые, и содержание слюды в сростках не превышает 5%, что не способствовало интересу предприятия к технологии ЭИ-дезинтеграции). О высокой технологической эффективности электроимпульсной дезинтеграции слюдяных руд свидетельствуют данные сопоставления выхода и группового состава продукта дезинтеграции и последующей переработки забойного сырца в промышленный. Электроимпульсная дезинтеграция слюдяных сростков по выходу деловой слюды соответствует тщательному ручному раскрытию сростков, т.е. в 1.2-1.3 раза лучше, чем при раскрытии сростков в механических дробилках. Выход крупных кристаллов (свыше 50 см2) в 3-4 раза больше, чем при ручном раскрытии, что в стоимостном выражении соответствует повышению выхода слюды на 20-25%. Существенно также, что при электроимпульсной дезинтеграции сростков обеспечивается более чем в 2 раза лучшее раскрытие мелкоразмерной слюды (+ 5мм). За счет лучшего раскрытия кристаллов и освобождения их от минеральных включений и оторочек (промпродукт - забойный сырец) выход промышленного сырца из забойного при электроимпульсном раскрытии выше (47.4% против 44.3%). Показано, что электроимпульсная технология раскрытия слюды не снижает механические и электрические свойства мусковита.

Отработана технология разделки слитков (диаметром 600 мм) искусственной слюды фтор-флогопита. При сравнительных испытаниях способа с технологией разделки, применяющейся во ВНИИСИМС (г. Александров), выход подборов слюды (получают при последующей переработке выделенных при разделке слитков кристаллов) для ЭИ-дезинтеграции слитков оказался в 1.3 раза выше.

Но особо эффективным является использование ЭИ-дезинтеграции для извлечения драгоценных камней. При ЭИ-раскрытии кристаллосодержащих пород извлечение кристаллов повышается в 1.5-2 раза (в сравнении с тщательной ручной разделкой) с высокой их сохранностью от разрушения. Демонстрационные установки для извлечения гранатов, рубинов, изумрудов опробованы в экспедициях Мингео СССР (г. Медвежьегорск), в Малышевском рудоуправлении (г. Асбест). Совместно с НИИ ВН и «Механобром» (г. Санкт-Петербург) была создана комплексная установка для дезинтеграции и выделения ограночного кристаллосырья

[30], монтаж и испытания которой проведены в КНЦ (рис. 18). Стадия крупного дробления на установке представлена устройствами, разработанными в КНЦ.

Рис. 18. Установка для раскрытия камнесамоцветного сырья (на стенде КНЦ РАН)

При сопоставлении ЭИ-раскрытия пород с тщательной ручной разделкой, выполненном на различных рудах с кристаллами изумрудов, алмазов, рубинов, шпинели, гранатов, извлечение кристаллов при ЭИ-раскрытии оказывается в 1.5-2 раза более высоким с существенно лучшей их сохранностью от разрушения (рис. 19).

Процессы ЭИ-дезинтеграции различных руд и материалов различаются особой специфичностью, в том числе и по «ресурсному» критерию целесообразности применения ЭИ [31]. Отдельные процессы могут быть реализованы в промышленном масштабе при существующем уровне разработки электротехнического обеспечения. Реализация других требует дополнительных и в некоторых случаях весьма затратных работ по совершенствованию технических средств дезинтеграции, разработке специализированного электротехнического оборудования. С учетом тенденций в развитии горнопромышленного комплекса региона и расчетом на постепенное решение технических вопросов совершенствования средств дезинтеграции и разработки специализированного электротехнического оборудования, перспективы дальнейшего развития работ по ЭИ-дезинтеграции в интересах региона представляются следующими.

Рис. 19. Исходный образец рубиносодержащей породы (а) и кристаллы рубина, выделенные из породы электроимпульсной дезинтеграцией (б)

Последние достижения геологической науки выдвигают Кольский п-ов на позиции перспективной алмазоносной и платинометалльной провинции. С учетом опыта выполненных работ по технологии извлечения драгоценных камней при ЭИ-раскрытии кристаллосодержащих пород представляется целесообразным использование ЭИ для извлечения алмазов из коренных

пород алмазоносных трубок, не поддающихся технологии обогащения с использованием гидроразмыва. Это в полной мере относится и к добыче алмазов в Архангельской области.

Выполненное (совместно с Геологическим институтом) опробование ЭИ-дезинтеграции габбро-норита с сульфидным и платинометалльным оруденением показало ее высокую эффективность. Дезинтеграция проходит, главным образом, по границам минеральных зерен, поэтому минеральные индивиды, в том числе сложной формы, максимально высвобождаются от сопутствующих минералов, достигается высокая степень раскрытия сростков; сохраняется высокий процент зерен, обладающих "первичной" морфологией с минимальным переизмельчением; остается ненарушенной "скульптура" граней кристаллов. Зерна ценных минералов (сульфиды цветных и черных металлов, платиноиды, золото), как правило, характеризуются достаточно узким интервалом размеров. Раскрытие зерен минералов без разрушения, ошламования и размазывания отличающихся особой пластичностью минералов по зернам пустой породы приводит к обогащению полезными компонентами определенных узких фракций продукта, создавая в том числе и возможность обогащать продукт операцией выделения определенного класса крупности продукта. Использование ЭИ открывает путь разработки оптимальной технологической схемы обогащения руд при ожидаемом в ближайшее время освоении Панского массива. С выходом на промышленное освоение Панского массива и в восточные районы Кольского п-ова открывается перспектива использования ЭИ в рудоподготовительных процессах при обогащении руд редкоземельных элементов и в первоочередном порядке на богатых иттрийсодержащих жилах.

Высокая селективность ЭИ-дезинтеграции относится и к зернам акцессорных минералов, даже если их крупность не превышает десятков микрон. Имеет перспективы широкого использования новая методика подготовки проб для геохронологических исследований с использованием ЭИ-дезинтеграции, успешно апробированная (совместно с Геологическим институтом) при подготовке проб для изотопного датирования возраста пород и руд имандровского лополита на Кольском п-ове. Благодаря ЭИ-дезинтеграции значительно уменьшаются потери акцессорных минералов со шламами в процессе разделения минералов. Объем пробы породы для выделения необходимого для проведения анализов количества исследуемого минерала может быть существенно (в 3-5 раз) сокращен в сравнении с традиционными методиками, в которых используется механическое измельчение породы. Благодаря высокой сохранности морфологии включений возможности исследований расширяются, а достоверность геохронологических анализов повышается. Выполнение этих работ хорошо согласуется с постановкой вопроса о создании специализированных центров геохронологических и изотопно-геохимических исследований на базе современного высокопроизводительного оборудования, один из которых создается на Кольском п-ове. Отметим, что при проведении сепарационно-минералогических исследований могут быть исключены операции, свойственные традиционным методикам, в том числе разделение в тяжелых жидкостях, что существенно улучшит условия труда на сепарационном переделе.

Ощутимым недостатком, сужающим границы применения ЭИ-дезинтеграции, является выраженное снижение энергетической эффективности в области тонкого измельчения, обусловленное физическими факторами. С уменьшением крупности разрушаемых частиц до 1-2 мм вообще становится принципиально невозможным реализовать процесс электрического пробоя внутри частицы, и происходит смена механизма электроимпульсного воздействия (каналом разряда внутри частицы) на электрогидроимпульсный (каналом разряда вне частицы, в жидкой среде). Однако проблема энергоемкости, возникающая при переходе в область тонкого измельчения, не является тупиковой для использования в процессах переработки минерального сырья эффектов электрофизического воздействия на материалы. В развитие идеи электроразрядной активации материалов [10] в приложении к селективной дезинтеграции руд нами предложены различные варианты электроразрядного разупрочнения руд [8, 32]. В этих процессах ставится задача не собственно измельчения, а лишь избирательного разупрочнения структуры материала, осуществляемого электрогидроимпульсным воздействием или каналами незавершенных (или ограниченных по времени действия) электрических разрядов. В одних случаях технологический эффект реализуется на последующей стадии переработки минерального сырья, например, в гидрометаллургическом процессе извлечения полезных

компонентов (проверено на примере автоклавного выщелачивания на сподумене), в других - это является подготовительным процессом для последующего механического доизмельчения материала, эффективность которого резко улучшается (проверена в рудоподготовке лопаритовых руд). Сейчас это подтверждено впечатляющими результатами работ по подготовке к выщелачиванию пиритовых отходов [33] в ИЭ УрО РАН и золотосодержащих концентратов [34] в ИПКОН РАН с использованием импульсов напряжения наносекундной длительности. Технологически важно, что режим разупрочнения с использованием многоволновых СВЧ-генераторов может быть реализуем и в воздушной среде. Будущая технология обогащения руд с тонкой вкрапленностью нам представляется комплексной, использующей положительные свойства нескольких методов дезинтеграции, - высокую производительность дробления механическим способом, высокую селективность раскрытия руд электроимпульсным способом на стадии измельчения до гравитационной крупности и высокую эффективность вскрытия тонкой вкрапленности электроразупрочняющим воздействием.

Разработка электротехнического оборудования для электроимпульсной технологии

Электроимпульсная технология потребовала разработки электротехнического оборудования нового класса и решения ряда проблем его использования [35]. Применительно к условиям технологии были обоснованы параметры нового электротехнического оборудования и организована его разработка специализированными организациями: зарядных устройств

ограниченных габаритов шахтного исполнения КВТМ и РНТМ-ВТМ на Московском электрозаводе им. Куйбышева, генераторов импульсов шахтного исполнения ГИНШ - в ХПИ, высоковольтного импульсного кабеля с пустотелым центральным токопроводником - в Ереванском отделении ВНИИКП, импульсных конденсаторов - в Серпуховском филиале НПО "Конденсатор", источников импульсов на основе импульсного трансформатора - в Тольяттинском отделении ВЭИ и ВНИИЭФА. Испытания подтвердили возможность поэтапного совершенствования электротехнического оборудования. Разработанные зарядные устройства в значительной степени отвечали требованиям специфичных условий электроимпульсной технологии по показателям надежности работы. В наиболее сложной проблеме создания конденсаторов с высоким ресурсом работы также был заметный прогресс - ресурс работы конденсаторов повысился на три порядка, конденсаторы ИМ-50-0.2 практически обеспечивали гарантированный изготовителем ресурс работы в 108 имп. при частоте следования 20 имп/с. Однако удельные массогабаритные и энергетические характеристики оборудования оставались крайне низкими. Решение проблем повышения конкурентной способности электроимпульсных технологий - в кардинальном совершенствовании электротехнического обеспечения электроимпульсных процессов, в разработке и освоении новых технических решений в источниках импульсов с высокими удельными энергетическими характеристиками.

Произошедший в последние два десятилетия революционный прорыв в выпрямительной технике, связанный с совершенствованием полупроводниковой элементной базы, ферромагнитных материалов и переходом к схемам высокочастотного преобразования напряжения, позволил практически на два порядка улучшить удельные энергетические характеристики зарядных устройств, что в достаточной мере отвечает требованиям, предъявляемым условиями электроимпульсной технологии. При разработке генерирующей аппаратуры мы отталкиваемся от опыта разработки импульсных трансформаторов с участием ТФ ВЭИ и НИИЭФА. Удалось существенно уменьшить размеры генераторов импульсов, но с точки зрения минимизации размера и веса не устраивает использование в этих разработках магнитопроводов на железе. Решением является переход к использованию материалов с высокой магнитной проницаемостью, адаптации к условиям электроимпульсной технологии уже апробированных решений из смежных отраслей электротехники. Сейчас интерес к этой проблеме обозначили ИСЭ СО РАН и НИИ ВН, на проверке, по существу, находятся три варианта решений, и первые результаты выполненных работ обнадеживают [36-39].

Высоковольтное электроаппаратостроение для электроразрядных технологий -сравнительно молодая отрасль электротехники. Имеющийся багаж технических идей по совершенствованию оборудования значителен, но реализован далеко не в полной мере, и поэтому очень высока вероятность технологического прорыва в этой отрасли и вместе с этим -

технический прорыв в производственном использовании ЭИ-технологий. Современная элементная база уже сейчас позволяет создавать ЭИ-технологии в спецприменениях с ограниченной производительностью. Дальнейшее совершенствование установок в сторону повышения их мощности последовательно вовлечет в производственное использование другие технологические направления способа.

Электроимпульсный способ разрушения - опыт зарубежных исследований

За рубежом работы по электроимпульсной тематике были начаты в 1980-х гг. с участием переехавших за рубеж российских специалистов - в Великобритании (У. Андрес), Канаде (Н. Рудашевский), Японии (И. Лисицин) и при заинтересованности в работах бизнеса получили развитие. Сейчас работы по электроимпульсным технологиям, в том числе с участием российских организаций, проводятся в Германии, Франции, Корее, Швейцарии, Чили, Китае и др. В Германию, Францию, Великобританию были поставлены дезинтеграционные установки для измельчения технологических проб (разработка НИИ ВН при ТПИ, г. Томск - институт «Механобр», г. С.-Петербург). НИОКР по электроимпульсным технологиям выполнены для транснациональных компаний Shell, Schlumberger, BP, Komatsu и других. Schlumberger и норвежские компании Statoi и Unodrill AS профинансировали НИР и опытно-конструкторские работы по глубинному бурению скважин, созданию погружных импульсных генераторов и буровых наконечников. Komatsu проявила интерес к бурению скважин большого диаметра и утилизации некондиционных железобетонных изделий. В Дрезденском техническом университете при финансовой поддержке Германского фонда «Окружающая среда» с участием НИИ Высоких напряжений, г. Томск выполняются работы по электроимпульсному резанию горных пород. В научном центре г. Карлсруэ (Германия) после приобретения у НИИ Высоких напряжений двух установок был даже открыт исследовательский институт электроразрядных и микроволновых технологий. Уже появились предложения зарубежных фирм на продажу электроимпульсных установок. Фирма Ammann Schweiz AG Mediacenter (Швейцария) на сайте http://www.selective -fragmentation.com/ представляет электроимпульсные установки селективной фрагментации SelFrag, изготавливаемые по лицензии Исследовательского центра Карлсруэ, Г ермания.

Свидетельством растущего интереса и ожиданий со стороны производства к электроимпульсным технологиям за рубежом является активное патентование разработок. При этом зачастую в качестве новизны включаются элементы и технические решения, которые давно известны и описаны российскими учеными, в том числе в непубликуемых изданиях («серая литература»), изобретениях.

Наше государство и отечественный бизнес теряют уникальную возможность освоения инновационных технологий, создались условия для безвозвратной утраты накопленного в России большого багажа составляющих «ноу-хау» знаний. Нет уверенности в том, что в условиях, когда в России по финансовым причинам существенно свернут фронт научных и проектноконструкторских работ по электроимпульсным технологиям, ликвидированы уникальные стенды и расформированы научные коллективы, в мире будут считаться с приоритетом российских разработок, а российское патентное ведомство будет способно дать объективную оценку технической новизны в патентах зарубежных авторов при выдаче им российских патентов. Это будет препятствовать продвижению отечественных научно-технических разработок на внешние рынки, а при импорте новой техники в Россию по запатентованным в России зарубежным разработкам приведет к прямому экономическому ущербу для страны и российских перворазработчиков и авторов неопубликованных изобретений.

В условиях, когда в России у бизнеса отсутствует интерес к модернизации производства с использованием потенциала отечественных научно-технических разработок, когда разрушена система проектно-конструкторских организаций, лучшим вариантом для защиты научнотехнического приоритета России в разработке электроимпульсных технологий было бы формирование специальной государственной научно-технической программы на НИОКР по ускоренной доработке отечественных научно-технических разработок до создания опытных образцов и организации производства новой техники в России.

Пока этого нет, стратегия развития работ в КНЦ РАН (вслед за НИИ ВН г. Томск) исходит из необходимости поиска внутри страны и за рубежом организаций, готовых на финансовое

обеспечение совместного выполнения НИОКР по созданию опытных образцов на базе научного вклада КНЦ и организацию совместного производства продукции, защищенного совместными патентами. При этом, учитывая широкую гамму технологических применений способа и диапазон энергетических режимов, предлагается поэтапное рассмотрение и решение проблемы восхождением от простого к сложному. На первом этапе предлагается создание установок ограниченной производительности, соответствующих запросам и отвечающих требованиям определенных отраслей, а уже далее по мере совершенствования электротехнического обеспечения способа целесообразно перейти к созданию более мощных установок и по более широкому спектру перспективных направлений использования.

Рис. 20. За обсуждением научных проблем ЭИ-способа в Университете науки и технологии Хаужонг, Китай (ноябрь 2012)

Кольским научным центром РАН с участием СПбГТУ в контакте с Geoexplorationes S.A (Чили) для фирмы Codelco (Чили) выполнена разработка «Mining comminution applications and maintenance agreement in non conventional fracturation methods», направленная на разработку принципиальной схемы разрушения валунов при подземной добыче руд с использованием электроразрядных технологий (электроимпульсное бурение шпура и электрогидроимпульсное разрушение валуна).

В настоящее время заключено соглашение о совместных работах по электроимпульсной тематике с Университетом науки и технологии Хаужонг (Китай) (рис. 20), проект совершенствования электротехнического оборудования для электроимпульсной технологии включен в программу межгосударственного научно-технического сотрудничества России и КНР на 2013-2014 гг.

В обзоре использованы результаты работ, выполненные автором совместно с Б.С. Блазниным (рук. лаборатории «Кварц» в 1964-1981 гг.), В.М. Адамом, В.С. Баранцевым, Д.Н. Блазниной, А.Н. Данилиным, А.Х. Ерухимовым, М.М. Каганом, В.С. Кононенко,

A.И. Ракаевым, С.В. Ромакиным, Л.Л. Савчуком, Н.П. Тузовым, И.А. Щеголевым,

B.А. Цукерманом, В.В. Бородулиным, А.С. Потокиным.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Воробьев А.А. Электрические разряды обрабатывают материалы, разрушают твердые тела // Изв. Томск, политехн. ин-та. Томск: Изд-во ТГУ, 1958. Т. 95. С. 315-339; 2 Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект. М.; Л.: Машгиз, 1955. 50 с. 3. Воробьев А.А. и др. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков /

A.А. Воробьев, Г.А. Воробьев. М.: Высшая школа, 1956. 4. Воробьев А.А. и др. Способ отбойки и раздробления полезных ископаемых и горных пород / А.А. Воробьев, Е.К. Завадовская. Авт. свид. на изобретение № 1954-03 с приоритетом от 28.УП. 1951; 5. Протасов Ю.И. и др. Электрическое разрушение горных пород / Ю.И. Протасов,

B.В. Ржевский. М.: Недра, 1967. 6. Арш Э.И. Применение токов высокой частоты в горном деле. М.: Недра, 1967; 312 с.; 7. Воробьев А.А. Разрушение горных пород электрическими импульсными разрядами. Томск: Изд-во ТГУ, 1961. 150 с. 8. Усов А.Ф. и др. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов / А.Ф. Усов,

А.И. Ракаев // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 42-43. 9. Ракаев А.И. Оптимизация рудоподготовки при гравитационном обогащении. Л.: Наука, 1989. 184 с. 10. Шепелев И.И. Интенсификация процессов пульпоподготовки при извлечении цветных металлов с применением электровзрывной активации. Красноярск,

1989. 206 с. 11. Усов А.Ф. и др. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии / А.Ф. Усов, Б.В. Семкин, Н.Т. Зиновьев. Л.: Наука, 1987. 179 с. 12. Семкин Б.В. и др. Основы электроимпульсного разрушения материалов / Б.В. Семкин, А.Ф. Усов, В.И. Курец. Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 276 с. 13. Курец В.И. и др. Электроимпульсная дезинтеграция материалов./ В.И. Курец, А.Ф. Усов, В.А. Цукерман. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с. 14. Казуб В.Т. и др. Электрический разряд на границе раздела жидкого и твердого диэлектриков / В.Т. Казуб, Г.С. Коршунов// Физика диэлектриков и новые области их применения: тез. докл. Всесоюз. конф. Караганда, 8-10 июня 1978 г. Караганда: Изд. Караганд. политехн. ин-та, 1978. С. 26-27. 15. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород / А.А. Воробьев, Г.А. Воробьев, Е.К. Завадовская и др. Томск: Изд. Томского ун-та, 1971. 225 с. 16. Тонконогов М.П. Диэлектрическая релаксация, электрический пробой и разрушение горных пород. М.: Недра, 1975. 175 с. 17. Семкин Б.В. Электрическая искра в твердом теле как источник механических возмущений среды // Техника высоких напряжений. Томск: Изд. Томск. ун-та, 1973. С. 2223. 18. Семкин Б.В. Электрический взрыв в конденсированных средах. Томск: Изд. Томск. политехн. ин-та, 1979. 89 с. 19. Сёмкин Б.В. и др. Определение коэффициентов поглощения плазмы канала разряда в твердом диэлектрике / Б.В. Сёмкин, Б.Г. Шубин // ПМТФ, 1977. № 4. С. 38-39. 20. Семкин Б.В. и др. Задача Даниловской в случае движущейся с постоянной скоростью границы упругого полупространства / Б.В. Семкин, А.В. Юшин // Прикл. математика и механика. 1981. Т. 85, N 2. С. 394-396. 21. Шилин П.Е. Экспериментальное исследование канальной стадии импульсного электрического пробоя твердых диэлектриков: дис. ... к.т.н. Караганда, 1978. 164 с. 22. Усов А.Ф. и др. Трещинообразование в твердом теле при динамическом нагружении / А.Ф. Усов, И.А. Щеголев, Б.С. Блазнин и др. // Физика процессов и техника разработки недр. Л.: Наука, 1970. С. 55-59. 23. Блазнин Б.С. и др. Экспериментальные исследования импульсного электрического разряда как источника динамического нагружения / Б.С. Блазнин, А.Ф. Усов, С.С. Локшина и др. // Термомеханические методы разрушения горных пород. Киев: Наукова думка, 1972. Ч. 5. С. 104-107. 24. Блазнин Б.С. и др. Разрушающие факторы при воздействии на твердое тело искрового разряда. / Б.С. Блазнин, А.А. Кожушко, В.А. Лагунов, А.Ф. Усов // Исследование действия взрыва при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1973. С. 166-171. 25. Семкин Б.В. и др. Энергетические аспекты электроимпульсной дезинтеграции твердых тел /Семкин Б.В., Курец В.И., Финкельштейн Г.А. // Обогащение руд. 1980. N 3. С.5-8. 26. Ерухимов А.Х. и др. Анализ оптимальных соотношений в коаксиальной системе с комбинированной изоляцией / А.Х. Ерухимов, Л.Л. Савчук, Р.А. Трок, А.Ф. Усов // Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. М.: Энергия, 1970.

С. 387-392. 27. Ерухимов А.Х. и др. Об условиях работы комбинированной изоляции коаксиальных систем передачи высоковольтных импульсов / А.Х. Ерухимов, Н.П. Тузов, А.Ф. Усов. // Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция: сб. стат. М.: "Энергия", 1970. С. 612-617. 28. Блазнин Б.С. и др. Обработка природного камня электрическими разрядами / Б.С. Блазнин, И.А. Щеголев, Л.И. Лозин и др. // Электрон. обраб. материалов. 1983. N 1. С. 5-7. 29. Усов А.Ф. и др. Перспективные процессы для камнедобычи и камнепереработки на основе электроимпульсного способа разрушения материалов / А.Ф. Усов, И.А. Щеголев, В.М. Адам // Добыча, обработка и применение природного камня. Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 129-149. 30. Курец В.И. и др. Комплексная установка для дезинтеграции и выделения ограночного кристаллосырья из продуктивных пород /

B.И. Курец, А.Ф. Усов, Г.А. Финкельштейн и др. // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 40-41. 31. Усов А.Ф.

Перспективы технологий электроимпульсного разрушения горных пород и руд // Известия РАН. Энергетика. 2001. №1. С. 54-62. 32. Усов А.Ф. Электроимпульсное разрушение материалов: аспекты энергосбережения, экологии и комплексного использования минерального сырья: материалы Междунар. конф. «Наука и развитие

технобиосферы Заполярья: опыт и вызовы времени», г. Апатиты, 29 ноября - 1 декабря 2005 г. Апатиты, 2005. С. 124-127. 33. Котов Ю.А. и др. Комплексная переработка пиритовых отходов горно-обогатительных комбинатов наносекундными импульсными воздействиями / Ю.А. Котов, Г.А. Месяц, А.Л. Филатов и др. // ДАН. 2000. Т. 372, №5. С. 654-656. 34. Чантурия В.А.и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов / В.А. Чантурия, Ю.В. Гуляев, В.Д. Лунин и др. // Дан. 1999. Т. 366, №5. С. 680-683. 35. Усов А.Ф. и др. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения ма териалов источниками высоковольтных импульсов / А.Ф. Усов, В.С. Гладков // Вестник НТУ "ХПИ". Харьков, 2004. Вып. 35. С. 143-154. 36. Усов А.Ф. и др. Проблема улучшения удельных массогабаритных и энергетических характеристик технических средств электроимпульсного разрушения материалов / А.Ф. Усов, В.В. Бородулин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. №9. С. 375--379. 37. Канаев Г.Г. и др. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий / Г.Г. Канаев, В.Р. Кухта, В.В. Лопатин и др. // Приборы и техника эксперимента. 2010. № I. С. 105-109. 38. Kovalchuk B.M. et. al. High-voltage pulsed generator for dynamic fragmentation of rocks / B.M. Kovalchuk, A.V. Kharlov, V.A. Vizir, V.V. Kumpyak, V.B. Zorin, and V.N. Kiselev // Rev. Sci. Instrum. 81, 103506 (2010); doi:10.1063/1.3497307). 39. Усов А.Ф. и др. О стратегии разработки и освоения электротехнического оборудования для технологий электроимпульсного разрушения материалов. Материалы Всероссийской (с международным участием) конф. по физике низкотемпературной плазмы «ФНТП-2011», г. Петрозаводск, 21-27 июня 2011 г. / А.Ф. Усов, А.С. Потокин. Петрозаводск: Изд. ПетрГУ, 2011. Т. 2.

C. 62-69.

Сведения об авторе:

Усов Анатолий Федорович - к.т.н., с.н.с., нач. научно-организационного отдела КНЦ РАН, старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН; e-mail: [email protected]