CC BY
84
УДК 621.374 А. Ф. Усов
ПРИМЕР ИЗ ОПЫТА АНАЛИЗА ЗАРУБЕЖНЫХ ПАТЕНТОВ ПО ТЕМАТИКЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Представлен анализ зарубежного патента в области электроимпульсных способов и средств разрушения горных пород применительно к отбойке фрагментов горной породы от массива. Выявлены и объяснены ошибки авторов в трактовке элементов новизны в предложенном способе. На основе известных положений о физических основах способов разрушения материалов, данных о закономерностях пробоя и разрушения твердых диэлектриков и горных пород дана оценка технико-физических показателей предлагаемого способа фрагментации, показывающая недостижимость заявляемых патентом целей. Ключевые слова:
высоковольтный импульсный пробой, электроимпульсное разрушение, горные породы, фрагментация, отбойка породы от массива.
A. F. Usov
THE EXAMPLE FROM EXPERIENCE OF ANALYSIS OF FOREIGN PATENTS ON ELECTRIC PULSE DESTRUCTION OF MATERIALS
Abstract
The article gives the analysis of the foreign patent on electric pulse destruction and rock destruction tools in relation to breaking rock morsels from a continuous surface. It reveals and explains the authors' mistakes in interpretation of the proposed method novelty. Based on the well-known provisions of physical bases of materials destruction methods as well as on the data on breakdown mechanism and destruction of solid dielectrics and rocks, we have estimated the technical and physical parameters of the proposed fragmentation method and showed that the method, developed in the patent, is invalid. Keywords:
high-voltage pulse breakdown, electric pulse destruction, rock breed, fragmentation, rock morsel breaking.
31
Введение. Способы электроразрядного разрушения материалов с непосредственным электрическим пробоем. Уже приходилось отмечать, что свертывание в России работ по электроимпульсной тематике ставит под угрозу возможности использования созданного российскими учеными багажа научно-технических знаний и ноу-хау в области технологий электроимпульсного разрушения материалов [1]. Исследовательский центр Карлсруэ (FZK), ФРГ, после опробования установок, поставленных НИИ ВН, г. Томск, создал Институт микроволновой техники, и сейчас по лицензиям FZK фирма "Selfrag", Швейцария, предлагает дезинтеграционные установки различного технологического назначения.
Свидетельством растущего интереса и ожиданий со стороны производства к электроимпульсным технологиям за рубежом является активное патентование разработок. При этом зачастую за новизну принимаются элементы и технические решения, которые давно известны и описаны российскими учеными. Нет уверенности в том, что в условиях, когда в России по финансовым причинам существенно свернут фронт научных и проектно-конструкторских 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 заявках зарубежных авторов на выдачу им российских патентов. Это будет препятствовать продвижению отечественных научно-технических разработок на внешние рынки, а импорт новой техники в Россию по запатентованным в России зарубежным разработкам приведет к прямому экономическому ущербу для страны, российских перворазработчиков и авторов неопубликованных изобретений.
Принцип зарубежного патентования I claim («Я утверждаю») позволяет без достаточного обоснования и проверки «новыми» сформулированными признаками новизны «обходить» патенты конкурентов.
Нам поступило предложение экспериментально подтвердить и оптимизировать под конкретную задачу возможность создания инструмента для отбойки горной породы от массива на принципе патента US 4653697 Method and Apparatus for Fragmenting a Substance by the Discharge of Pulsed Electrical Energy (Inventors: George Codina — Hartsdale, NY; Assignee: CEEE Corporation — Stamford, CT).
Патент предлагает способ фрагментации вещества энергией импульсного электрического разряда через вещество. Ко времени заявления способа (1985 г.) были опубликованы результаты исследований основных известных к настоящему времени способов этого принципа, представленных на рис. 1.
Взаимодействия канала разряда с материалом приводят к его разрушению [1-3], что особо интересно электроаппаратостроению. Природным аналогом разрушения твердых тел/горных пород электрическими разрядами является разрушение естественных объектов природы (скальные выступы горных пород, деревья), строений (печные трубы) разрядами атмосферного электричества. Далее используются термины «твердое тело» при рассмотрении физических аспектов и «горная порода», «руда», «материал» при рассмотрении технологических аспектов. Способ высоковольтного импульсного пробоя, предложенный и описанный А. А. Воробьевым в [4], зарегистрирован в СССР авторскими свидетельствами на изобретения
№ 195408 «Способ разрушения горных пород и полезных ископаемых» (А. А. Воробьев, Е. К. Завадовская) с приоритетом от 26.06.1951 г. (зарегистрирован 25.02.1967 г.) и № 195403 «Способ отбойки и раздробления полезных ископаемых и горных пород» (А. А. Воробьев, Е. К. Завадовская) с приоритетом от 28.07.1951 г.
1
Рис. 1. Принципиальные схемы электроразрядных способов разрушения материалов с электрическим пробоем горной породы: 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
Согласно предложению для реализации способа высоковольтного импульсного пробоя электроды располагаются в специально выбуренных шпурах (рис. 1, а) так, чтобы путь перекрытия по поверхности был значительно больше разрядного промежутка в твердом теле. Именно в таком варианте впервые в 1953 г. И. И. Каляцкий (Томский политехнический институт) опробовал способ отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжения (ГИН) Аркадьева — Маркса. Для пород с низкой электрической прочностью (сланцы, каменные угли) способ можно реализовать и в несколько упрощенном варианте при возможности формирования ступенчатой формы забоя. 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.
Принцип электротеплового пробоя на переменном напряжении промышленной частоты и напряжении высокой частоты положен в основу способов электродинамического разрушения (рис. 1, б [5]) и высокочастотного контактного способа (рис. 1, в [6, 7]). В данных случаях в горной породе на высоком переменном напряжении формируется канал электротеплового пробоя с последующим выделением в нем энергии емкостного накопителя. За счет
быстрого нагрева массива полем высокой частоты формирующийся тепловой клин способен создавать в массиве поле механических напряжений, достаточных для разрушения твердого тела, что стало самостоятельным способом разрушения без импульсного источника энергии. Применение способов электродинамического разрушения и высокочастотного контактного способа ограничивается породами с повышенной электропроводностью типа магнетитовых железистых кварцитов.
Основой предложений по усовершенствованию способа высоковольтного импульсного пробоя послужили результаты систематических исследований электрической прочности жидкой и твердой изоляции на импульсном напряжении, закономерностей развития разрядов по границе раздела сред, закономерностей формирования канала разряда и силовых полей в твердом теле, закономерностей прорастания трещин и энергетических характеристик разрушения материала, представленных в [8-19]. Физической основой нового способа, названного электроимпульсным способом разрушения материалов, является научное открытие «Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения» с приоритетом от 14 декабря 1961 г. (авторы А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев и А. Т. Чепиков), зарегистрированное Российской академией естественных наук в 1999 г., диплом № 107, рег. № 122. Новый способ лишен недостатка, свойственного способу высоковольтного импульсного пробоя, он не требует предварительного бурения шпуров, допускает подачу импульсов напряжения с частотой в несколько десятков импульсов в секунду, обеспечивая этим высокую производительность процессов. Монографический цикл обобщающих работ [20-22], раскрывающий физические основы способа и закрепляющий приоритет российских ученых в разработке способа, Российской академией наук отмечен премией имени П. Н. Яблочкова за 2003 г.
С 1960-х гг. разработку способа вели Томский политехнический институт (ныне университет), Кольский филиал АН СССР (ныне Кольский научный центр РАН (КНЦ РАН)), Карагандинский политехнический институт, институт "Механобр" (Санкт-Петербург) и Институт угля СО РАН. Этими работами на принципиально новом физическом принципе созданы научно-технические основы высокопроизводительных, энергетически и технологически эффективных процессов разрушения геоматериалов для горного дела, инженерного строительства, переработки минерального сырья. Разработки апробированы на экспериментальных лабораторных стендах и опытных установках в производственных условиях. Технико-технологические разработки оформлены более чем 500 авторскими свидетельствами на изобретения, в том числе 50 от КНЦ РАН.
Серьезное внимание электроимпульсному способу разрушения за рубежом начато с публикаций и патентов переехавших за рубеж российских исследователей У. Андреса, И. Лисицина и В. Рудашевского.
Характеристика патента ДО 4653697. В патенте ДО 4653697 существенная новизна выражается в необходимости и способе предварительного тестирования объекта разрушения, чтобы обосновать оптимальные параметры режима основного энергетического воздействия на объект, обеспечивающего достижение максимальной эффективности процесса фрагментации.
Обычно принято разработку любой технологии начинать с этапа научно-исследовательских работ, изучения физических свойств объекта, выявления основных закономерностей процесса, чтобы обосновать режимы процесса обработки конкретного материала. Создается впечатление, что автор патента преследовал цель вписаться (по-русски - «примазаться») в технологии, чтобы затем дополнительными необоснованными и неподтвержденными признаками ограничить притязания на новизну во взятых за аналог патентах. При этом «новый» признак автор распространяет на широкий спектр принципиально отличающихся технологий импульсного электроразрядного воздействия. Основной пункт патента защищает:
"A method of fragmenting a substance by discharging pulsed electrical energy through the substance comprising the steps of:
(a) contacting the substance with a plurality of electrodes;
(b) discharging a series of measuring pulses into the substance via the electrodes, the measuring pulses having a common voltage amplitude, but different time duration;
(c) measuring the amplitude of the current passing between the electrodes for each measuring pulse;
(d) selecting the measuring pulse having the highest current amplitude as the characteristic pulse duration for fragmenting the substance; and,
(e) discharging at least one fragmenting pulse having an energy level of between 0.5 and 100 KJ into the substance via the electrodes, the fragmenting pulse having a duration approximately equal to the characteristic pulse duration".
Применение многоэлектродных конструкций в технологиях с импульсным энергетическим воздействием относится ко всем указанным на рис. 1 технологиям.
Введенный в состав установки блок генерирования тестовых импульсов в сочетании с измерением параметров тока и напряжения (поз. 16, 38, 42 рис. 2) никаким образом не связаны с определением технико-физических показателей процесса фрагментации и не являются системой контроля над процессом фрагментации.
Рис. 2. Принципиальная схема фрагментации материала импульсами электрической энергии согласно патенту ^ 4653697
Предлагаемая система тестового опробования, ограниченная п. 17 патентной формулы до трех импульсов напряжением 1 кВ и длительностью соответственно 1, 2, и 4 мкс, не выводит на научно обоснованный критерий оптимизации процесса фрагментации. Согласно патенту критерий оптимизации сводится к выбору длительности фрагментирующего импульса, равной длительности тестового импульса, имеющего самую высокую амплитуду тока при разряде импульсного генератора (16, рис. 2) на электроды (30, рис. 2) в блоке породы, предназначенном для разрушения (32, рис. 2). Фрагментирующий импульс в патенте характеризуется только энергетической составляющей — величиной энергии импульса и продолжительностью ее выделения без указания напряжения заряда емкостного накопителя энергии и амплитуды импульса. Кстати, в описании схемы дана безграмотная характеристика "Power Supply" (Power supply 10 may have an output of 100 watts and 120 volts A. C. while current regulator 12 may have a capacity of 5mA). "120 volts A.C." можно отнести только к переменному напряжению на входе зарядного устройства, а напряжение выхода не указано ни в описании работы схемы, ни в примерах испытания устройства.
Самое главное, в патенте не учитывается физическая сущность процесса электроразрядного фрагментирования, реализуемого в две последовательные стадии — электрический пробой с формированием канала разряда и энерговыделение при разряде емкостного накопителя на канал разряда с созданием в твердом теле импульсных силовых полей, приводящих к разрушению твердого тела.
Если исходить из представления о двух стадиях процесса, то для стадии пробоя горной породы нужно обеспечить получение импульсного напряжения на нагрузке с параметрами, соответствующими критериальным условиям технологии, т. е. гарантирующим максимальную (100 %) вероятность пробоя при минимальных пробивных градиентах (этим обеспечивается пробой промежутка максимальной величины). Это определяется электрофизическими свойствами (электрическая прочность) горной породы и параметрами схемы генерирования импульсов, из которых часть является контролируемыми (разрядная емкость, волновое сопротивление передающей системы), а сопротивление нагрузки определяется свойствами горной породы. Для стадии энерговыделения в канале разряда нужно обеспечить максимальную энергетическую эффективность процесса разрушения, которая в зависимости от требований к технико-технологическим показателям процесса может быть выражена различным соотношением параметров: максимальный объем разрушения за счет максимального прорастания магистральных трещин, максимальное значение образованной новой поверхности и заданный гранулометрический состав продукта разрушения. Это зависит от контролируемых параметров разрядного контура
CU2
(разрядная емкость, запасаемая энергия, определяемая соотношением W = —-—)
и физико-механических (прочностных и упругих) свойств горной породы. В этом случае сопротивление канала разряда, от которого зависит коэффициент передачи энергии в канал разряда, определяется совокупностью контролируемых и неконтролируемых свойств системы [21]. Согласовать критерии оптимизации пробоя и энерговыделения в схеме с одним накопителем энергии практически невозможно [20].
Согласно патенту тестовые импульсы напряжения одного уровня напряжения, но различной продолжительности получаются с использованием генератора Маркса. Отметим, что генераторы Маркса применяются для получения импульсов в сотни киловольт, и без применения специальных способов коррекции формы импульсов о регулируемом параметре «длительность импульса» говорить не имеет смысла. Для получения импульса в 1 кВ с формой, близкой к прямоугольной (только в этом случае можно говорить о длительности импульса), следует использовать другие схемы.
Далее, допустим, что тестовая схема гарантирует получение импульсов контролируемой длительности. Но, во-первых, оценка импеданса породы по формуле X = и/1 будет справедлива лишь при подключении регистратора тока непосредственно у электродов. Чтобы по сигналу на входе линии оценить импеданс породы, нужно вести расчет с учетом отражения сигнала от конца линии. Даже если допустим, что импеданс оценивается правильно, то тогда.
1. Не представлено обоснования для ожидания того, что применительно к горным породам при напряжениях импульсов 1 кВ длительность тестовых импульсов будет существенно влиять на величину тока. В столь слабом электрическом поле нет физических причин для проявления нелинейности нагрузки и ток будет одинаков для любой длительности импульса, соответственно, и импеданс породы будет неизменным. К сожалению, в патенте не приведены экспериментально полученные осциллограммы, и декларируемую зависимость тока от длительности тестового импульса напряжения нельзя считать подтвержденной.
2. Принцип предварительного тестирования в предлагаемом электротехническом решении нельзя использовать даже для частной задачи оптимизации параметров генерирования высоковольтных импульсов для первого этапа процесса — электрического пробоя горной породы. Достоверное определение импеданса горной породы, позволяющее в расчетных схемах замещения представить нагрузку совокупностью резистивной и емкостной составляющих, может дать основу для расчета параметров генерируемых импульсов при известных контролируемых параметрах схемы — разрядной емкости, волнового сопротивления передающей линии, а также для оптимизации электрической схемы генерирования импульсов по критерию максимального коэффициента использования схемы (позволяет увеличить длину разрядных промежутков). Примеры решения подобных задач для электроимпульсной технологии в присутствии жидкой среды, в том числе воды, рассмотрены в [23-25] и в развернутом виде в [20]. По анализируемому патенту можно отметить ошибки автора в трактовке электротехнических расчетов. Вряд ли следует усложнять схему введением передающей линии, чтобы решать задачу согласования волнового сопротивления линии и импеданса нагрузки. Импеданс горных пород, если только они не насыщены электролитными растворами, на несколько порядков выше волнового сопротивления системы ограниченной длины токопроводников от генератора к электродам. Предлагаемый патентом способ увеличения волнового сопротивления длинной линии введением сосредоточенной индуктивности невозможен по определению (длинная линия — система с распределенными параметрами). Возможно, что составляющие новизну элементы электротехники в анализируемом патенте заимствованы из патентов по высокочастотному нагреву нефтеносных сланцевых
пластов (один из патентов G. Codina связан с воздействием на нефтеносные пласты с целью повышения нефтеотдачи, и он в курсе этой проблемы). Но там применительно к измерению импеданса пород повышенной электропроводности это может быть оправдано, тем более что энергетические импульсы используются в один прием высокочастотного нагрева, а генераторы импульсов далеко отстоят от электродных систем.
В приведенных в патенте примерах использования способа не указаны параметры накопителя энергии — напряжение и емкость, что не позволяет проверить являются ли данные фактическими, а не вымышленными. Экспериментально неподтвержденными и просто безответственными являются отличительные признаки патента в отношении энергетических параметров фрагментирующих импульсов — до 100 кДж, разрядных промежутков — до 12 дюймов.
Оценка технико-физических характеристик отбойки материала от массива на принципе способа высоковольтного импульсного пробоя. Автор патента ДО 4653697, возможно, сознательно, чтобы не пугать экспертов и облегчить прохождение заявки на патент, не указывает данные об уровне напряжений, при которых реализуется способ. Это достаточно высокие напряжения — несколько сотен киловольт. Данные об электрической прочности твердых диэлектриков и горных пород и руд приведены в [8, 21-23] и для примера представлены на рис. 3 (рис 1.5 из [20]).
Рис. 3. Вольт-секундные характеристики пробоя горных пород в поле «острие — плоскость» на косоугольных импульсах положительной полярности: 1 — кварцит; 2 — фельзит-порфир; 3 — мрамор; 4 — глинистый сланец;
5 — песчаник
Приведенные выше данные, соответствующие пробою в промежутке 1 см в системе электродов с резко неоднородным полем (острие — плоскость), могут служить исходными для пересчета на разрядные промежутки иной
величины. Данные, соответствующие времени 10-5 с, близки к минимально возможным значениям прочности на постоянном и переменном напряжении. Для связи пробивного напряжения с параметрами импульса и величиной разрядного промежутка в системе электродов с резко неоднородным полем (острие — плоскость) можно воспользоваться эмпирическими соотношениями, приведенными в [21]. Экспериментальные данные для подобных условий представлены на рис. 4 (рис 2.7 в [21]).
и,
340 280 220 160
15 30 45 60 75 90 в, мм
Рис. 4. Зависимость электрической прочности горных пород от величины
разрядного промежутка: 1 — мрамор; 2 — сланец; 3 — песчаник; 4 — лед; 5 — уголь
В системе острийных/стержневых электродов (при меньшей степени неоднородности поля) значения напряжения пробоя будут несколько выше. На импульсах прямоугольной формы значения напряжения пробоя несколько (10-15%) ниже.
Таким образом, с ориентировкой на разумный уровень импульсных напряжений в 200-300 кВ можно предполагать, что разрядные промежутки в электродной системе для отбойки породы от массива способом высоковольтного импульсного пробоя будут не более 40-50 мм.
В технологиях высоковольтного импульсного пробоя большое значение имеет фактор разгрузки канала разряда, обусловленный истечением плазмы через устья канала разряда в области электродов и через растущие и выходящие на свободную поверхность трещины [10]. При возникновении этих условий давление в плазме канала разряда резко снижается, соответственно, снижаются параметры генерируемых в твердом теле силовых полей и в конечном итоге эффективность разрушения. Степень разгрузки наиболее выражена, если окружающей средой будет воздух.
В приведенных на рис. 5 данных изменение условий разгрузки осуществлялось герметизацией острийных электродов эпоксидным компаундом. В опыте регистрировались время роста трещин, максимальная длина магистральных трещин, суммарная длина видимых трещин, площадь трещинообразования (ограничена по вершинам магистральных трещин).
За критическое значение времени разгрузки может быть принято отношение половины длины канала пробоя к скорости распространения волны в плазме [9, 11]. Именно за этот промежуток времени энергия накопителя должна быть выделена в канале разряда, и это является критерием оптимизации на второй стадии процесса электроразрядного разрушения с электрическим пробоем твердого тела.
1>Ш 16-
41
м ж.мис
Условий ПАРАМЕП>ЬГ -----. РАЗРУШЕНИЯ"" а} 5] 6)
ЙР€МЯ ТРЕЩИИООБРМОВАКИЯ. и» си 36 56 68
ПЛОЩАДЬ ТРЕЩЦН005Р«08АНИЯ. ММ! зэо 615.5 Ю52
Суммарная длина ВИДИМЫХ ТРЕЩИН, мм 58,8 81 22В
МАКСИМАЛЬНАЯ ДЛИНА ТРЕЩИН. ММ 8 14 21
Рис. 5. Показатели трещинообразования при сквозном пробое оргстекла с различной степенью герметизации электродов: 1, в — герметизированы оба электрода; 2, б — герметизирован один электрод;
3, а — без герметизации
Глубина погружения электродов в шпуры предопределяет потенциальный объем воронки откола материала от массива. Применительно к электроимпульсному способу разрушения (рис. 1, г) предложены эмпирические выражения связи объема разрушения с величиной разрядного промежутка (половина эллипсоида, оси которого функционально связаны с величиной разрядного промежутка). Для способа высоковольтного электрического пробоя (рис. 1, а) соотношения неизвестны, но, видимо, можно воспользоваться аналогичными данными из литературы по взрывным способам разрушения материала. Но, определенно, чем меньше глубина погружения, тем меньше будет объем разрушения. В откольную воронку, по аналогии с электроимпульсным способом, будет вовлечена лишь незначительная доля материала ниже канала пробоя — материал зоны смятия (рис. 6).
Рис. 6. Формирование откольной воронки при электрическом разряде в оргстекле под поверхностностью образца (схема и картина разрушения в трех
ракурсах, в центре вид сверху)
В приближенных оценках объема разрушения можно воспользоваться данными электроимпульсного разрушения железобетонных строительных панелей (глава 4.6 в [22]). В данном варианте разрушения одним из электродов является арматура панели, а высоковольтный стержневой электрод перемещается по поверхности панели. Процесс осуществляется в ванне с водой, чтобы избежать перекрытия с высоковольтного электрода на обнажающуюся арматуру. В наиболее простом случае панелей с однослойной арматурой при энергии
импульсов в 19 кДж и рабочем напряжении 420 кВ производительность одного разряда составляет порядка 2.5 дм3, а энергоемкость 2 кВтч/м3. Для технологий на основе высоковольтного импульсного пробоя производительность будет, соответственно, ниже в силу того, что будут меньше разрядные промежутки для обеспечения принципа координации пробивных напряжений сквозного пробоя породы и разряда перекрытия по поверхности и будет более выраженным снижение эффективности разрушения за счет разгрузки канала разряда при реализации процесса в воздушной окружающей среде.
При обосновании оптимальной глубины погружения электродов в шпуры должно быть учтено два условия. Глубина погружения электродов ( должна быть достаточной, чтобы выполнялось условие принципа координации электрических прочностей в параллельной системе сред — превышение напряжения перекрытия по поверхности горной породы над напряжением сквозного пробоя горной породы в области торцевых окончаний электродов. С другой стороны, глубина погружения электродов (Итак) не должна быть более
того уровня, при котором распространяющиеся от канала разряда трещины достигают свободной поверхности за время выделения энергии до момента разгрузки канала пробоя. Оба этих значения могут быть оценены по значениям скоростей развития разрядных процессов в горной породе, по поверхности горной породы и по распространению магистральных трещин в горной породе.
Выводы
По оценке условий реализации разрушения горных пород высоковольтным импульсным пробоем метод, описанный в обсуждаемом патенте, не имеет перспектив производственного использования в горном деле и горнотехническом строительстве. Вопрос со способом разрушения горных пород высоковольтным импульсным пробоем для промышленной электротехнологии закрыт в 1953 г., и пока не предъявлено специфических задач, чтобы возвращаться к нему.
С большей эффективностью и меньшими техническими проблемами задачи горного дела и горнотехнического строительства, например строительства туннелей и подземных горных выработок, могут решаться с использованием электроимпульсного способа разрушения материалов. Для отбойки породы от массива можно использовать средства электроимпульсного бурения (проходка пилотной скважины) и резания горных пород (подрезание, вырезка блоков, проходка оконтуривающих щелей).
Вместе с тем такой вывод не закрывает путь поиска возможностей использования импульсного электрического пробоя для решения отдельных специфичных задач в научных исследованиях и технологиях. Импульсные электрические разряды могут выступать инструментом физических исследований в изучении высокоинтенсивных динамических воздействий на вещество. Экстремальные условия в космосе определяют ту специфичность, которая может оправдать поиск новых вариантов описанных способов электроразрядного разрушения и способов электроразрядного разупрочнения материалов [26-28], особо не связанных с требованиями высокой производительности и энергетической эффективности.
Литература
1. Воробьев А. А., Завадовская Е. К. Электрическая прочность твердых диэлектриков. М., 1956. 312 с.
2. Воробьев А. А., Воробьев Г. А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М.: Высшая школа, 1966. 224 с.
3. Воробьев А. А. Нарушение электрической прочности диэлектриков и их пробой. Томск, 1962. 108 с.
4. Воробьев А. А. Электрические разряды обрабатывают материалы, разрушают твердые тела // Изв. Томск. политехи. ин-та. 1958. Т. 95. С. 315-339.
5. Ржевский В. В., Протасов Ю. И. Электрическое разрушение горных пород. М.: Недра, 1972. 208 с.
6. Высокочастотный контактный способ вторичного дробления / В. С. Кравченко и др. // Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского. М.: Госгортехиздат, 1960. № 1.
7. Арш Э. И. Применение токов высокой частоты в горном деле. М.: Недра, 1967. 312 с.
8. 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.
9. Трещинообразование в твердом теле при динамическом нагружении /
A. Ф. Усов, Б. С. Блазнин, А. А. Кожушко, В. А. Лагунов, И. А. Щеголев // Физика процессов, техника и технология разработки недр. М.: Недра, 1970. С. 55-59.
10. Экспериментальные исследования импульсного электрического разряда как источника динамического нагружения / Б. С. Блазнин, А. Ф. Усов, С. С Локшина, А. А. Хрущинский, М. М. Каган // Термомеханические методы разрушения горных пород. Киев: Наукова думка, 1972. Ч. 5. С. 104-107.
11. 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: КФАН СССР, 1973. С. 166-171.
12. Семкин Б. В. Электрическая искра в твердом теле как источник механических возмущений среды // Техника высоких напряжений. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1973. С. 22-23.
13. Тонконогов М. П. Диэлектрическая релаксация, электрический пробой и разрушение горных пород. М.: Недра, 1975. 175 с.
14.Казуб В. Т., Коршунов Г. С., Чепиков А. Т. О процессе формирования разряда в системе электродов, расположенных на границе раздела жидкого и твердого диэлектриков // Изв. вузов. Физика. 1978. № 9. С. 61-66.
15. Электрический разряд на границе раздела жидкого и твердого диэлектриков /
B. Т. Казуб и др. / 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.
16. Основы электроимпульсной дезинтеграции и перспективы применения ее в промышленности / И. И. Каляцкий, В. И. Курец, Г. А. Финкельштейн, В. А. Цукерман // Обогащение руд. 1980. № 2. С. 6-11.
17.Семкин Б. В., Курец В. И., Финкельштейн Г. А. Энергетические аспекты электроимпульсной дезинтеграции твердых тел // Обогащение руд. 1980. № 3. С. 5-8.
18.Семкин Б. В. Электрический взрыв в конденсированных средах. Томск: Изд. Томского политехн. ин-та, 1979. 89 с.
19. Обработка природного камня электрическими разрядами / Б. С. Блазнин, И. А. Щеголев, Л. И. Лозин и др. // Электрон. обраб. материалов. 1983. № 1. С. 5-7.
20.Усов А. Ф., Семкин Б. В., Зиновьев Н. Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: Наука, 1987. 179 с.; изд. 2-е. Барнаул: АГТУ, 2000. 160 с.
21.Семкин Б. В., Усов А. Ф., Курец В. И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 1995. 276 с.
22.Курец В. И., Усов А. Ф., Цукерман В. А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с.
23.Усов А. Ф. Об особенностях использования импульсного пробоя при сверхвысоких напряжениях // Изв. Томск. политехн. ин-та.
1965. Т. 139. С. 88-96.
24.Усов А. Ф. К методике выбора компенсирующей емкости в схеме обострения фронта высоковольтных импульсов // Изв. Томск. политехн. ин-та.
1966. Т. 152. С. 24-31.
25.Усов А. Ф., Каляцкий И. И. К методике выбора элементов схемы обострения фронта высоковольтных импульсов // Изв. Томск. политехн. ин-та. 1968. Т. 159. С. 82-90.
26.Усов А. Ф., Ракаев А. И. Электроимпульсное дробление и разупрочнение руд и материалов // Обогащение руд. 1989. № 4. С. 42-43.
27. 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.
28.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.
Сведения об авторе
Усов Анатолий Федорович,
старший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14 Эл. почта: [email protected], http://www.kolasc.net.ru/spark
