Разупрочнение горных пород в импульсных магнитных полях сложной пространственно-временной структуры Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© С.А. Гончаров, П.П. Ананьев, С.В. Ермаков, 2008

УДК 622.236.2

С.А. Гончаров, П.П. Ананьев, С.В. Ермаков

РАЗУПРОЧНЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД В ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ

Семинар № 3

В последние годы активно ведутся научные исследования в области разупрочнения горных пород путем их магнитно-импульсной обработки (МИО), которая заключается в следующем: через отрезок диэлектрического трубопровода, на котором смонтирована система индуктивных катушек, генерирующих поля с заданной частотой - пропускается руда.

Эффект разупрочнения руды при МИО обусловлен следующими факторами: при МИО электрическое и магнитное поля распространяется по всему объему руды; при наличии в руде минералов электрострикторов и пъезоэлектриков (например - кварца, турмалина и иных сегнетоэлектриков) или магнитных минералов (например

- сульфидов, окислов и иных магнитных соединений железа, никеля, хрома) МИО вызывает в этих зернах эффекты магнитострикции, электрострик-ции и обратного пьезоэффекта, характеризуемые возникновением деформаций в отдельных минералах. За счет неоднородности магнито-электричес-ких и механических свойств минералов, входящих в состав руды, а также наличия воды в порах, на границах зерен возникает концентрация механических напряжений (структурных напряжений), что приводит к межзер-новому разупрочнению породы. [1].

В связи с выше изложенным, МИО пород, содержащих кварц (пьезоэлектрик) целесообразно проводить при высоких значениях электрического поля Е, а МИО пород содержащих минералы-ферримагнетики (например магнетит) целесообразно проводить при высоких значениях напряженности магнитного поля Н.

Взаимосвязь электрической и магнитной составляющих поля определяются уравнением Максвела [2]:

гоЕ = -ц0 , (1)

т

что эквивалентно соотношению:

Е ~ %., (2)

где Т - период разряда импульса; Е и Н - переменные электрической и магнитной напряженности электромагнитного поля; t - переменная времени; Е0, Н0 - амплитудное значение электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля; ц0-магнитная постоянная.

Анализ выражения (2) показывает, что получение высоких значений электрической составляющей Е0 потребует либо увеличения значений составляющей Н0, что равнозначно увеличению энергоемкости МИО, либо уменьшения длительности импуль-

Н0 = 105 106 А / м Е0 = 103 104 В / м

Т = 10-3 10-4 с

Н0 = 103 104 А / м Е0 = 104 -106 В / м

а) б)

Рис. 1. Временные зависимости напряженностей магнитного и электрического поля при МИО для полей: а) низких частот; б) высоких частот

сов. Поэтому на практике целесообразно использовать либо низкочастотное воздействие (большие значения Н0

- для магнитострикторов), либо высокочастотное воздействие (большие значения Е0 - для пьезоэлектриков и

электрострикторов). (рис. 1).

При МИО горных пород, содержащих минералы магнитострикторы, элек-трострикторы и пьезоэлектрики (например, железистый кварцит) целесообразно осуществлять их разупрочнение, воздействуя как НЧ полями так и ВЧ полями, что обеспечит генерацию явлений магнитострикции, электро-стрикции и обратного пьезоэффекта.

Последовательное действие полей низких и высоких частот в соответствии с принципом аддитивности обеспечивает суммарный эффект разупрочнения равный сумме эффектов разупрочнения от действия каждого поля в отдельности:

Эхл = Энч + Эвч, (3)

где Э^а - суммарный эффект разупрочнения горной породы; ЭнЧ - эффект разупрочнения горной породы от действия поля низких частот; ЭВЧ -эффект разупрочнения горной породы от действия поля высоких частот.

При одновременном воздействии разнонаправленных полей НЧ и ВЧ

[3] принцип аддитивности нарушается - возникает синергетический эффект:

Эхе = Энч + Эвч + ЗЭ, (4)

где ЗЭ - дополнительный эффект разупрочнения горной породы от одновременного действия импульсных полей низких и высоких частот.

Для подтверждения вышеизложенных положений были проведены лабораторные исследования с целью экспериментального определения дополнительного (синергетического) эффекта разупрочнения горной породы при одновременном воздействии НЧ и ВЧ импульсных электромагнитных полей. Для данных исследований использовалась установка ГАН 5000, содержащая индуктор, представленный в виде системы катушек, способных генерировать поля высоких и низких частот (рис. 2, в). Испытания проводились на железистых кварцитах при их расположении в индукторе в двух областях - А и Б, где векторы напряженностей магнитного и электрического полей разно-направлены (рис. 2, а, б).

ІКатушка 2

Катушка 1

а) б)

Рис. 2. Распределение ВЧ и НЧ полей при экспериментальных исследованиях: а)

поля в области А; б) поля в области Б; в) силовые линии НЧ и ВЧ полей в индукторе;

ЕНЧ - вектор электрической напряженности НЧ магнитно-импульсного поля, В/м; ЕВЧ -

вектор электрической напряженности ВЧ магнитно-импульсного поля, В/м; ННЧ - вектор

магнитной напряженности НЧ магнитного поля, А/м; НВЧ ности ВЧ магнитного поля, А/м

вектор магнитной напряжен-

После магнитно-импульсной обработки руда была подвержена ударно механическому измельчению и рассеиванию по классам крупности. В качестве критерия разупрочнения брался остаток на сите фракции +5 мм. По полученным результатам была построена гистограмма (рис. 3). Из гистограммы (рис. 3) видно, что остаток на сите +5 мм при расположении руды в области Б индуктора и одновременном действии полей НЧ и ВЧ самый минимальный. Несколько больше этот остаток на сите при расположении руды в области А индуктора и одновременном действии полей НЧ и ВЧ. Самый большой остаток на сите имеет место при последовательной обработке руды НЧ и ВЧ

полями в области Б. Эффект разупрочнения горной породы при одновременном действии НЧ и ВЧ полей отличается от эффекта разупрочнения горной породы при их последовательном действии, причем в области Б он выше.

Для теоретического обоснования дополнительного (синергетического) эффекта разупрочнения были рассмотрены механические напряжения, возникающие в горной породе при одновременном воздействии на нее НЧ и ВЧ импульсных магнитных полей соответственно для области А и области Б. Картина напряжений, возникающих в горной породе для каждой из областей представлена на рис. 4.

Рис. 3. Гистограмма содержания фракции класса +5 мм после ударного механического разрушения железистых кварцитов для различных режимов их МИО:

а) последовательное действие НЧ и ВЧ полей в области Б; б) одновременное действие НЧ и ВЧ полей в области А ; в) одновременное действие НЧ и ВЧ полей в области Б

а

Г

а

Рис. 4. Напряжения, возникающие в руде при одновременном воздействии на нее НЧ и ВЧ импульсных магнитных полей для области А и области Б

Механические напряжения в железистых кварцитах, возникающие при их МИО можно описать по аналогии со структурными термическими напряжениями, возникающими на границах минеральных зерен при нагреве

[4]. Напряжения для области Б вдоль осей выглядят следующим образом: вдоль оси х:

^1 (ЕНЧ + ЕВЧ ) ~$2 (ЕНЧ + ЕВЧ )

вдоль оси у:

а = ■

_1_

О + О

а =

А(Н НЧ + НВЧ ) - ^2(ННЧ + НВЧ )

± .1 ’

О, + О2

(6)

где 51,52 - суммарный коэффициент

обратного пьезоэффекта и электро-стрикции для магнетита и кварца со-

напряженности электрического поля соответственно для НЧ и ВЧ, В/м; Л1,Л2 - ко-

ответственно; ЕНЧ , ЕВЧ

эффициент магнитострикции для магнетита и кварца соответственно; ННЧ , НВЧ - напряженности магнитных полей соответственно для НЧ и ВЧ, А/м; 01,О2- модули упругости

магнетита и кварца соответственно, МПа.

Пренебрегая обратным пьезоэффектом и электрострикцией в магнетите и эффектом магнитострикции в кварце имеем:

8Х = 0 (7)

Х = 0 (8)

Проекции механических напряжений для области Б согласно (5) и (6) и с учетом (7) и (8) имеют вид:

вдоль оси х:

=

-я е -8 Е

и2^НЧ и2^ВЧ

О + О

вдоль оси у:

\Н нч +\Н вч

(9)

=

1 а + 02

(,0)

на ось х:

=

\Н

НЧ

(11)

ХН в

(13)

а = ‘ ВЧ

О + О

Суммарные напряжения, возникающие в горной породе для области Б запишутся следующим образом:

(14)

„2 _ 2 . 2

= ах +ау ■

Суммарные напряжения, возникающие в горной породе для области А запишутся следующим образом:

= а2 +а;+аг2. (15)

С учетом выражений (9), (10) и (11), (12), (13) определим величину квадрата суммарных напряжений в области (Б) и области (А):

(Х НН Ч+^22 ЕН Ч )+

+(522Е2вч +Х Н Вч ) + (16)

+2($2ЕНЧЕВЧ +ХННЧНВЧ )

Б

О + о

(Х НН Ч +^2 ЕН Ч )+

(17)

'1 2

Проекции напряжений для области А на соответствующие оси с учетом выражений (7) и (8) выглядят следующим образом:

2 _ +(^22ЕВч + ХНВЧ ) + 2^ЕНЧЕВ

Л =

1_

О + 02

Учитывая, что слагаемые

(Х2Н/х +5\Е]х) и (322Е2Ах +Х2Н2Ах ) являются проявлением напряжений, вызванных НЧ и ВЧ полями соответственно, выражения (16) и (17) могут быть представлены в виде:

на ось у:

-я е -Б Е

_ = и2 НЧ 2 ВЧ

О + О

на ось 2:

(12)

Б аНЧ + аВЧ + $аБ

Л = аНЧ + аВЧ + ,

(18)

(19)

где д - Суммарные напряжения, возникающие в горной породе для

области Б; ^ - Суммарные напряжения, возникающие в горной породе для области А;

]2г_т2 , £2^2

-уНЧ

а

НЧ

напряже-

ния, возникающих в результате действия НЧ полей;

аВЧ =

2 г_Г 2

ВЧ

5Евч +2 Н _1_ _1_ ё+ ё

напряже-

ния, возникающих в результате дейст-

вия ВЧ полей; 8а А =

2, Е Е

Аи2Г^ НЧ^ВЧ _1_ _1_

ё + ё

напряжения, возникающие в результате совместного действия НЧ и ВЧ полей в области А;

, = 2<А2 ЕНЧ ЕВЧ +2 ННЧ Н ВЧ )

-

ё + ё2

напряжения, возникающие в результате совместного действия НЧ и ВЧ полей в области Б;

Из выражений (18) и (19) видно, что суммарные напряжения складываются из напряжений, возникающих в результате действия НЧ полей; напряжений, возникающих в результате действия ВЧ полей и напряжений, возникающих в результате их совместного действия. Причем напряжения, возникающие в результате совместного действия НЧ и ВЧ полей для области Б больше, что подтверждено экспериментально. Полученная расчетная модель позволяет определить величину синергетического эффекта разупрочнения горной породы при воздействии электромагнитных полей сложной пространственно-

временной структуры, что позволяет формировать требования к проектированию технологических блоков (индукторов).

Выводы

Теоретический анализ механических напряжений, возникающих в горной породе на границах раздела магнетита и кварца при ее магнитноимпульсной обработке позволил определить величину синергетического эффекта разупрочнения горной породы при одновременном воздействии на нее НЧ и ВЧ импульсных магнитных полей.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили наличие дополнительного (синергетического) эффекта разупрочнения горной породы при одновременном воздействии на нее НЧ и ВЧ импульсных магнитных полей.

Получена расчетная модель, позволяющая определить величину синергетического эффекта разупрочнения горной породы при воздействии на нее полей сложной пространственно-временной структуры с учетом магнитострикционных, электо-стрикционных и пьезострикционных свойств минералов, входящих в состав породы. Все это позволяет формировать требования к проектированию технологических блоков (индукторов).

Теоретический анализ и экспериментальные исследования показали, что величина синергетического эффекта разупрочнения горной породы зависит не только от величины Н и Е магнитно-импульсных полей и свойств минералов, входящих в состав горной породы, но и от взаимной ориентации данных полей, причем предпочтительней случай совпадения по направлению полей ННЧ ,

Нвч и Енч , Евч •

1. Гончаров С.А. Ананьев П.П., Иванов В.Ю. Разупрочнение горных пород под действием импульсных электромагнитных полей. - М.: Издательство МГГУ, 2006. - С. 11., с. 55.

2. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М. Наука, 1971. 1032 с.

3. Евразийский патент № 003853

4. Гончаров С.А. Термодинамика - М.: Издательство МГГУ, 2002. - С. 78. ШИН

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------------

Гончаров С.А. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Физика горных пород и процессов»,

Ермаков С.В. - студент кафедры «Физика горных пород и процессов»,

Московский государственный горный университет.

Ананьев П.П. - кандидат технических наук, ген. директор НП «Научнообразовательный центр «Инновационные горные технологии».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2008».

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МЕЖОТРАСЛЕВОЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВНИМИ

ХЁУСОВ Александр Евгеньевич Прогноз допустимого прогиба неоднородной слоистой кровли горной выработки закрепленной анкерами 25.00.20 к.т.н.

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАСОВ Андрей Александрович Совершенствование технологии формирования ствола газовой скважины для повышения ее эксплуатационной надежности 25.00.15 к.т.н.