Способ электроразрядного разрушения твердых материалов



Способ электроразрядного разрушения твердых материалов
Способ электроразрядного разрушения твердых материалов
Способ электроразрядного разрушения твердых материалов

 


Владельцы патента RU 2500889:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности. Способ электроразрядного разрушения твердых материалов включает формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с веществом, предающим ударную волну, и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником. Картриджи изготавливают из пластичного материала с акустической жесткостью, близкой к акустической жесткости разрушаемого материала. Взрывающийся проводник зажат в материал картриджа. В качестве пластичного материала используется полиэтилен или пластилин. Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения горных пород и утилизации бетонных и железобетонных блоков и конструкций. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности, а именно к разрушению горных пород и искусственных твердых материалов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, и может найти применение для разрушения негабаритных обломков крепких горных пород на каменных карьерах, для проходки вертикальных наклонных горных выработок сравнительно большого диаметра, для утилизации бетонных и железобетонных блоков, конструкций и т.п.

Известен способ разрушения горных пород электрическим током [SU №878934, МПК Е21С 37/18, опубл. 07.11.1981], при котором от генератора электрических импульсов подают разрушающие горную породу импульсы на электроды, введенные в контакт с горной породой, при этом пространство, в котором установлены электроды, перед подачей импульсов герметично изолируют от остального объема и заполняют его газом, электрическая прочность которого выше электрической прочности воздуха, например, элегазом. Основным недостатком указанного способа является его низкая производительность и технологическая сложность, т.к., необходима герметичная изоляция электродного пространства и разрушение происходит только между электродами, наложенными на поверхность горной породы, на глубину не более 1/3 межэлектродного промежутка.

Известен электрогидравлический способ разрушения горных пород и других твердых материалов [US №4479680, МПК Е21С 37/18, опубл. 30.10.1984], включающий формирование шпура на поверхности твердого материала, заполнение его жидкостью и размещение в ней взрываемого проводника, находящегося в цепи с конденсаторным устройством. При электрическом взрыве проводника ударная волна переносится жидкостью в твердый материал в виде импульса деформации сжатия, который распространяется через твердый материал, до тех пор, пока не отразится от свободной поверхности в виде импульса деформации растяжения, упомянутый импульс деформации растяжения будучи согласован с прочностью твердого материала на растяжение вызывает его местное разрушение. Недостатком указанного способа является сложность при размещении жидкости в горизонтальных и потолочных шпурах.

Частично указанный недостаток устранен в выбранном за прототип способе разрушения электрическим разрядом [ЕР 0858874, МПК B28D 1/00; Е21С 37/18, публ. 19.08.1998], включающем формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа в виде сосуда с передающей ударную волну жидкостью и размещенным в ней взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником. В качестве передающей ударную волну жидкости используется, например вода.

Общим недостатком предыдущих двух способов является низкий коэффициент передачи энергии разряда в твердый материал, так как в качестве передающего ударную волну вещества используется жидкость с относительно низкой, по сравнению с твердыми материалами, акустической жесткостью (1,5…1,8·106 кг/м2с, что снижает эффективность передачи волн давления, и в конечном итоге эффективность разрушения.

Задачей изобретения является создание эффективного способа разрушения строительных конструкций и сооружений, негабаритных обломков крепких горных пород и других твердых материалов.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом, является повышение эффективности разрушения горных пород и утилизации бетонных и железобетонных блоков и конструкций, откола на свободную поверхность при проходке и расширении тоннелей за счет повышения амплитуды и уменьшения потерь энергии ударной волны на преломление и отражение.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе электроразрядного разрушения твердых материалов, в соответствии с прототипом включающем формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с предающим ударную волну веществом и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником, в отличии от прототипа в качестве предающего ударную волну вещества используют пластичный материал с акустической жесткостью близкой к акустической жесткости разрушаемого материала.

Целесообразно в качестве пластичного материала использовать полиэтилен.

Целесообразно в качестве пластичного материала использовать пластилин.

Эффективность передачи ударной волны от канала разряда до разрушаемого материала зависит от согласованности акустических жесткостей передающего ударную волну вещества (передающей среды) и разрушаемого материала.

Применение пластичной передающей среды, например, полиэтилена, пластилина, позволяет повысить амплитуду ударной волны за счет ограничения области горения разряда (капиллярный разряд) [Маршак И.С., Дойников А.С. Импульсные источники света. - М.: Энергия, 1978. -478 с.].

Изобретение поясняется фиг.1, где представлена конструкция электровзрывного картриджа для разрушения горных пород, фиг.2, где представлена схема электровзрывного разрушения и фиг.3, на которой представлена зависимость введенной в канал разряда энергии от времени для разных передающих сред.

В таблице представлена эффективность передачи энергии ударной волны от канала разряда в твердый материал в зависимости от свойств передающей среды и разрушаемого твердого материала. Эффективность рассчитывалась по формуле преломления:

T = 4 ρ 1 c 1 ρ 2 c 2 ( ρ 1 c 1 + ρ 2 c 2 ) 2 , ( 1 )

где Т- коэффициент прохождения ударной волны;

ρ1, с1 - плотность кг/м3 и скорость звука м/с передающей среды;

ρ2, c2 - плотность кг/м3 и скорость звука м/с разрушаемого материала.

Выбор пластичного материала в качестве передающей ударную волну среды, обусловлен его высокой акустической жесткостью и пластичностью. Это позволяет избежать значительных потерь энергии на переизмельчение за счет образования трещин в приканальной области, и увеличить энергию волны, передаваемую от канала разряда в разрушаемый материал на ~20…25%. Из таблицы видно, что полиэтилен наиболее эффективно передает энергию волны.

На фигуре 1 представлена конструкция электровзрывного картриджа для разрушения горных пород, где 1 - передающая среда, 2 - взрываемый проводник, 3 - электроды.

На фигуре 2 представлена схема электровзрывного разрушения. В накопителе электрической энергии сопротивление rz и индуктивность L складываются, соответственно, из сопротивления и индуктивности конденсаторной батареи С, коммутатора S, соединительных шин и подводящего кабеля 4. В разрушаемом материале 5 размещают картридж 6, выполненный в форме цилиндра из передающей среды 1 (например, полиэтилена, пластилина), по оси которого размещен взрываемый медный проводник 2. Проводник 2 через электроды 3, подводящий кабель 4 и коммутатор соединен с конденсаторной батареей. В момент срабатывания коммутатора конденсаторная батарея начинает разряжаться через проводник, что приводит к его взрыву и образованию металлической низкотемпературной плазмы с концентрацией частиц 1019…1021 см-3 и температурой 103…104 К. После формирования канала разряда, накопленная в конденсаторной батарее энергия выделяется в плазму. Мощность, при этом, может достигать сотен МВт [Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. - 208 с.]. Быстрое выделение энергии в малом объеме приводит к повышению давления в канале до нескольких ГПа. В результате происходит расширение плазменного канала разряда с образованием ударной волны, которая формирует упругую и пластическую волны, распространяющиеся через передающую среду 1 в разрушаемый материал 5. Под воздействием упругой волны в материале 5 формируется напряженно-деформированное состояние 7, изменяющееся в диапазоне от десятков до сотен МПа, вызывающее образование, рост трещин и в конечном итоге разрушение материала 5.

На фиг.3 представлена зависимость введенной в канал разряда энергии от времени для разных передающих сред: 8 - пластичный материал, 9 - вода. Энергия, вводимая в канал разряда, рассчитывалась с помощью интегрирования мгновенной мощности:

W = 0 T 0 U ( t ) i ( t ) d t , ( 2 )

где U - напряжение;

i - ток;

W- выделяемая энергия;

Т0 - время выделения энергии;

t - время.

Исследование энерговыделения в канале разряда в воде (по прототипу) и в пластичных материалах (по предложенному изобретению) проводилось на накопителе электрической энергии с зарядным напряжением 10 кВ, емкостью 12 мкФ, индуктивностью 1,067 мкГн, активным сопротивлением rz=0,0197 Ом. По оси картриджа 6, выполненного в виде цилиндра из пластичного материала диаметром 24 мм, был размещен взрываемый медный проводник 2 диаметром 0,15 мм и длиной 50 мм. В качестве пластичных материалов использовались пластилин (ОСТ 6-15-1525-86) и полиэтилен (ГОСТ 16338-85). Из фиг.3 видно, что мощность выделения энергии в канале капиллярного разряда в пластичном материале в первую полуволну тока на ~15% выше, чем при разряде в воде. Это показывает эффективность использования свойств капиллярного разряда для увеличения амплитуды и крутизны фронта ударной волны, распространяемой через передающую среду 1 в разрушаемый материал 5.

Осуществление способа представлено на примере конкретного выполнения. Формировали шпур глубиной 30 см на поверхности бетонного блока размером 100×60×60 см и маркой В40, помещали в шпур картридж 6 из пластичного материала 1 с размещенным внутри взрываемым проводником 2 длинной 10 см и подсоединяли его шинами к накопителю электрической энергии емкостью С=168 мкФ и зарядным напряжением U=20 кВ. После срабатывания газоразрядного коммутатора и начала разряда накопителя, происходил взрыв проводника 2 и инициирование канала разряда. Дальнейший разряд накопителя с достижением тока 200 кА происходил на образовавшийся канал разряда, заполненный парами металла взорванного проводника 2. Быстрое выделение энергии в малом объеме приводило к повышению давления в канале разряда. В результате происходило расширение плазменного канала разряда с образованием ударной волны, которая формировала упругую и пластическую волны, распространяющиеся в бетонные блоки, через пластичный материал 1. Под воздействием упругой волны в бетоне формировалось напряженно-деформированное состояние, вызывавшее разрушение блока. В качестве пластичного материала использовали пластилин (ОСТ 6-15-1525-86) и полиэтилен (ГОСТ 16338-85).

Преимущество заявленного способа заключается в повышение эффективности разрушения горных пород, за счет увеличения амплитуды и уменьшения потерь энергии ударной волны, что достигается применением в качестве передающей среды пластичного материала с акустической жесткостью близкой к акустической жесткости разрушаемого материала.

Таблица
Передающая среда Энергия ударной волны, переданная в твердое вещество, %
бетон гранит мрамор песчаник
Вода 69,7 32,9 29,1 73,5
Парафин 64,7 30 26,3 68,9
Полиэтилен 90,5 46,8 42 89,1
Пластилин 89 46 41,3 87,6

1. Способ электроразрядного разрушения твердых материалов, включающий формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с веществом, предающим ударную волну и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником, отличающийся тем, что в качестве вещества предающего ударную волну используют пластичный материал с акустической жесткостью, близкой к акустической жесткости разрушаемого материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичного материала используется полиэтилен.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичного материала используется пластилин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области проходки скважин и стволов высоковольтными разрядами в крепких горных породах и может найти применение в горнодобывающей промышленности, а также в строительной отрасли.

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отрасли промышленности. .

Изобретение относится к области горного и дорожно-строительного машиностроения, а именно к электромагнитным импульсным механизмам, и может быть использовано для разрушения горных пород, отделения шламовых образований в ковшах для разливки металлов, активизации рабочих органов горных машин, вибровозбудителя в вибротранспортных машинах и т.п.

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин и проходки стволов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе, и может найти применение в горной промышленности для проходки скважин и стволов в крепких горных породах глубиной сотни метров.

Изобретение относится к техническим средствам для электроимпульсного бурения с обратной внутренней промывкой скважин сплошного бурения или с отбором керна и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, где требуется бурение скважин в крепких горных породах.

Изобретение относится к горноперерабатывающей промышленности, к способам контроля за процессом электроимпульсного разрушения горных пород. .

Изобретение относится к области резания блоков из природного камня и искусственных материалов. .

Изобретение относится к области разрушения горных пород высоковольтными электрическими разрядами, развивающимися внутри горной породы, и доразрушения твердосплавными резцами вращающегося бурового долота.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено для проходки вертикальных и наклонных скважин и стволов. .

Изобретение относится к области горного дела, в частности к техническим средствам со стержневыми электродами для разрушения непосредственно высоковольтными разрядами горных пород и искусственных токонепроводящих материалов при бурении скважин, отверстий и т.п., а также при ремонтно-строительных работах.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения отверстий в бетонных зданиях с целью их укрепления стяжками и в опасных отвесных участках горной породы, для бурения тонких диагностических глубоких отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ, для бурения в стенке скважины локальных боковых отверстий в окружающей породе. Для этого бурение проводят циклически. В каждом цикле бурения забой отверстия подвергают последовательному чередованию тепловых и механических воздействий, а именно в следующей последовательности облучают лазерным излучением, охлаждают хладагентом, механически измельчают на нем слой ослабленного материала и принудительно удаляют шлам из зоны забоя, после чего циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Обеспечивается повышение производительности бурения отверстий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения различных отверстий. Для этого лазерное излучение на забой отверстия доставляют посредством оптического волокна из кварца диаметром 0.2-1 мм. Оптическое волокно размещают без возможности вращения с зазором в трубке по оси внутренней полости инструмента сверления. При этом излучающий торец оптического волокна не доходит до торцевой поверхности резцов ребристой коронки на расстояние h≤do/[2tg(arcsinNA)], где d0 - диаметр полости ребристой коронки, NA - числовая апертура оптического волокна. В кольцевой зазор между поверхностью оптического волокна и внутренней поверхностью трубки подают охранный поток газа в направлении забоя, а забой облучают лазерным пучком с пятном излучения на поверхности забоя, диаметр которого меньше внешнего диаметра ребристой коронки на величину (0.6÷2)Δ, где Δ=(20÷35)/q - толщина термически ослабленного слоя материала (см), q=P(l-R)(l-ρ) - плотность поглощенного материалом лазерного излучения (Вт/см2), Р - плотность мощности падающего лазерного излучения (Вт/см2), R - коэффициент отражения от поверхности материала, ρ - тепловые потери излучением от нагретого материала. Для этого перед облучением торцевую поверхность сверлильного инструмента устанавливают на расстояние L=[D-do-(0.6÷2)Δ]/[2tg(arcsinNA)] от поверхности забоя, где D - внешний диаметр ребристой коронки. Бурение производят циклически. В каждом цикле поверхность забоя облучают в течение времени t=(45000÷130000)/q2 (с), обеспечивающего нагрев поверхности забоя до температур в диапазоне температур плавления и кипения материала. Затем поверхность забоя охлаждают хладагентом в течение 1-15 с с коэффициентом теплообмена 300÷5000 Вт/м2·град., после чего сверлильный инструмент перемещают в направлении забоя до касания торцевыми резцами ребристой коронки поверхности забоя. Прилагая продольные усилия, механически измельчают термически ослабленный материал забоя на глубину Δ с одновременным принудительным удалением шлама из зоны забоя. После чего сверлильный инструмент отодвигают от поверхности забоя на расстояние L. Циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Обеспечивается производительность бурения кремнеземсодержащих материалов и получение тонких глубоких отверстий в них. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано для бурения различных отверстий. Устройство содержит электродвигатель, редуктор с полым валом, источник лазерного излучения, инструмент для сверления, механизм возвратно-поступательной подачи инструмента сверления, оптическое волокно, газовую систему, резервуар для жидкости, смеситель, систему впрыскивания жидкости в смеситель, систему отсасывания, каналы для охлаждения оптического волокна, для подачи хладагента в зону забоя и для отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама. В смеситель из газовой системы подается поток газа для распыления в нем жидкости с образованием газокапельной смеси, подаваемой в зону забоя. Инструмент для сверления выполнен из последовательности звеньев в виде колонковых труб. Конечное звено инструмента сверления содержит ребристую коронку, оснащенную термостойкими резцами на ее торцевой и боковой поверхностях. Ведомый торец начального звена инструмента сверления соединен с полым валом цилиндрического редуктора, связанного с электродвигателем. Внутри полости цилиндрического редуктора и колонковых звеньев соосно и без возможности вращения расположена трубка, внутри которой с зазором размещено оптическое волокно из кварца. Кольцевой зазор между поверхностью волокна и внутренней поверхностью трубки служит каналом подвода охранного потока газа для охлаждения оптического волокна и защиты его излучающего торца от частиц разрушаемого материала при лазерной и механической обработке поверхности забоя. Кольцевой зазор между внешней поверхностью трубки и внутренней поверхностью колонковых звеньев служит каналом для подачи хладагента в зону забоя. Кольцевой зазор между внешней поверхностью колонковых звеньев и поверхностью отверстия в материале служит каналом отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама. Обеспечивается повышение производительности бурения отверстий. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области бурения скважин и стволов. Способ бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами включает разрушение твердых тел непосредственно высоковольтными импульсными электрическими разрядами в твердых телах между высоковольтным и заземленным электродами электроимпульсного бурового наконечника. В процессе разрушения твердых тел нисходящим потоком электропроводной промывной жидкости образуют газовую полость вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода. Электроимпульсный буровой наконечник содержит высоковольтный и заземленный электроды, разделенные изолятором, выполненным с окнами для подачи промывочной жидкости. Высоковольтный электрод выполнен в виде юбки, а центральный заземленный электрод выполнен подпружиненным. Электроимпульсный буровой наконечник снабжен вторым заземленным электродом, выполненным в виде кольца, расположенного выше высоковольтного электрода. Обеспечивается повышение эффективности и экологической безопасности бурения скважин. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области переработки и утилизации вторичного сырья. Способ разрушения многокомпонентных изделий, состоящих из металлических элементов с прикрепленными к ним изоляционными элементами, включающий создание в них поля механических напряжений, превышающих предел их механической прочности от воздействия мощных ударных волн, источником которых является канал разряда, сформированный в воде между электродами, установленными в корпусе и подключенными к генератору высоковольтных импульсов, отличающийся тем, что для создания поля механических напряжений в изоляционных элементах изделий, превышающих предел их механической прочности, используют разряды с градиентом энергии 0.8-0.9 Дж/мм, которые осуществляют на границе раздела воды и разрушаемых изоляционных элементов. Изобретение позволяет извлекать металлические элементы без повреждений и снизить энергозатраты на процесс разрушения. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии термической обработки твердых диэлектрических тел, включая их разрушение, в частности тел с низким коэффициентом поглощения электромагнитного излучения (горные породы, строительные материалы и пр.), и может быть использовано в горном деле и строительстве. Способ плазменно-электромагнитного воздействия на диэлектрический материал заключается в том, что создают плазму плазмотроном, формируют из нее плазменный поток и направленно воздействуют им на поверхность материала, отличающийся тем, что плазму создают и формируют из нее плазменный поток плазмотроном с регулируемыми параметрами, при этом дополнительно создают управляемый поток электромагнитных волн с частотой 0,5-5 ГГц и направляют его в место контакта плазменного потока с поверхностью материала, при этом регулировкой параметров плазмотрона и/или управлением потоком электромагнитных волн обеспечивают и поддерживают температуру плазмы в ее скин-слое в месте контакта плазмы с поверхностью материала в диапазоне 3000-5000 К. В результате достигается повышение производительности разрушения твердых диэлектрических тел и расширение области применении. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение предназначено для бурения колонковых скважин и скважин без отбора керна с обратной внутренней промывкой в крепких горных породах и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных работах. Коаксиально расположенные узлы наружной (2, 3) и внутренней (4, 5) коронок разделены высоковольтным изолятором (1). Корпус бурового долота (2) присоединен к колонне бурильных труб (6), а керновый переходник (4) - к высоковольтному тоководу (7). Внутренняя коронка (5) подпружинена пружиной (11) с возможностью опережения наружной коронки (3) не более 1/3 межэлектродного расстояния. Вдоль внутренней поверхности внутренней коронки (5) тангенциально расположены лезвия твердосплавных резцов (16), имеющих форму одностороннего клина, и вдоль наружной поверхности наружной коронки (3) расположены лезвия подобных резцов (17). Внутренние ребра-электроды (14) наружной коронки (3) и наружные ребра-электроды (15) внутренней коронки (5) выполнены с многогранными твердосплавными резцами (18, 19), позволяющими выравнивать забой скважины. Твердосплавные резцы, имеющие форму одностороннего клина (16, 17), предотвращают зависания бурового долота на керне и стенках скважины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх