автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Физико-техническое обоснование электромагнитного разупрочнения мерзлых горных пород

у/

У/

гУ / 33-' Г/ Г

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ Г.В.ПЛЕХАНОВА (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ШОНИН ОЛЕГ БОРИСОВИЧ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 05.15.11 - Физические процессы горного производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Шувалов Ю.В.

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ГОРНЫХ ПОРОД НА СНИЖЕНИЕ ИХ ПРОЧНОСТИ В ВЧ/СВЧ-ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ.....................................................................16

1.1. Строение, состояние и электрические свойства мерзлых пород как гетерогенных, поликристаллических и многофазных сред...............................16

1.2. Модель преобразования ВЧ/СВЧ-энергии в структурообразующих элементах мерзлых пород......................................................................................31

1.3. Экспериментальное определение прочности мерзлых пород в СВЧ-электромагнитных полях.......................................................................................51

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЛНОВОГО СПОСОБА ВВОДА ЭНЕРГИИ В ГОРНЫЕ ПОРОДЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ ИХ РАЗУПРОЧНЕНИЯ........................65

2.1. Физические процессы при волновой передаче энергии в массив..............65

2.2. Задача об излучении электромагнитных волн в диссипативную среду.... 69

2.3. Закономерности поглощения в массиве энергии излучения и определение условий ее эффективного использования в технологии разупрочнения мерзлых горных пород...........................................................................................77

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД....................94

3.1. Особенности преобразования СВЧ-энергии в неоднородном массиве мерзлых пород.........................................................................................................94

3.2. Влияние начального распределения температуры, теплообмена на границе массива и теплопроводности на нагрев мерзлых пород в поле электромагнитной волны.......................................................................................99

3.3. Характеристики нагрева неоднородного массива мерзлых пород в условиях непрерывных фазовых переходов......................................................111

3.4. Закономерности оттаивания мерзлых пород..............................................120

ГЛАВА 4.МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД......144

4.1. Технологические схемы разупрочнения и обоснование требований к излучателям СВЧ энергии...................................................................................144

4.2. Управление параметрами зон разупрочнения по глубине........................148

4.3. Управление температурным полем в плоскости забоя............................160

4.4. Особенности ввода энергии в породу при цилиндрической форме забоя ................................................................................................................................169

ГЛАВА 5.СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КПД ИЗЛУЧАТЕЛЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО СВЧ-ФАКТОРУ.....................................................................................................178

5.1. Теоретическое и экспериментальное определение коэффициента прохождения энергии в породу...........................................................................178

5.2. Разработка способов согласования на основе компенсации отраженных волн и использования поляризационных характеристик поля излучения.....188

5.3. Локализация энергетических потоков в технологической зоне.............197

ГЛАВА 6.РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ВЧ/СВЧ-ЭЛЕКТРО-ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОРОД ..................................................................................................................207

6.1. СВЧ- устройство для послойной проходки выработок на основе локального оттаивания мерзлых пород и механического разрушения ослабленного массива..........................................................................................207

6.2. Электродинамическая система для экстренного вскрытия зон аварий подземных инженерных коммуникаций на основе сплошного оттаивания по контуру выработки...............................................................................................213

6.3. Электродинамические системы дезинтеграции мерзлых золотосодержащих песков в технологии их обогащения.................................224

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................239

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................243

ПРИЛОЖЕНИЕ

255

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В связи с изменением геополитической ситуации роль Севера в экономике страны в последние годы заметно возросла. Занимая теперь не 47%, а почти 65% территории, Север дает около 80%) добываемой нефти, 90%> природного газа, 90%> золота и никеля, а также значительную часть других видов сырья. Увеличение сырьевого потенциала страны связано с освоением новых месторождений полезных ископаемых, расположенных большей частью также в зоне распространения многолетней мерзлоты. Промышленное освоение этих районов требует разработки большого объема как тонкодисперсных, так и крупнообломочных мерзлых пород, связанного с ведением геологоразведочных, горных и строительных работ.

Ввиду высокой прочности и абразивности мерзлых, особенно крупнообломочных пород, их непосредственная разработка становится возможной только после предварительной подготовки.

Одним из перспективных и распространенных способов подготовки пород к выемке является их нагрев. Большой вклад в развитие тепловых методов внесли такие видные ученые, как Ю.Д.Дядькин, Б.Б.Кудряшов, А.П.Дмитриев, Ю.В.Шувалов, В.С.Литвиненко, С.А.Гончаров, Э.И.Богуславский, Л.Н.Германович, В.Г.Гольдтман и др.

Для традиционных методов нагрева характерен ряд ограничений, связанный, в основном, с низкой теплопроводностью мерзлых пород: большие затраты времени для нагрева на требуемую глубину, сложность управления процессом нагрева, тепловое влияние на окружающую среду и др. Преодоление этих ограничений возможно на основе использования нового вида энергоносителя -электромагнитных полей ВЧ/СВЧ диапазонов (ЭМП), взаимодействие которых с горными породами - диэлектриками имеет ряд важных особенностей: объемный характер выделения энергии в породе, не связанный с теплопроводностью,

отсутствие теплового влияния на окружающую среду, возможность управления процессом ввиду его малой инерционности, бесконтактный ввод энергии.

Применению ВЧ/СВЧ-энергии для разрушения горных пород способствовали работы в области электрофизических методов и физики горных пород таких ученых как В.В.Ржевский, Г.Я.Новик, Ю.И.Протасов Ю.Н.Захаров, А.П.Образцов, В.В.Долголаптев, ЮИ.Зецер, В.Б.Добрецов, Ю.М.Мисник, Л.Б.Некрасов, Р.Ш.Килькеев, Л.Э.Рикенглаз, В.А.Хоминский, М.Г.Менжулин, С.С.Красновский, Н.И.Рябец и др.

Экспериментально установлено, что в сопоставимых условиях энергозатраты на разупрочнение мерзлых пород СВЧ-методом при глубине разработки порядка одного метра снижаются в (2-3) раза по сравнению с использованием традиционных теплоносителей, а время подготовки - в 4-6 раз. Преимущества СВЧ-воздействия позволяют использовать этот метод не только для подготовки пород к выемке, но также для эффективного изменения физико-механического состояния породы в процессе ее переработки, например, при подготовке мерзлых золотосодержащих песков к обогащению, при добыче ценных кристаллов, когда использование буровзрывного способа рыхления приводит к разрушению не только вмещающей породы, но и самих кристаллов.

В результате анализа работ в данном направлении [45, 51 и др.] установлено, что реализация потенциальных преимуществ ВЧ/СВЧ-энергии и ее эффективное использование для решения задач горно-технологического цикла неразрывно связана с нерешенной к настоящему времени проблемой обоснования и создания электродинамических систем для разупрочнения мерзлых пород, от правильного построения которых зависит достижение необходимого технологического эффекта и рациональное использование энергии.

Решение этой проблемы носит комплексный характер и требует исследования микро- и макрофизических процессов преобразования энергии ЭМП в породе с учетом ее структурных особенностей, а также неоднородности масси-

ва как сплошной среды, характеризуемой эффективными свойствами объема усреднения компонентов породы.

Использование только экспериментальных методов определения снижения прочности мерзлых пород в ВЧ/СВЧ-полях без построения соответствующей модели преобразования энергии в элементарном объеме породы с учетом различных видов структурного сцепления затрудняет выявление основных факторов, контролирующих процесс, и, следовательно, не позволяет рекомендовать научно-обоснованные режимы.

Другой составляющей проблемы является обеспечение эффективной передачи и выделения энергии в заданном объеме разрушения. Это требует исследования процесса прохождения энергии в различных сечениях энергетического потока в системе источник - порода с учетом изменения параметров породы вследствие поглощения энергии.

Выбор параметров электромагнитного воздействия без учета характеристик излучателей, а также свойств массива приводит к несоответствию зоны эффективного выделения энергии с требуемыми характеристиками разупрочнения и, как следствие, - к нерациональному использованию энергии. В связи с этим необходима оптимизация ввода энергии в разупрочняемый объем породы.

При волновой передаче энергии это связано с выявлением закономерностей энерговыделения в ближней и промежуточной зонах действия излучателя на неоднородный массив, разработкой методов управления этим процессом, повышения КПД излучателя и локализации энергии в технологической зоне.

Аналогичные проблемы возникают при разупрочнении мерзлых пород в закрытых электродинамических системах - технологических камерах, когда используются ВЧ-квазистатический способ ввода энергии, реализуемый с помощью системы электродов, или волноводно-резонаторный, в котором пространство взаимодействия ЭМП с породой образуется внутренней областью направляющих волны систем или объемного резонатора.

Многие важные из выделенных аспектов проблемы ранее не рассматривались либо изучались в недостаточной мере на упрощенных моделях, не отражающих структуру породы и взаимодействующих с массивом электромагнитных полей.

В связи с этим научное обоснование методов и средств, а так же параметров и режимов электромагнитного воздействия для разупрочнения мерзлых пород является актуальной проблемой, решение которой, ввиду большого числа действующих факторов, требует системного подхода.

Актуальность работ в данном направлении подтверждается текущими публикациями, соответствующими разделами программы «Недра России», зарубежным опытом создания новых способов разрушения горных пород и основанных на них технологий бурения скважин, проходки выработок и т.д., например, фирм "Sandia", "Mollard", "Carten Oil & Esso" и др.

Цель диссертационной работы: повышение эффективности и интенсификация процессов разрушения горных пород на основе рационального использования ВЧ/СВЧ-энергии.

Основная идея работы заключается в оптимизации параметров и структуры электромагнитных волн с учетом микро- и макроструктурных особенностей мерзлых пород для повышения эффективности разупрочнения.

В соответствии с целью работы основными задачами являются:

1. Исследовать физические процессы поглощения электромагнитной энергии в горных породах как многокомпонентных и многофазовых средах и обосновать пути повышения эффективности разупрочнения горных пород в ВЧ/СВЧ-электромагнитных полях;

2. Установить закономерности распределения электрических и тепловых полей в мерзлых породах при их разупрочнении с использованием ВЧ/СВЧ-энергии. Исследовать влияние структуры электромагнитных полей, создаваемых средствами ввода энергии, на характер и параметры разупрочнения мерзлых пород;

3. Обосновать рациональные параметры и режимы воздействия, обеспечивающие эффективное использование ВЧ/СВЧ-энергии;

4. Разработать методы и средства управления электромагнитным воздействием, обеспечивающие требуемые технологические параметры разупрочнения мерзлых пород, высокий КПД передачи энергии и минимальное излучение в окружающую среду;

5. Разработать электродинамические системы для разупрочнения мерзлых пород, создать экспериментальные установки и оценить их эффективность.

Методы исследований. При решении поставленной проблемы использовался комплексный метод исследования, который включал: обобщение и анализ работ в области электрофизических методов разрушения горных пород; разработку моделей электротеплофизических процессов преобразования энергии в породе на основе положений физико-химической механики мерзлых пород, физики диэлектриков, теории теплопроводности и электромагнитного поля при использовании аналитических и численных методов решения соответствующих задач; разработку моделей передачи энергии в породу с позиций физики излучения и рассеяния волн, волноводной и высокочастотной техники; физическое моделирование на основе пространственных, временных и энергетических масштабов процессов; экспериментальное определение параметров пород и характеристик их взаимодействия с электромагнитным полем на базе теории инженерного эксперимента, включая его планирование и статистическую обработку экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

разработана физико-математическая модель взаимодействия электромагнитных полей с мерзлыми дисперсными породами, учитывающая их структурные особенности, свойства неоднородного массива и параметры электромагнитного поля, позволившая установить влияние фазово-композиционного, структурно-текстурного и литологического факторов на процесс поглощения

энергии, предопределяющий развитие микро- и макротемпературных полей и механизм снижения прочности;

установлены закономерности выделения СВЧ-энергии в разупрочняе-мом объеме породы, отражающие влияние ее свойств, длины волны и размеров излучателя, амплитудно-фазовых и поляризационных характеристик воздействующего поля, которые позволяют обосновать управляющие параметры согласованного воздействия на массив при минимальных потерях на отражение и рассеяние энергии.

Защищаемые научные положения:

1. Эффективность разупрочнения мерзлых льдосодержащих пород в ВЧ/СВЧ-электромагнитных полях достигается нарушением адгезионных связей в сугубо нестационарном режиме нагрева компонентов и нелинейно возрастает с увеличением интенсивности и частоты электромагнитного воздействия, крупности и поглощающей способности скальных включений.

2. Поле тепловых источников в зоне воздействия излучателя на массив определяется конкурирующим действием диссипативных и интерференционных процессов, которое приводит к распределению, отличному от экспоненциального, с максимумом на границе ближней зоны, величина которого зависит от постоянной затухания и размеров апертуры излучателя.

3. Параметрическая оптимизация электромагнитного воздействия для разупрочнения мерзлых пород достигается согласованием зоны эффективного выделения энергии с изменением температуры и влажности по глубине при учете граничных условий на поверхности, а также температурной зависимости параметров породы, предопределяющей нелинейную взаимосвязь электрических и тепловых полей.

4. Управление процессами энерговыделения по глубине и в плоскости забоя с целью достижения требуемых параметров разупрочнения, при минимальных потерях энергии на отражение и излучение в свободное пространство,

обеспечивается изменением амплитудно-фазовых соотношений, структуры и поляризации в действующем на породу потоке электромагнитной энергии.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: использованием современных методов теоретических и экспериментальных исследований электротеплофизических и механических явлений в горных породах; адекватностью моделей и объектов исследований, подтвержденной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами многократных испытаний экспериментальных установок для разрушения горных пород на объектах горной и строительной отраслей промышленности.

Практическая значимость работы:

• Показана возможность повышения эффективности разупрочнения на основе селективного выделения энергии в крупноскелетных фракциях мерзлых пород и нарушения адгезии без фазового перехода всего объема льда-цемента; разработаны способы и средства управления тепловыми источниками в зоне разрушения, позволяющие осуществлять �