автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Научно-техническое обоснование параметров и создание безопасных способов и средств разупрочнения мерзлых горных пород СВЧ электромагнитной энергией

с/'

МИНТОПЭНЕРГО РФ ННЦ ГП - Институт горного дела им. А.А.Скочинского

Московское отделение Международной Академии Наук Экологии и Безопасности жизнедеятельности

На правах рукописи канд.техн.наук РЯБЕЦ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

УДК 622.236.722:622.271.7

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И СОЗДАНИЕ БЕЗОПАСНЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Специальности: -05.26.04 "Промышленная безопасность" 05.15.11 "Физические процессы горного производства"

к

^ 3 К*4 ^

\\Д1^$Ьтация наЛ^Ъкзнт^учздс^ \\ наук

г 13 О ^

ные консультанты: -академик РАН Е.И.Шемякин, докт.техн.наук, проф. В.Н.Скуба

г.Москва, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение ............................................................................................................................................................*

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОХОДКИ ОТКРЫТЫХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК..........................................................................................................................¿о

1.1. Общие сведения.......................................

1.2. Техника и технология проходки поверхностных горных выработок..............................................................ы

1.2.1 Траншейный способ разведки......................¿2.

1.2.2 Техника и технология проходки геологоразведочных канав........................................2.4

1.3. Техника и технология проходки геологоразведочных скважин......................................................................26

1.3;. Колонковое бурение............................................¿7

1.3 1 Ударно-канатное бурение..............................-z.fi

1.3 Техника и технология проходки скважин большого диаметра и комбинированного бурения................................................¿о

1.4. Техника и технология проходки геологоразведочных шурфов....................................

1.5. Применение СВЧ энергии для подготовки мерзлых пород к выемке при проходке горных выработок........................................ 4 о

1.6. Цель, задачи и методы исследований............ ць

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

УТЕЧЕК СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО БЕЗОПАСНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВЧ УСТАНОВОК.................................................... 54

2.1. Экспериментальные исследования утечек электромагнитного поля, возникающих при вводе СВЧ энергии в породу с помощью открытых излучающих систем....................... 5"-/

2.1.1. Вводные замечания........................ е- /

2.1.2. Методика и аппаратура исследований............................................. ВЧ

2.1.3. Обсуждение результатов измерений........................................................................................6/

2.1.4. Прогнозная оценка электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ устройств, использующих открытые излучающие системы......................

2.1.5. Определение коэффициента утечек СВЧ энергии из призабойной зоны....

2.2. Разработка устройств снижения утечек СВЧ энергии из технологической зоны и оценка их эффективности................................................................................&

2.2.1. Экспериментальное определение электромагнитного поля в зоне обслуживания СВЧ установки ЭВИК-1.......................... ........................аз

2.2.2. Обоснование и выбор типов заграждающих структур для снижения утечек энергии и технологического зазора..............................................

2.2.3. Методика и аппаратура для определения эффективности заграждающих структур.....................................

2.3. Результаты экспериментальных исследований. Оценка эффективности заграждающих структур..............................................................................................&&

2.3.1. Поле излучения в задней полуплоскости пирамидального рупора..............8£>

2.3.2. Защитное устройство компенсационного типа..........................................................................33

2.3.3. Заграждающее устройство контактного типа................................................................................-3-3

2.4. Экспериментальная проверка эффективности заграждающих структур и оценка электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установки ЭВИК-1............................

2.4.1. Постановка задачи......................... .9?

2.4.2. Оборудование, аппаратура, методика измерений....................................

2.4.3. Результаты измерений электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установки ЭВИК-1..........................loh

Выводы..............................................................................................................................................ЫЧ

Глава 3. Теоретическое исследование нагрева массива мерзлой породы СВЧ полем с учетом начального рас-' пределения температуры и влажности....................................ИЬ

3.1. В в одные замечания.................................

3.2. Постановка задачи. Определение тепловых

ж очников в массиве породы..........................................Л i 1

3.3. Нагрев массива мерзлой породы до начала образования в нем фазового перехода...........

3.4. Оттаивание в СВЧ электромагнитном поле мерзлых пород с естественным градиентом температуры и влажности....................................................^

Выводы.........................................................................45Ц

Глава 4. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СВЧ ЭНЕРГЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ СВЧ ЭНЕРГИИ В МАССИВ МЕРЗЛОЙ ПОРОДЫ............................................................................................Л5Ь

Г

4.1. Экспериментальные исследования коробчатого рупора возбуждаемого волно водно-щелевым излучателем..............................

4.1.1. Постановка задачи......................

4.1.2. Методика и аппаратура эксперимента..............................................

4.1.3. Температурное поле коробчатого ру-* пора, возбуждаемого волно водно-

щелевыми антеннами с продольными щелями.......................................

4.2. Экспериментальные исследования электродинамических характеристик коробчатого рупора................................................................<15

4.2.1. Постановка задачи. ........................

f 4.2.2. Методика и аппаратура эксперимента ..............................................................................................1 ■f'b

4.2.3. Коробчатый рупор с двумя волновод-но-щелевыми решетками взаимно-ортогональной поляризации..........................</<?&

4.2.4. Коробчатый рупор с двумя волновод-но-щелевыми решетками взаимно-

ортогональной поляризации..........................-fÄ?

ВЫВОДЫ.......................................................................

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВВОДА

* СВЧ ЭНЕРГИИ В МЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ (МАССИВОВ).................................................................................................................т

5.1. Излучатели СВЧ энергии для комбинированной проходки шурфов и котлованов........................../3 (

5.1 Л. Электродинамические параметры излучателей........................................................................^

5Л .2. Методика экспериментальных иссле-

* дований.......................................

5.1.3. Формирование температурных полей в мерзлом массиве........................

5.1.4. Конструкция СВЧ излучателей на

частоте 460 МГц....................................................../9 7

5.2. Нагрузочные характеристики открытых резонансных систем.......................................

* 5.2.1. Особенности ввода СВЧ энергии в

мерзлую породу........................................................мч-

5.2.2. Методика исследований....................................¿ь Я

5.2.3. Влияние фазовых переходов в массиве породы на характеристики рупор-но-щелевых излучателей.................

5.3. Влияние конструкции излучающей системы

* на уровень утечек из технологической зоны........................................................

5.3.1. Вводные замечания................................................г1 &

5.3.2. Аппаратура и методика измерений..........¿/д

5.3.3. Влияние конструкции излучателя и элементов заграждающих структур на уровень поля утечек........................

f Выводы..............................................................................................................................................z ь I

б

Глава 6. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С МЕРЗЛЫМ МАССИВОМ. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ОТКРЫТЫХ ГОРНО-РАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК.........................................................

6.1. Разработка методики и аппаратуры для исследования СВЧ нагрева мерзлых пород на частоте 430 МГц......................................

6.1.1. Вводные замечания................................................£ ь ь

6.1.2. Методика и аппаратура эксперимента..............................................

6.1.3. Разработка коаксиально-волновод-ного перехода на частоте 430 МГц..

* 6.2. Экспериментальное исследование СВЧ нагре-

ва мерзлых пород на частоте 430 МГц..........

6.2.1. Постановка задачи..................................................т 4

6.2.2. Условия проведения эксперимента.... ¿Чъ

6.3. Температурные поля в мерзлой породе после СВЧ воздействия на частоте 430 МГц...........

6.3.1. Песок крупнозернистый...........................±к<ъ

* 6.3.2. Супесь................................................................................¿5"/

6.3.3. Суглинок..........................................................................25Y

6.3.4. Характеристика оттайки мерзлых пород на частоте 430 МГц......................................2 S 2.

6.4. Оценка энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ электромагнитного поля частотой 430 МГц с мерзлой

* породой................................................

6.5. Технология разработки и требования к излучающим системам СВЧ установок..............................1 £>/

Выводы..............................................................................................................................................2-ЬЧ

Глава 7. Исследование диэлектрических свойств мерзлых

горных пород..................................................................................................265

Выводы..............................................................................................................................................23 2

* ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................2 &Ч

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................................3/2

ВВЕДЕНИЕ

Развитие горнодобывающей промышленности и строительства в районах Крайнего Севера и Северо-Востока России сопряжено с необходимостью решения проблемы повышения эффективности разработки мно-голетнемерзлых и мерзлых дисперсных горных пород (массивов).

Наиболее трудоемкими и дорогостоящими являются работы, связанные с проходкой горных выработок сравнительно небольшого объема (котлованов, разведочных траншей, канав и шурфов), так как производство этих работ связано с разрушением пород, обладающих наибольшей начальной отрицательной температурой и, как показывает практика, высокой прочностью и абразивностью.

Применяемые в настоящее время традиционные способы подготовки мерзлых пород к выемке (электрооттайка, гидро- или парооттаивание, буровзрывные работы) отличаются многооперационностью, высокой опасностью, сравнительно низкой производительностью. В связи с этим поиск новых способов (методов) подготовки мерзлых пород к выемке представляет собой актуальную научную и практическую проблему.

Перспективным способом подготовки мерзлых пород к выемке, обладающем на современном уровне развития науки и техники наибольшей безопасностью, является воздействие на мерзлую породу электромагнитной энергии сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ), позволяющее в отличие от других способов реализовать снижение прочности породы в ее объеме с высокой эффективностью. Однако, разработка СВЧ установок, экономически целесообразно реализующих данный способ подготовки мерзлых пород к выемке, сдерживается недостаточной изученностью закономерностей снижения прочности многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых горных пород под воздействием СВЧ излучения и отсутствием научно-обоснованных методик выбора безопасных оптимальных параметров СВЧ установок и технологий.

В настоящее время проходка открытых горных выработок ограниченного объема в условиях Северо-Востока в основном ведется после предварительной подготовки, буровзрывным способом или с помощью тепловой энергии. Однако, это приводит к излишнему увеличению объемов проходки, осложняет и в ряде случаев исключает проведение работ в естественных городских условиях, не обеспечивает требуемой производительности (при проведении аварийно-спасательных работ) снижает при проведении горно-разведочных работ качество и достоверность опробования.

Реальную основу для интенсификации проходки открытых горных выработок ограниченного объема создают методы подготовки, основанные на объемном нагреве (разупрочнении) мерзлых пород СВЧ электромагнитной энергии.

В 1982-1995 гг. в ИГДС ЯФ СО АН СССР при непосредственном участии и научном руководстве автора созданы ряд СВЧ установок для экстренного вскрытия зон аварий в мерзлых массивах на базе генератора выходной мощностью 25-50 кВт, и рабочей частотой 460-915 МГц.

Испытания установок в условиях г. Якутска, г. Омска и г. Магадана показали, что предварительная подготовка мерзлых пород к выемке с помощью метода СВЧ нагрева позволяет увеличить производительность разработки котлована в 2-2,5 раза, себестоимость работ при этом снизилась. Положительные результаты испытаний СВЧ установок показали на целесообразность дальнейшего развития работ по применению СВЧ энергии для повышения эффективности и безопасности разработки мерзлых пород в условиях Крайнего Севера и Северо-Востока.

Проблемам взаимодействия СВЧ-электромагнитного поля с мерзлыми горными породами (массивами) и электрофизическими способами разрушения крепких пород посвящен ряд работ отечественных и зарубежных ученых - академика В.В.Ржевского|, проф. Ю.И.Протасова, проф. Г.Я.Новика, проф. Ю.М.Мисник], проф. А.Н.Москалева, проф.

A.С.Гончарова, проф. А.П.Дмитриева, д.т.н. А.В.Варзина, д.т.н.

B.С.Кравченко, инж. С.С.Красновского, д.т.н. А.Д.Долголаптева, д.т.н. Ю.Н.Захарова, д.н.т. Л.Б.Некрасова, проф. А.В.Нетушила, к.т.н. А.П.Образцова, к.т.н., доц. В.А.Хоминского, к.т.н. Л.Э.Рикенглаза, к.т.н. О.Б.Шонина, к.т.н. Килькеева и др.

Однако, эти результаты базируются на предположении равномерного по глубине распределения электрических и теплофизических свойств, температур и влажности в горной породе и массиве, и поэтому полученные результаты с полным правом могут быть отнесены только к случаю разработки мерзлых пород и массивов в подземных условиях, где начальная температура ( 7') и влажность ( W ) распределены в толще породы (массиве) примерно равномерно. Для многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых пород естественного сложения, в которых осуществляется проходка открытых горных, разведочных и строительных выработок влажность и температура многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых пород (массивов) с глубиной непрерывно изменяются, при этом изменение этих параметров в пределах глубины проникновения СВЧ электромагнитного поля в мерзлую породу (массив) достигает больших величин. Вследствие этого разупрочнение (оттаивание) массива мерзлой породы СВЧ полем в условиях открытых горных работ существенно отличается, как в качественном, так и в количественном отношении от разупрочнения (оттаивания) горных пород с рав-

номерно распределенными в массиве свойствами. Поэтому для обоснованного выбора безопасных энергетических и технологических параметров, безопасных параметров СВЧ устройств и технологии проходки открытых горных, разведочных и строительных выработок в мерзлых породах необходимо было детально изучить закономерности взаимодействия массива мерзлых пород с СВЧ излучением (СВЧ полями) с учетом реальных физико-механических и теплофизических свойств мерзлых пород (массивов) естественного залегания и создать безопасные способы и средства разупрочнения (оттаивания)мерзлых горных пород СВЧ электромагнитными полями.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований подтверждают возможность успешного применения ЭМП СВЧ диапазона для интенсификации технологических процессов в геологоразведке, горном деле и строительстве в условиях распростанения многолетней и сезонно-мерзлой мерзлоты. Эти результаты позволили создать, с участием и под руководством автора, первые СВЧ устройства с рабочей частотой 915, 430 и 460 МГц для разрушения, разупрочнения и оттаивания мерзлых пород.

В настоящей работе впервые предпринято научно-технически обосновать параметры и создать безопасные способы и средства разупрочнения мерзлых горных пород СВЧ электромагнитной энергией, установить количественные и качественные зависимости взаимодействия массива мерзлых пород с СВЧ излучением с учетом реальных физико-механических свойств мерзлых пород естественного залегания, разработать и обосновать безопасную технологию проведения открытых горных и строительных выработок в мерзлых породах воздействием СВЧ энергии с целью интенсификации их разработки (экскавации).

Исследования по данной проблеме выполнены автором в течении 1982-1997 гг. и входят в комплекс работ, выполняемых в рамках научно-тематических планов Института горного дела Севера ЯФ СО АН СССР по Постановлению Сибирского отделения АН СССР №40 от 06.02.81 г., № Государственной регистрации 01830078357 и № Государственной регистрации 01840024532, по комплексной целевой Государственной программе «Сибирь», подпрограмме Южно-Якутский ТПК, по Постановлениям Государственного Комитета по науке и технике СССР и АН СССР № 395/96 от13.07.84 и №422 от 17.09.86., по Общесоюзной программе Государственного значения «Горнодобывающая и строительно-дорожная техника для Севера», а также в рамках научно-тематических планов ИГД им. A.A. Скочинского - тема: «Разработать методику изучения физико-технических свойств углепородного массива, как разрушаемой среды с природными и техногенными зонами предразрушениями», № Гос. Регистрации 011009064010, 1997 г.

Научно-техническому обоснованию, экспериментальной проверке безопасных параметров и созданию безопасных способов и технических средств, обес