автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Обоснование параметров СВЧ устройств для разупрочнения мерзлых горных пород электромагнитным полем частотой 460 МГц при проходке котлованов, траншей

Российская Академия наук Сибирское отделение Институт горного дела Севера

Л У

(р*

на правах рукописи

МИРОНОВ ВИТАЛИИ ПАВЛОВИЧ

УДК 622.236.722:262.271.1

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЧ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАЗУПРОЧНЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ЧАСТОТОЙ 460 МГц ПРИ ПРОХОДКЕ КОТЛОВАНОВ, ТРАНШЕИ

05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск 1994

) О

Работа выполнена в Институте горного дела Севера СО РАН.

Научный руководитель: канд.техн.наук, с.н.с. Н.И.Рябец

Официальные оппоненты: докт.техн.наук, проф. Е.Е.Петров

канд.техн.наук, с.н.с. В.М.Калинин

Ведущее предприятие - Институт-"Якутниипроалмаз"

АК "Алмазы России-Саха"

Защита состоится" .часов

на заседании Специализированного совета К. 003.44.01 при Институте горного дела Севера СО РАН, по адресу: 677007, г.Якутск, ул. Кулаковского, 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горноп дела Севера СО РАН.

Автореферат разослан

»30" 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета д.т.н., проф.

В.Ю.Изаксон

г

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Экономическое освоение северных и северо-восточных районов России требует разработки большого объема многолетнемерзлых пород (грунтов). Увеличение полезных ископаемых требует решения проблемы повышения производительности разработки многолетнемерзлых дисперсных пород, высокая прочность и абразивность которых не позволяет разрабатывать их горной й землеройной техникой, предназначенной для разработки талых пород.

Решение этой проблемы возможно двумя принципиально разными способами разрушения многолетнемерзлых и мерзлых пород. Первый способ основан только на механическом разрушении, что требует создания горных и землеройных машин со значительной единичной мощностью и, в настоящее время, встречает ряд затруднений принципиального характера. Второй способ, кроме механического разрушения, использует предварительное снижение (разупрочнение, оттаивание) многолетнемерзлых пород путем ввода в массив того или иного вида физической энергии.

Широко применяемые в настоящее время различные способы оттаивания многолетнемерзлых пород обладают существенными недостатками, одним из которых является предварительное рыхление снижающее технико-экономические споказатели, однако необходимость проведения буровых работ резко ухудшает эти показатели к цикличности процесса разработки и не дает возможности создания комплексно-механизированных машин для строительных и горных работ.

Такое состояние вопроса разрушения многолетнемерзлых пород в условиях низких отрицательных температур привело к необходимости поиска способов предварительного снижения прочности разрабатываемого массива путем воздействия на мерзлые породы различными физическими полями. Из всех известных и, в какой-то мере изученных видов энергии, наиболее перспективных с точки зрения способности влиять на физико-механическое состояние массива горных пород является энергия электромагнитного поля (ЗМП) высочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Результаты ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований подтверждают возможности успешного применения энергии ЗМП СВЧ диапазона для ускорения процесса разупрочнения мерзлого массива в геологоразведке, 'горном деле и в

з

строительстве.

В настоящей работе предпринята попытка обосновать и выбрать параметры СВЧ установски на рабочей частоте 460 МГц, установить закономерности взаимодействия массива мерзлых пород с СВЧ изл;чекием с учетом реальных физико-механических свойств мерзлых пород естественного залегания.

Исследования по данной теме выполнены автором в течение 1990-1994 гг. и входят в комплекс работ, выполняемых лабораторией , проблем электрофизических способов воздействия на мерзлые горные породы Института горного дела Севера СО РАН по госбюджетной тематике: тема 3.2.1.4(3) "Разработка методов выбора оптимальных параметров ресурсосберегающих технологий разрушения горных пород при воздействии энергетическими полями различной природы на осново исследования физико-механических процессов в мерзлом массиве".

Приоритетные направления исследований РАН "Разработка месторождений полезных ископаемых", программа "Сибирь", подпрограмма "Уголь Сибири".

Идея работы заклачается в том, что увеличение длины волны электромагнитного поля позволяет повысить эффективность разупрочнения (оттаивания) мерзлых горных пород.

Цель работьи Повышение эффективности разупрочнения и оттаивания мерзлых пород на основе применения СВЧ электромагнитного поля на частоте 460 МГц.

Задачи исследований:

- исследовать диэлектрических свойств мерзлых пород на частоте 915 МГц,

- оптимизировать способ передачи СВЧ энергии в массив мерзлой породы,

- разработать перспективные типы излучателей, позволяющих достичь максимальное эффективное проникновение электромагнитного поля в глубь мерзлого массива,

- исследовать параметры СВЧ устройств с рабочей частотой 460 МГц для разупрочнения мерзлых пород и оценить энергетические и технологические параметры взаимодействия СВЧ электромагнитного поля с массивом мерзлых пород.

Методы исследования. В работе используется комплексный метод. ' включающий лабораторные исследования моделей СВЧ

излучателей различных конструкций, натурные эксперименты установления закономерностей разупрочнения мерзлых пород и проверки предлагаемой конструкции СВЧ устройств, статистическую обработку результатов, опытно-промысленную проверку и внедрения рекомендаций в практику. При решении задач использовалась современная измерительная аппаратура и ЭВМ.

Научные положения, защищаемые в работе: увеличение длины волны электромагнитного поля повышает эффективность разупрочнения и уменьшает энергоемкость процесса подготовки мерзлых пород к выемке;

- скорость нагрева мерзлых пород естественного залегания СВЧ энергией с рабочей частотой 460 МГц остается постоянной и зависит от длины волны и мощности СВЧ устройств;

- оптимальный ввод СВЧ энергии на частоте 460 МГц в массив мерзлой породы с максимальным использованием площади раскрыва апертуры и равномерное распределение температурного поля достигается при использовании двух типов излучателей (пирамидального и коробчатого).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований с данными лабораторных и промышленных экспериментов; положительными результатами внедрения созданных СВЧ устройств и разработанных рекомендаций.

Научная новизна: экспериментально установлено, что использование

пирамидального и коробчатого излучателей обеспечивает оптимальный ввод СВЧ энергии в мерзлый массив;

впервые разработаны и испытаны две излучающие системы: пирамидальная с волноводно-щелевой антенной возбуждения и коробчатая с центральной штырьевой антенной возбуждения площадь» раскрыва апертуры 2,65x1,5 (длина щелей 1=335 мм, величина излома 72,3 мм, расстояние между щелями и от закороченной стенки волновода до центра крайней щели л /2=427,5 мм);

- впервые использован магнетрон с выходной мощностью 50 кВт и рабочей частотой 460 МГц, обеспечивающий максимальное проникновение электомагнитного поля в глубь мерзлого массива;

- впервые разработан и испытан в натурных условиях СВЧ генераторный блок с рабочей частотой 450 МГц и определены оптимальные энгергетические и технологические парметры, рациональные режкмы работы.

Личный вклад автора состоит -в разработке методики и проведении эксперимента по исследованию эффективного распределения температурного поля для двух типов излучателей с рабочей частотой 460 МГц, обеспечивающих оптимальный ввод СВЧ энергии в мерзлый массив с максимальным использованием площади раскрыва апертуры;

в разработке методики, изготовлении модели и проведении лабораторного эксперимента по изучению распределения температурного поля при использовании различных СВЧ электромагнитных полей различной частоты разрешеннных для применения в народном хозяйстве;

- в испытании, разработке рекомендаций на доработку и создании различных СВЧ устройств, работающих на частоте 460 МГц и в создании СВЧ установки "ЗВИК-2Р" для экстренного разупрочнения мерзлых пород для проходки котлованов, траншей.

Практическое значение работы заключается в обосновании параметров СВЧ устройств для разупрочнения мерзлых горных пород при проходке котлованов, траншей, разработке технических требований и конструкции СВЧ устройств.

На основании результатов работы разработаны конструкции излучателей СВЧ энергии коробчатого типа с волноводно-щелевой антенной возбуждения, центральной штырьевой антенной возбуждения и СВЧ генераторный блок на частоте 460 МГц, которые использованы в ПО "Контакт" при проектировании СВЧ установок для экстренного разупрочнения мерзлых пород "ЭВИК-ЗР" применительно к проходке котлованов, траншей и шурфов.

Внедрение результатов работы. Разработаны рекомендации, направленные на доработку, модернизацию и устойчивую работу в условиях Крайнего Севера изделия "Хребет" выходной мощностью 50 кВт, рабочей частотой 460 МГц. Определены оптимальные параметры работы изделия "Хребет" в привязке с технологическими . и энергетическими параметрами и физико-механическими свойствами мерзлых пород. Рекомендации и результаты НИОКР переданы и

использованы в НПО "Исток".

Разработанные конструкции излучателей коробчатого типа, технические и конструкторские решения (документация по конструкциям тележки манипулятора и СВЧ генераторного блока) переданы и использованы при проектировании СВЧ установки для экстренного разупрочнения мерзлых пород "ЭВИК-ЗР" в объединении ПО "Контакт". Методические указания по режимам СВЧ воздействия и рекомендации по технологии проходки котлованов, транвей с применением СВЧ поля; методика опытно-промышленных испытаний излучателей СВЧ энергии коробчатого типа со штырьевой антенной возбуждения; методика опытно-промышленных испытаний СВЧ установки

- "ЭВИК-2Р" переданы в производственное объединение "Контакт" и использованы при разработке СВЧ установки "ЭВИК-ЗР" на новой элементной базе.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены:

на пестой (iv) Всесоюзной научно-практической конференции "Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях", г. Саратов, 1991 г.;

- на заседании Совета директоров Ассоциации "Электроснабжения городов Сибири и Дальнего Востока", 04.04.91г., г.Омск;

- на заседании секции "Физические процессы горного производства" ИГДС, 14.12.93г., г. Якутск;

- на расширенном научном семинаре лаборатории ПНИЛ ЭБТ "НМРГП кафедры РГП С.-Петербургского государственного горного института (университета) 22.02.94 г., г. С.-Петербург;

- на Третьем Международном Симпозиуме "Горное дело в Арктике", г. С.-Петербург, 1994 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит страницы

машинописного текста, 43 рисунков, 14 таблиц, списка литератур из 103 наименований и 2 приложений.

Автор выражает благодарность сотрудникам ИГДС, С.-ПГГИ, ЯГУ, ПО "Контакт", ГНПП "Исток", ПЭП "Омсккоммунэлектро" оказавшим консультации и помощь при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются существующие методы подготовки мерзлых пород к разработке, анализируются способы проходки открытых г.орчо-разпедочных выработок шурфов и мерзлых породах в условиях Северо-Востока России, рассматривается современное состояние исследований е области применения СВЧ энергии при разработке мерзлых пород, ставятся задачи исследований.

В последнее время решение проблемы повышения производительности разведки и разработки мерзлых пород связано с изысканием эффективных методов их разупрочнения. Из всех известных и, в какой-то мере, изученных видовы энергии наиболее перспективна, с точки зрения влияния на физпко-механичзское состояние пород, энергия электромагнитного поля .-зысоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот. К достоинствам разупрочнения мерзлых пород в ВЧ и СВЧ электромагнитных полях следует отнести объемный характер нагрева, обусловленный непосредственным преобразованием СВЧ энергии в тепловую, возможность бесконгактной передачи СВЧ энергии в массив при высоком КПД ее использования и технологически приемлиемые глубины разупрочнения, достигаемые за время электромагнитного воздействия.

Эффективность использования СВЧ энергии для по;и отовки мерзлых пород к выемке определяется правильным выбором параметров и ркежимов воздействия СВЧ излучения на породу. К настоящему времени накоплен значительный опыт по проблеме взаимодействия СВЧ излучения с массивом мерзлой породы. Эти работы, связанные с проблемой применения ВЧ и СВЧ энергии, велись в Москозском горном институте, ИГД им. А.А.Скочинского и Днепропетровском ИГГМ АН/ УССР. В последующие годы эти работы развивались б Институте физико-технических проблем Севера ЯФ СО АН, Красноярским филиала ВНИИИстроймат, Институте горного дала Севера ЯФ СО АН, Якутском государственном университете. В настоящее время такие работы ведутся в С.-Петербургском государственном горном институте и Институте горного дела СО РАН.

Во__второй главе изложены результаты исследований

диэлектрических свойств мерзлых пород на частоте 915 МГц. Они

основаны тм измерении импеданса волноводной системы, в которой расположен образец ксследуемого диэлектрика. Для измерения диэлектрических свойств /изрзлых пород в первую очередь был использован "приклацногг' метод. Критерием послужили относительная простота эпертурного офлрмлания, возможность измерения модуля коэффициента отражения л его .фазы с заданной точностью,, а также простота расчетных формул лля определения s , s ,. г b :

С =AS (К С В)2 COS Ф ,

г =АР <х с Р}~ cos 2ф; tg & = tg 2 ф, (t)

где ^2Цо(хуз- x>tv, А= Ji- (-^У ; /i„= ~

КСВ - коэффициент стоячей волн.ы;ф - фаза коэффициента отражения; /! - фазовая постоянная пустого яолновода; а - длина волны в пустом волноводе; а -длина волны в свободном пространстве; 2а

о

критическая длина волны волновода; положение фиксируемого

минимума при коротком замыкании волновода; х - положение того же минимума при нагрукенли волновода образцом типа бесконечного "полупространства".

Измерения, проведенные на песке "прикладным" методом показали следующее. При плюсовых тз7шературах на частоте 915 МГц величина смещения &х=хк3-х имеет значение порядка нескольких сантиметров. С увеличением влажности песка величина смещения Дх возрастает: поле все больше "втягивается" в образец. При использовании расчетных формул (1) увеличение Дх ведет к уменьшению 8' и увеличению ьд 5 . Кроме этого, увеличение влажности песка способствует увеличению КСВ. В совокупности эти факторы вынудили отказаться от использования для измерения диэлектрических свойств мерзлых пород "прикладного" метода и перейти на метод короткого замыкания и холостого хода.

Практическое выполнение метода КЗ и XX осуществляется путем измерений коэффициента бегущей волны (КБВ) и расстояния от поверхности образца до первого узла стоячей волны при размещении образца-диэлектрика сначала у закороченного конца линии (положение КЗ), а затем при размещении подвижного поршня на расстоянии от образца, равном четверти длины волны в волноводе. На основании

о

проведенных измерений расчет диэлектрических характеристик осуществляется:

• Р + ß2 ß-tgß hL , / tg ß ЛL

C - -M°" ß' в arCtV tgß Sl

U '1С / tg ß iL V a О г

° я . / ° . '

"о/ '^EgH~~KL2 (1-S J-Sin'iß К /2) ll+s >-sintß К /2)

1 Ol 1 О 2 / О \

tgöE=-—-----~~(2)

^П23оДЬ,/ 2+ (sin-^,)2 Sin2'3oAL2/l+ (sin-^^

В

_ д:

2ß В

2P

K2 E 'Ц '

p = ^ = 2jt_. ß = 2я

а ' л ' а '

fcp о в

где в - толщина образца; Al^Al^- расстояние от поверхности образца до первого угла стоячей волны в положениях КЗ и XX; к и КБВ в положениях КЗ и XX; р - постоянная распространения, соответствующая критической длине L ; ß - фазовая постоянная

Ьр о * * *

пустого волновода, заполненного средой с параметрами u , s ; ц -

магнитная проницаемость; А =2а, где а - размер широкой стенки

kp

волновода.

Для осуществления измерений диэлектрических свойств мерзлых пород методом КЗ и XX изготовлена и испытана измерительная установка. Примененный метод измерений и используемое оборудование позволили определить значения диэлектрической проницаемости с потребностью 3-5'/, а тангенса угла диэлектрических потерь - 9-12'/..

Анализ результатов определения диэлектрических свойств дисперсных и крупнообломочных пород на частоте 915 МГц в зависимости от их влажности и температуры показал следующее. Диэлектрические свойства тесно связаны с другими свойствами породы, среди которых определяющее влияние оказывают ее химико-минералогический состав, дисперсность и влажность. В зависимости от этих свойств каждой породе присущи свои численные значения параметров с и tgös, свои специфические особенности в поведении диэлектрических характеристик с изменением температуры.

Установлено, что в области криогенных температур /-5°С...-30°С/ при влажности не выше 20'/. все изученные разновидности пород относятся к классу пород-диэлектриков. В диапазоне отрицательных температур -30°С < г •< -5°С, при одной и той же влажности, значения диэлектрических свойств практически постоянны.

Наряду с этим, наблюдается некоторое увеличение диэлектрических характеристик пород при понижении температуры от -35ССд° -50®С. Увеличение степени дисперсности породы ведет к возрастанию ее диэлектрических характеристик в области отрицательных температур диапазона -30°С < г < -5°С.

При переходе породы из мерзлого в талое состояние, увеличение ее исходной влажности приводит к появлению максимумов в зависимостях диэлектрических свойств от температуры. Ширина зоны фазового перехода, и, соответственно, температурный интервал, на котором наблюдаются максимально высокие значения г' и увеличиваются с увеличением вязкости породы. Так же, с увеличением вязкости область существенного увеличения диэлектрических свойств смещается в сторону более высоких значений влажности. При одной и той же влажности, снижение степени дисперсности породы приводит к более высоким численным значениям параметров в максимумах диэлектрических свойств от температуры. Установлено, что при одной и той же температуре с увеличением ее влажности от 1-2 до 20-25'/. зависимости е' и tgЬ от влажности имеют, как правило, нелинейный характер. Для изученных разновидностей, имеющих заданную степень влажности, характерна стабилизация числеяных значений диэлектрических свойств в области положительных температур о'С«т < -20°С.

Полученные зависимости диэлектрических свойств мерзлых горных пород на частоте 915 МГц от влажности и температуры позволяют определить величину удельной поглощенной СВЧ мощности и глубины проникновения электромагнитной энергии в пласт и дают возможность прогнозировать эффективность воздействия электромагнитного поля с целью их разрушения.

В третьей главе рассматривается разработка средств СВЧ энергетики и оптимизация процесса передачи энергии в. массив мерзлой породы. В настоящее время, практическим выходом исследований по применению ■ СВЧ энергии для подготовки мерзлых пород к экскавации является установка для экстренного вскрытия подземных инженерных коммуникаций "ЗВИК-1". Технология проходки

котлована 2,5x1,5x0,8 м этой установкой состоит в ооразовании с

2

помощью пирамидального рупора с раскрывом (0,6х0,6)м талых зон 2

размером (0,6х0,3)м с шагом 0,1 м и скалывании оставшихся целиков механическим инструментом. Энергетическую базу установки составляет магнетрон М-116 "Хвоя" мощностью 50 кВт на частоте 915 МГц. Поскольку глубина оттаивания на этой частоте не превышает 0,4 м, проходка котлована осуществляется послойно.

Для создания экономически более эффективной установки

необходимо снизить время отработки котлована путем увеличения

мощности установки и совершенствования технологии проходки. Новая

технология может быть оеализована с помощью излучающей антенны,

2

обеспечивающей одновременный нагрев породы в пределах (2,5--1,5) м на частоте 433 МГц и 460 МГц, образующей наибольшую глубину проникновения электромагнитного поля в породу. Представляется перспективными для решения поставлзнной задачи излучатели в виде коробчатых рупоров. По результатам исследований были разработаны и изготовлены макеты излучателя с дзумя волноводно-щелевыми антеннами.

Экспериментальное. определение характеристик открытых резонансных систем с двумя возбуждающими антеннами потребовало разработки стенда, состоящего из двух генераторов типа "ВОСК" с выходной мощностью до 0,5 кВт, работающие на частоте 2375 МГц.

В_____четвертой______Г-555? работы приводятся результаты

экспериментальной проверки оптимальных параметров процесса ввода СВЧ энергии в мерзлые породы. Возможность эффективного применения ЭТМ способа разрушения мерзлых пород в значительной степени связана с решением проблемы ввода энергии в массив мерзлой породы. Под средствами ввода СВЧ энергии в породу понимают следующие системы:

- волноводный тракт, обеспечивающий передачу СВЧ-энергии от генератора к излучателю;

устройство возбуждения излучателя - волноводно-щелевая антенная решетка, формирующая заданное амплитудно-фазоЕое распределение тепловых полей;

излучатель, обеспечивающий требуемое технологией распределение тепловых полей в массиве.

На условия работы излучателей, осуществляющих ввод электромагнитной энергии в мерзлую породу, влияют следующие обстоятельства:

СВЧ электромагнитная энергия излучателя в среду с диэлектрической проницаемостью > 3,5;

- изменение электрических свойств породы, особенно в области фазовых переходов лед-незамерзшая вода /г« 3,5; е » 10/, вследствие повышения температуры породы ызванное поглощением СВЧ-энергии;

- образование в породе талой зоны, препятствующей дальнейшему проникновению СВЧ-энергии вглубь массива;

- расположение излучателя на поверхности массива приводящее к искажении амплитудно-фазового распределения в апертуре, обусловленному возникновением дополнительных отражений.

Все перечисленные обстоятельства определяют специфику работы излучателя и являются основными при разработке средств ввода СВЧ энергии в мерзлую породу.

Теоретическое решение поставленной задачи с учетом многочисленных факторов, влияющих на ввод электромагнитной энергии в мерзлую породу, в настоящее время для пирамидальных рупорных излучателей является весьма сложной проблемой, поэтому на данном этапе представляется целесообразным выполнить оценку влияния фазовых переходов на параметры излучателя экспериментальным путем.

Применительно к задачам исследования собран стенд для комплексных измерений падающей р и отраженной р мощностей.

пал г о т р '

КСВ^ и фазы при переходе породы из мерзлого состояния в талое.

Мощность падающей и отраженной волны олределяется по Формуле;

р = р • с , (3)

отсчет. 47

г, р и б .

где С - переходное ослабление направленного ответвителя.

Определение пеоеходного ослабления проводилось по оощепринятой методике, в экспериментальной установке с =29100 -(¿=44,46 дБ). КСВ( в измерениях определяется по формуле, справедливой для квадратичного детектирования:

к =

с в

Y*

тг ДА 7 Я ДА

л 1 л

в в

(4)

где а - длина волны в волноводе; да' - ширина кривой в области

минимума стоячей волны, определяемая по уровню V2-E , где

mir?

- напряженность электромагнитного поля в узле стоячей волны. Исходя из измереш:ьг" значения КСВн можно вычислить модуль коэффициента отражения:

min

К - - 1

| R I = —С-5- . (5)

К + 1

с в

Значение d определяется как смещение минимумаст&Ячей волны

min

относительно плоскости короткого замыкания при включении пирамидального рупорного излучателя на нагрузку. Смещение положения d первого минимума е , дает значения изменения фазы

min min

Z коэффициента отражения. Фазовый угол коэффициента отражения ф (z) не влияет на форму стоячей воды, а определяет. только ее расположение по отношению к некоторой фиксированной точке в волноводе, в которой угол i|> задан. Фаза коэффициента отражения в произвольной точке z определяется:

У (Z) - (2п - 1) Я + 2 у (Z - Z ). (6)

О min

Если обозначить через Zmin расстояние от ближайшего минимума по нагрузке, расположенной в точке z , так, что z ' Zmin~ ^min' то на основании уравнения (6) получим:

Ф = 2-od - я , (7)

min

где у " постоянная распространения в волноводе у (е - у2!i//z , К = jp - волновое число в свободном пространстве;

о

а - длина волны в свободном пространстве;

А = 2а - критическая длина волны в волноводе для основного

к р

типа колебаний Н]0; а - размер широкой стенки волновода. По полученному распределению стоячих волн и его расшифровке с помощью измеренных значений КСВ и d можно найти модуль и фазу

Н min

коэффициента отражения в точке волноводного тракта.

Передача энергии в породу сопряжена с неизбежными потерями энергии из-за отражения Via границе раздела воздух-порода. В связи с этим при проведении измерений излучатель непосредственно установлен на поверхности образца без зазора. Кроме величины зазора на степень согласования излучателя с породой большое влияние оказывают свойства породы (о, g и т.д.), поэтому в течение исследований они поддерживались постоянными.

В пятой главе дана оценка энергетических и технологических

параметров взаимодействия СВЧ электромагнитных полей с мерзлым массивом и результаты экспериментальных исследований в натурных условиях.

Технологические и энергетические параметры взаимодействия СВЧ поля с мерзлыми породами как скорость, глубина эффективного нагрева и энергоемкость оттайки на заданную глубину зависят от длины волны электромагнитных колебаний л^. Это связано с тем, что глубина проникновения электромагнитного поля в породу н, определяемая как расстояние на котором напряженность электромагнитного поля уменьшается в е раз, является функцией л :

л

и - ------ , (8)

тг Уе"

где е и {гд5£ - относительная" диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

При одновременном распределении температуры и влажности по глубине массива, эффективность оттайки прямо пропорциональна длине волны, а скорость нагрева при постоянном значении плотности потока мощности обратно пропорциональна л. Энергоемкость процесса зависит от глубины оттайки и при определенном времени воздействия СВЧ поля на породу принимает минимальное значение, соответствующее оптимальному режиму оттаивания.

Для мерзлых пород, имеющих начальное распределение температуры и влажности, влияние длины волны на процесс нагрева носит более сложный характер, который определяется соотношением между глубиной проникновения н и характерным расстоянием г , на

котором объемная энергия фазового перехода о изменяется наиболее

ф

резко. Анализ показывает, что начальное распределение о (г) и г (г) оказывает наибольшее значение на характеристики нагрева, если н з

V

В этом случае, несмотря на экспоненциальное затухание

электромагнитной энергии, убывание о с глубиной приводят к тому,

ф

что условия фазового перехода в слое глубиной я становятся примерно одинаковыми. Это позволит снизить эффект экранировки, характерный для случая нагрева породы с однородным начальным распределением {? и улучшить энергетические параметры оттайки.

Расчет энергоемкости оттайки мерзлых пород, имеющих начальный градиент о и т показал что, при разработке слоев мощностью (20-40) см увеличение длины волны с 12,6 до 32,8 см приводит к

1г;

заметному снижению энергоемкости процесса. Так при оттаивании слоя мощностью 20 см энергоемкость уменьшается в 2,5 раза, для слоя 30 см в 13 раз, для слоя 40 см в 75 раз.

Очевидно, что дальнейшее увеличение длины волны до 70 см позволит не только увеличить предельную температуру и оптимальную глубину оттайки, но и даст заметный выигрыш в энергоемкости по сравнению с другими длинами волн при оттаивании слоя массива заданной глубины.

Учитывая перспективность использования для

горно-геологических целей СВЧ оттайку на частоте 430 МГц (л=70 см), целесообразно проведение экспериментальных исследований по определению основных показателей СВЧ нагрева массива мерзлых пород на этой частоте.

Для проведения исследований была разработана методика, СВЧ энергерический блок на базе экспериментального магнетрона М-137(Хребет) и соответствующая измерительная аппаратура. Разработан и испытан коаксиально-волноводный переход на частоте 430-460 МГц.

В результате проведения натурных испытаний СВЧ установки "ЭВИК-2Р", получены следующие результаты:

1. Работа установки в течение 3 часов потребления от сети электрической мощности 48-50 кВт обеспечивает последующее вскрытие котлована на глубину 120-130 см. Температура грунта на поверхности при этом достигает 70°С.

При нагреве грунта в тех же условиях в течение 4-х часов глубина котлована возрастает до 140-150 см, а температура на поверхности достигает 90"С (также в центре излучателя).

2. Отработка грунта буровой машиной и одноковшовым эксковатором без предварительной отработки СВЧ-поля оказалась невозможной.

3. Отрабатываемый котлован (при ручной выемке) имеет вертикальные стенки. Размеры котлована (в плоскости поверхности) превышают соответствующие размеры раскрыва излучателя на 5-10 см в каждую сторону.

4. Глубина отрабатываемого котлована в пределах раскрыва излучателя изменяется не более чем на 10-15/..

5. Мерзлые зоны(целики) в объеме котлована при нагреве в течение 2 часов и более отсутствуют, что связано с процессами теплообмена во время нагрева.

6. Энергоемкость подготовки грунта к выемке в режиме оттаивания ( при глубине котлована 120 см) составила 30-35 кВт -ч/м (по затратам электрической энергии от сети).

7. Работа СВЧ-генератора в процессе нагрева была устойчивой. Параметры генерации изменялись в пределах нескольких процентов, срывы генерации не наблюдались.

8. СВЧ-установка обеспечивала прогрев грунта при наличии на его поверхности слоя льда, снега и воды толщиной 5-10 см.

9. Нормированный для обслуживающего персонала уровень плотности потока мощности (10 kBt/cm¿) наблюдался на удалении от кромок излучателя 5 м (при излучаемой мощности 30 кВт и в контакте излучателя с поверхностью грунта).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе решена актуальная научно-практическая задача по обоснованию параметров СВЧ устройств для разупрочнения мерзлых пород электромагнитным полем частотой 460 МГц при проходке котлованов, траншей.

Для решения поставленной задачи автором в процессе исследований и выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Анализ применяемых методов подготовки мерзлых пород и существующих методов проходки открытых горных выработок в условиях Северо-Востока страны показал, что одним из перспективных методов повышения эффективности проходки подобных выработок является способ с применением электромагнитной энергии ВЧ и СВЧ диапазонов.

2. Разработана методйка и стенд для исслодования излучателя рупорного типа. Получены частотные зависимости коэффициента отражения, коэффициента связи, распределение температурного поля в породе для трех типов излучателей рупорного типа.. Эти данные позволяют выбрать параметры излучателей, обеспечивающих ввод СВЧ энергии с минимальным КСВ (1,2,4.. 2) и заданным коэффициентом использования площади раскрыва (к = 0,7) и выявить способы

v и с п . '

управления электромагнитным полем б апертуре излучателя различными конструкциями антенн.

3. На оснозании полученных данных определены основные параметры (длина щелей 1 - 335 мм,- Е&личина излома - 72,3 мм, расстояние между щелями и от закороченной стенки волновода до

центра крайней щели Лв/2=427,5 мм) и размеры (апертуры 2300x1200 мм, высота рупора 980 мм, катет 1050 мм) излучающей системы, с которой впервые использован и испытан магнетрон новой серии М-137 "Хребет" с рабочей частотой 460 МГц и выходной мощностью 50 кВт.

4. Разработаны рекомендации, направленные на доработку, модернизацию и устойчивую работу изделия "Хреоет" в условиях Крайнего Севера. Использованы, определены и внедрены в НПО "Исток" оптимальные параметры работы магнетрона "Хребет".

5. По результатам выполненной раОоты создана СВЧ-установка для экстренного вскрытия подземных инженерных коммуникаций в мерзлых породах "ЗВИК -2Р", где впервые использована модульная схема, в которой магнетрон, электромагнит, накальный трасформатор и излучающая система-выделены в отдельный блок, а источник питания СВЧ энергии и охлаждающая система расположены на базовой машине, ооеспечивающеи мооильную устойчивость.

Разработаны и внедрены ПО "Контакт" конструкции излучателей СВЧ энергии коробчатого типа с волноводно-щелевой .и центральной штырьевой антенной возбуждения на частоте 460 МГц, технические и конструкторские реиёния при проектировании опытно-промышленного образца СВЧ-установки "ЭВИК-ЗР" для экстренного разупрочнения мерзлых горных пород.

Основные научные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Рябец Н.И., Миронов В.П., Слепцов В.И. Натурные испытания СВЧ установки ЭВИК-2 с рабочей частотой 460 МГц для подготовки мерзлых пород к выемке // Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях, Саратов, 1991г.- lv научно-практическая конференция.

2. Рябец Н.И., Миронов В.П.,_ Слепцов В.И. Сверхвысокочастотная установка "ЭВИК-1", Информационный листок N42-92, ЯЦНТИ 1993 г.

3. Рябец Н.И., Миронов В.П. Методика и аппаратура для исследования нагрева мерзлых пород СВЧ электромагнитным полем частотой 433 МГц/ Институт горного дела Севера СО РАН- Якутск, 1994г. - 5с. - Деп. в ВИНИТИ.

4. Миронов В.П. Оценка энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ электромагнитного поля с мерзлой породой (частота 460 МГц)/ Институт горного дела Севера СО РАН-

Якутск, 1994г. - Юс. - Деп. в ВИНИТИ.

5. Рябец Н.И., Миронов В.П., Симаков A.C. Промышленные испытания СВЧ установки для подготовки мерзлых горных пород к выемке // Третий Международный Симпозиум "Горное дело в Арктике" -г. С.-Петербург, 1994г. / Тезисы докладов.

6. Рябец Н.И., Миронов В.П. Оценка энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ электромагнитного поля частотой 460 МГц с мерзлой породой // Третий Международный Симпозиум "Горное дело в Арктике" - г. С.-Петербург, 1994г. / Тезисы докладов.

7. Рябец Н.И., Миронов В.П. Поточная технология круглогодичной добычи золота из многолетнемерзлых россыпей на основе СВЧ энергии // Третий Международный Симпозиум "Горное дело в Арктике" - г. С.-Петербург, 1994г. / Тезисы докладов.