Немеханические способы разрушения горных пород

Целесообразность разработки устройств для разрушения горных пород должна быть обоснована, прежде всего, экономически. Сравнением экономических критериев можно выбрать наиболее оптимальный способ разрушения.
Оптимизация какого-либо процесса выполняется при наличии критерия оптимизации, который может быть общим или частным. Например, для комплекса БВР частными критериями являются: производительность бурового оборудования, расход долот на 1 тыс. м3, выход горной массы с 1 п.м. скважины, удельный расход BB, качество дробления и т.п. Общим является экономический критерий эффективности. Если принять, что частные критерии имеют прямое отношение к затратам энергии, то количественной мерой эффективности будет минимум энергозатрат на производство единицы конечной продукции. Показатель удельных энергозатрат является неотъемлемой частью в издержках каждого технологического процесса. И.А. Тангаев рассматривает полные издержки как сумму переменных и условнопостоянных ее частей. К переменным относят зарплату, затраты на материалы, на энергию и т.п., а к условно-переменным -амортизационные отчисления и др. Получается, что удельные энергозатраты могут служить энергетическим эквивалентом эффективности, находящимся с ней в обратной зависимости.
Энергоемкость различных способов разрушения представлена в табл. 1.3. Перечисленные способы разрушения применяются на стадии добычи или переработки сырья. Если представить цельный технологический цикл от добычи до металлургии, где собственно и происходит разрушение, то доли энергопотребления различных операций будут выглядеть следующим образом (табл. 1.3):

Из данных табл. 1.3 следует, что взрывание по энергоемкости в 10 раз выше бурения, а дробление в - 30 раз.
Удельное энергопотребление реального технологического процесса имеет две составляющие:

где Эф — удельный расход энергии на преодоление сопротивления горной породы внешнему воздействию;
Nxx - величина мощности, расходуемая на собственные нужды технической системы (станка, экскаватора, дробилки и п.т.);
k - коэффициент пропорциональности (перевод тепловой энергии в электрическую и наоборот);
Q - эксплуатационная производительность системы.
Из этого соотношения можно определить сопротивляемость породы разрушению:

Поскольку при добыче и переработке используются три основных источника энергии (дизтопливо, BB и электроэнергия), а стоимость единицы энергии, выраженной в МДж у них, соответственно, находится в соотношении 4:20:1, то можно, как утверждает И.А. Тангаев, разработать общую стратегию определения степени дробления на каждом этапе добычи и переработки по оптимальной стоимости:

где еб, еэ, ед, еи - удельные затраты электроэнергии на бурение, экскавацию, дробление, измельчение;
qp - удельный расход BB на дробление 1 т в карьере;
tдт - удельный расход дизтоплива при транспортировании 1 т сырья;
к', к", к'" - коэффициенты перевода 1 кВт-ч, 1 кг BB, 1 кг дизтоплива в МДж;
с', с", с'" - удельная стоимость 1 МДж, соответственно электроэнергии, BB и дизтоплива.
В последнем уравнении третье слагаемое слабо изменяется в зависимости от степени дробления. Поэтому реально управлять экономико-энергетическим результатом можно первым и третьим слагаемыми. Например, при увеличении удельного расхода BB — естественно повышается степень дробления и снижаются затраты на экскавацию и последующие дробление и измельчение. Если энергозатраты на бурение самые низкие, то есть смысл бурить скважины чаще, но малого диаметра (при большом диаметре возрастет удельный расход BB), это приведет к более равномерному насыщению массива BB и более мелкому и равномерному дроблению, что снижает удельные энергозатраты на дробление и измельчение при относительно постоянном удельном расходе ВВ.
Термические способы разрушения основаны на использовании тепловых свойств горных пород. Поглощение породами тепла сопровождается ростом кинетической энергии молекул и атомов, что фиксируется ростом температуры, причем, чем больше теплоты dQ перешло во внутренюю энергию ΔU, тем выше прирост температуры ΔT, т.е.:

где с - теплоемкость тела.
Поскольку горные породы в большинстве своем являются диэлектриками, для них теплопроводность может быть представлена как особый вид упругих колебаний квазичастиц - фононов, т.е. квантов поля колебаний кристаллической решетки. Число фононов не постоянно и их в 1 см3 тем больше, чем выше температура. Тогда процесс передачи тепла можно представить как перетекание «газа» фононов из области с большей его плотностью к области с меньшей. Поскольку массив неоднороден, то и теплопередача может проходить через некоторую граничную поверхность (трещины, слоистость, газ-порода, вода-порода и т.п.), т.е. среды отличаются между собой по тепловым свойствам. В этом случае говорят о теплопередаче, а количество теплоты, перешедшее из одной среды в другую, составит:

где кт - коэффициент теплопередачи; AS - площадь, отфильтровывающая теплоту; t - время передачи теплоты.
Наличие преград (трещины, флюиды, газ) и т.п. перерождают теплопередачу в теплоотдачу.
Тепло, поглощенное горной породой, расходуется, кроме ее нагрева, и на работу в виде теплового расширения, при этом удлинение составит:

где L - длина тела; α - коэффициент линейного расширения; V -объем тела;
αv - коэффициент объемного расширения.
Величины α и αv для одной и той же породы и минерала не одинаковы в различных направлениях, разница может составлять 1,5-2 раза, что обусловливает их тепловую анизотропию.
Неоднородный нагрев или различия в величинах коэффициентов теплового расширения и упругих свойств минералов горных пород - есть причины возникновения термических напряжений.

Если представить стержень, зажатый с двух сторон (рис. 1.14), то его нагрев приведет к расширению (удлинению) на Δl его первоначальной длины l. Ho так как это в зажатом состоянии невозможно, т.е. Δl стремится к 0, то возникают напряжения, пропорциональные Δl, т.е.:

где E - модуль упругости.
Термическое разрушение осуществляется воздействием на породу высокой температурной сверхзвуковой газовой струи. Она способна разогреть тонкий поверхностный слой породы, в котором возникают термические напряжения, приводящие к хрупкому отколу от поверхности мелких чешуек и частиц (рис. 1.15).

Из последнего соотношения следует, что термонапряжения пропорциональны модулю Е, т.е. чем жестче порода, тем они выше и, значит, выше эффективность разрушения термическим способом. Следовательно, в отличие от механического, интенсивность разрушения термическим способом с ростом E возрастает, в то как при механическим — падает. Для разрушения породы должно выполняться условие:

где σт - термическое напряжение.
Отсюда и определяется температура разрушения:

где V - коэффициент Пуассона.
Например, для железистых кварцитов КМА, рациональной будет температура около 400-500°C.
Из приведенных выше соотношений следует, что термонапряжения прямо пропорциональны градиенту температур ΔТ, т.е. зависят от интенсивности теплопередачи, а технически это выливается в скорость истечения газовой струи и величины теплового потока. Интенсивность теплового потока обеспечивается перемешиванием горючего и окислителя в горелках.
Удельный тепловой поток можно вычислить как:

где Tг - температура газов из горелки; Tп — температура породы.
В случае применения в качестве горючего керосина и окислителя - кислорода, тепловой поток будет составлять 2 /10*10в9 Вт/м2 при скорости струи 1600-2000 м/с и температуре 1600-2800°С.
Эффективность разрушения увеличивается с ростом E и снижением теплопроводности. Породы пластичные с высокой теплопроводностью разрушаются при этом хуже, так как на плавление затрачивается больше тепла, а шлак плохо удаляется. В мягких и рыхлых породах, или с высокой пористостью, снижаются термонапряжения.
Основные разрушающие факторы в виде удельного теплового потока и градиента температур подсказывают рациональную область применения термического разрушения, когда возможна концентрация теплового потока на ограниченной площадке. Такой областью является термобурение, способное реализоваться при разработке соответствующих конструкций горелок, способов подачи горючего и окислителя и удаления разрушенной массы из забоя скважины.
Термический способ разрушения используется при резании пород, их поверхностной обработке или при дроблении негабарита. Генерация теплового потока возможна не только с помощью горелок с кислородно-воздушным агентом. Тепловой поток создается и электрической дугой. При этом важно также время нагрева, которое должно быть прямо пропорционально квадрату расстояния до нагреваемой поверхности и обратно пропорционально температуропроводности:

где λ - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость; ρ - плотность.
Поскольку с глубиной резко возрастает время нагрева, то тепло, поглощенное породой накапливается в некотором объеме (рабочее тело), а его расширение обусловливает раскалывание породы. Для монолитных кусков породы одного состава форма рабочего тела приближается к полусфере, а для слоистых пород эта форма клиновидная и раскол происходит быстрее, чем у первой.
В соответствии с электромагнитными свойствами горных пород, воздействию на них таких полей, электромагнитные способы разрушения делятся на электродинамические и электромагнитотермические.
Электродинамические способы основаны на реализации явления электрического пробоя, происходящего на самой породе или в жидкости. В первом случае разрушение происходит за счет динамического действия электрического разряда в породе.
Пробой - это результат уменьшения удельного сопротивления породы при большом электрическом напряжении, когда происходит разряд через диэлектрик. Пробой может быть электротепловой, электрический и электрохимический. Электротепловой пробой это результат прохождения тока через диэлектрик при небольшом напряжении и нагревании породы. Повышение напряжения приводит к сильному разогреву со слабым отводом тепла, а далее наблюдается снижение сопротивления, повышение тока и новый разогрев с последующим ростом силы тока. В результате происходит электротепловой пробой с его отличительными чертами: необходимостью нагрева, длительностью процесса и зависимостью пробивного напряжения от температуры.
Электрический пробой происходит тогда, когда в породе накапливаются свободные электроны с резким падением сопротивления. Электрический пробой происходит за счет ударной ионизации молекул. Совершается пробой мгновенно, так как здесь главной является напряженность электрического поля, т.е. для его реализации необходимо очень высокое напряжение, порядка 100 кВ.
Электрический пробой применяется для раскалывания негабаритов, отбойки от массива и др. Уменьшение электрической прочности породы наблюдается с увеличением влажности, пористости и других параметров. Энергоемкость разрушения составляет 1,2/1,9 МДж/м3, что соответствует взрывному дроблению с удельным расходом 2,4 МДЖ/м3 и соответствует энергоемкости бурения 0,6 кВт*ч/м, т.е. такие породы относятся к VI категории крепости по ЦБПНТ или коэффициенту крепости, равному 4-6.
Разрушение пород пробоем по жидкости основано на возникновении в ней мощной ударной волны под влиянием электрического разряда, а в нем самом образуется кавитационная полость, которая, захлопываясь, поддерживает ударную волну.
Электротермические методы разрушения пробоем осуществляются под воздействием электромагнитных полей низкой и высокой частоты от 1 до 300 МГц. Низкочастотное воздействие под влиянием высокой начальной проводимости породы приводит к ее разогреву и образованию в породе канала пробоя.
Повышение частоты электромагнитного поля приводит к повышению электропроводимости и быстрому ее разогреву. Технически это выполняется приложением к породе электродов, к которым подводится электромагнитная энергия. Разрушение обеспечивается за счет прогрева и последующего пробоя. Отличается от теплового пробоя тем, что под действием теплового потока на поверхности породы происходит шелушение. В результате воздействия электромагнитного поля порода прогревается на значительную глубину, величина которой зависит от частоты поля и электрических свойств породы. Энергоемкость процесса снижается вследствие разрушения за счет растягивающих напряжений.
Электротермические методы разрушения имеют ряд преимуществ, по сравнению с прочими. Почти полное отсутствие зависимости производительности разрушения от прочности породы. Например, на разрушение 1 т роговиков с σсж = 200 МПа, требовалось 40 МДж энергии, а для песчаника с σсж=100 МПа - уже 100 МДж.
При нагреве породы по каналу (оси) радиус разогретого объема R со временем увеличивается в соответствии с уравнением:

где r0 - радиус исходного нагретого объема (или радиус канала); λ - коэффициент теплопроводности (Вт/мк); t - время воздействия; с - удельная теплоемкость (Дж/кгК); ρ - плотность породы.
Мощность, необходимая для электротермического разрушения объема V:

где Kпл - коэффициент пластичности;
α - коэффициент линейного расширения;
σp — растягивающее напряжение, выражающееся как:

где Eпр - приведенный модуль Юнга, который равен:

где Eh и E0 — модули нагретого и ненагретого тела; S - относительная площадь канала нагрева.
Удельная энергоемкость разрушения выражается как:

где а - температуропроводность породы, равная:

Передвижная установка мощностью 150 кВт способна за 1 час разрушить 25-40 м3 негабарита.
Сочетание электротермического и механического способов позволило создать машины для электротеромомеханического разрушения. Здесь электромагнитное поле подготавливает породу к разрушению, а окончательное разрушение происходит под воздействием механических нагрузок.
Для разрушения скальных и крепких пород эффективен способ разрушения путем предварительного инфракрасного нагрева. Ослабление пластичных пород позволяет затем применять механическое разрушение путем резания, а для хрупких пород -ударным механизмом.
Излучения в горную породу электромагнитных волн различной частоты способны разгонять свободные электроны до значительных скоростей и тем самым разогревать породу. Излучение протекает в породу до глубины h, пропорциональную диэлектрической и магнитной проницаемости и поглощается в ее объеме, за счет чего она прогревается с появлением термических напряжений.
Практическое применение нашли лишь немногие из названных способов разрушения вследствие сложности конструкций механизмов.
Термомеханическое разрушение при бурении реализовано на станках СБИЮ-250, СБШ-250К, где тепловой поток создается газовой или плазменной горелками, а механическое разрушение осуществляется шарошками. В породах крепостью 15-16 скорость бурения возрастает в сравнении с термическим бурением на 30% и составляет 32 м/час, а при чисто механическом - она не превышает 22-24 м/час.

---