Введение к работе
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 и 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 (ЭМП) высочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.
Результаты ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований подтверждают возможности успешного применения энергии ЭМП СВЧ диапазона для ускорения процесса разупрочнения мерзлого массива в геологоразведке,' горном деле и в
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-промьжленную 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 мерзлым 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 з 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 460 МГц и определены
оптимальные энгергетические и технологические парметры,
рациональные режимы 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 "ЭВИК-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 конструкций 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 шестой (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", ., 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 302 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.