Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методика эксперимента, измерений, аппаратура 17
1.1 Источники высокого напряжения 17
1.2 Испытательные стенды 22
1.3 Образцы горных пород 23
1.4 Контроль сопротивления воды и электродных систем 24
1.5 Устройства, схемы и методика измерений 24
1.6 Методика определения параметров импульса напряжения 28
1.7 Методика получения вольтсекундных характеристик 30
1.8 Методика проведения экспериментов 32
1.9 Методика обработки результатов . 32
1.10 Ошибка эксперимента 33
ГЛАВА 2 Исследование пробоя гранита и бетона на спаде импульса напряжения
2.1 Исследование вольтсекундных характеристик пробоя гранита и бетона в воде на спаде импульса напряжения
2.2 Исследования зависимости пробивного напряжения от параметров воздействующего импульса
2.3 Гипотеза о развитии разряда на границе раздела твердое тело-жидкость
ГЛАВА 3 Исследование разрушения гранита и бетона в воде на спаде импульса напряжения .
3.1 Анализ литературных данных по разрушению горных пород при пробое на ФИН и на ПИНФ 66
3.2 Исследование вероятности внедрения разряда и энергоемкости разрушения гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжени 72
ГЛАВА 4 Исследование, разработка и испытание устройств для электроимпульсного разрушения в воде гранита и бетона . 82
4.1 Разрушение гранита в воде при использовании шпуров 84
4.2 Выработка рекомендаций к конструированию электродных систем породоразрушающих инструментов для работы в воде
4.3 Выработка рекомендаций к конструированию изоляции электродов породоразрушающих устройств для работы в воде 100
4.4 Конструирование и испытание электродных систем для разрушения гранита и бетона в воде
Заключение 111
Список использованных источников 115
Приложение 125
- Методика получения вольтсекундных характеристик
- Исследования зависимости пробивного напряжения от параметров воздействующего импульса
- Исследование вероятности внедрения разряда и энергоемкости разрушения гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжени
- Выработка рекомендаций к конструированию изоляции электродов породоразрушающих устройств для работы в воде
Введение к работе
Основной и наиболее трудоемкой операцией при добыче и переработке полезных ископаемых является разрушение горных пород. В настоящее время существует более 40 способов разрушения горных пород. Классификация и достаточно подробные обзоры этих способов приведены в работах [1-6]. Анализируя эти работы, можно отметить, что в настоящее время практически невозможно создание универсального способа, обладающего способностью разрушать горные породы различной крепости с одинаковой достаточно высокой эффективностью. Неизбежным недостатком наиболее распространенных механических способов разрушения, как следствие применения интенсивного давления на породу, являются высокие удельные энергозатраты, малая стойкость и высокий износ разрушающего инструмента. Другой особенностью механических способов разрушения материалов является ярко выраженная зависимость показателей разрушения от крепости породы, и особенно резкое снижение эффективности разрушения по скальным породам и мерзлым грунтам. Определяя основные требования к новым перспективным методам разрушения материалов, главными можно назвать следующие:
- бездолотное разрушение горных пород, устраняющее ограничения, накладываемые стойкостью породоразрушающего инструмента, и исключающее потери энергии на трение;
- импульсное разрушение горной породы, устраняющее значительный расход энергии на пластическую деформацию, позволяющее концентрировать большие мощности при невысоких исходных количествах энергии и уменьшать объемную работу разрушения;
- отсутствие диспергирования породы во всех видах технического разрушения, кроме измельчения, т.е. обеспечение дискретного регулируемого разрушения, устраняющего затраты энергии на излишнее обнажение поверхности в продухах разрушения; - нагружение горной породы с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, а не сжатия, т.к. прочность на разрыв и сдвиг у горных пород существенно (в 10-15 раз) ниже прочности на сжатие;
- отсутствие промежуточных преобразований энергии, связанных со значительными ее потерями;
- хорошая управляемость характером и направленностью разрушения.
Общепризнанно, что электрическая энергия является на сегодня одним из самых экономичных и универсальных видов энергии для технических применений. Поэтому к наиболее перспективным способам разрушения горных пород в настоящее время относятся электрофизические [1,2,5-9], так как они позволяют без промежуточной трансформации преобразовывать запасенную электромагнитную энергию непосредственно в работу разрушения.
Ряду сформулированных выше требований к эффективному способу разрушения твердых тел отвечает электрогидравлическое разрушение (ЭГР) [10-13]. Воздействие на твердое тело осуществляется через промежуточную жидкую среду, в которой при электрическом пробое или электрическом взрыве проволочки формируются волны сжатия. Однако заметного повышения эффективности разрушения не получено, вследствие значительных энергетических затрат (разрушение происходит за счет волн сжатия) и неудовлетворительных массогабаритных параметров установок ЭГР не нашло сколько-нибудь широкого применения в горном деле, за исключением раскола негабаритов [10,11] и отдельных специфических случаев, когда решающим фактором являются технологические особенности дробления: чистота продукта дробления, регулируемость грансостава и пр. Критериям эффективного разрушения отвечают электротермические способы, в основе которых лежит разрушение материала под действием термонапряжений, возникающих при формировании перегретого участка внутри его объема [1,2,5,9]. Нагрев материала может осуществятся ВЧ и СВЧ электромагнитным полем , токами промышленной и высокой частоты, в том числе при дуговом разряде в твердом теле. Но подобные методы имеют высокие удельные энергозатраты и могут разрушать породы, имеющие высокую электропроводность [1,2].
Методика получения вольтсекундных характеристик
Исследовать пробивные напряжения гранита и бетона в воде от времени воздействия напряжения, параметров воздействующего импульса, расстояния между электродами при пробое на спаде импульса с целью выбора параметров импульса, обеспечивающих максимальную вероятность внедрения разряда в разрушаемый материал и минимальные пробивные напряжения.
Исследовать характеристики разрушения гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжения при дециметровых межэлектродных расстояниях для определения режимов, обеспечивающих эффективное разрушение.
Разработать и испытать различные конструкции устройств для ЭИ разрушения горных пород в воде при дециметровых межэлектродных расстояниях, создать опытно демонстрационную установку.
При исследовании вольтсекундных характеристик (ВСХ) гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжения для межэлектродных расстояниях 20-И 50 мм и установлено: -вероятность внедрения разряда в гранит и бетон при пробое на СИН по сравнению с пробоем на фронте импульса увеличивается вследствие изменения характера развития разряда по границе раздела «жидкость- твердое тело»; -пробивное напряжение гранита при пробое на спаде импульса ниже на 40- 60% по сравнению с пробоем на фронте импульса и плоской части прямоугольного импульса вследствие изменения характера развития разряда; -пробивное напряжение гранита возрастает при увеличении длительности фронта импульса и уменьшения длительности импульса. -Реализовано разрушение гранита и бетона в воде при пробое межэлектродных расстояний до 300 мм и проведена оценка его эффективности. -Предложены рекомендации по конструированию породоразрушающих устройств, разработаны устройства электродных систем и подтверждена их работоспособность для разрушения в воде гранита и бетона при дециметровых межэлектродных расстояниях. Автор защищает: - Преимущества способа ЭИ разрушения гранита и бетона при пробое в воде не на фронте импульса, а на его спаде, что приводит к снижению пробивного напряжения и возрастанию вероятности внедрения разряда. - Результаты исследований характеристик ЭИ пробоя и разрушения гранита и бетона в воде при межэлектродных расстояниях до 300 мм. - Перспективность использования рассматриваемого способа пробоя и увеличения эффективности разрушения горных пород в воде. - Техническую реализацию устройств для ЭИ разрушения гранита и бетона в воде. Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована необходимым объемом экспериментальных данных, обеспечивающих статистический анализ результатов, использованием современных методик измерений и соответствующей аппаратуры, а также экспериментальным подтверждением эффективности разрушения гранита и бетона в воде при дециметровых межэлектродных расстояниях на опытно- демонстрационных устройствах. Практическая ценность и реализация работы: 1. Установленное снижение пробивных напряжений гранита и бетона в воде на спаде импульса, по сравнению с пробоем на фронте импульса, позволяет конструировать технологические ЭИ установки с более низкими требованиями к параметрам разрушающего импульса (амплитуда и крутизна фронта импульса, время до пробоя), а, следовательно, к установке в целом. 2. В рамках контакта с фирмой Komatsu в лабораторных условиях реализовано разрушение гранита и бетона в воде при межэлектродных расстояниях 100-ь 300 мм. 3. На основании полученных результатов разработаны и созданы опытные устройства для разрушения горных пород и бетона в воде: буровой наконечник для бурения скважин диаметром 300 мм; электродные системы для снятия поверхностных слоев бетона с дециметровыми межэлектродными расстояниями. 4. Результаты исследований могут быть использованы при разработке промышленных устройств для ЭИ разрушения горных пород в воде. Апробация работы: Основные положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на И и 12 IEEE International Pulsed Power Conferences (Балтимор 1997, Монтерей 1999 г., США), первой, второй, третьей и четвертой Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых им. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 1997,1998,1999,2000 г.), четвертой и пятой областных научно- технических конференциях молодежи и студентов «Современные техника и технологии» (Томск, 1998,1999 г.), Международном семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 1999 г.), пятом Всероссийском научно- техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность , безопасность» (Томск, 1999 г.), шестой Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2000 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы» (Улан- Удэ, 2000 г.), на научно- практической конференции по горным ударам (Таштагол, 2000 г.), на юбилейной научно- практической конференции «Проблемы и пути эффективного освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири и Дальнего Востока» (Томск, 2000). Объем и структура работы: Диссертационная работа изложена на 124 страницах основного текста, содержит 58 рисунков, 11 таблиц; состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографии, включающей 139 источников, 4 приложений на 18 страницах. Общий объем диссертации 142 страницы. Во введении обоснована актуальность тематики исследований, выполнен анализ основных проблем исследований и определена цель работы, сформулирована научная новизна результатов, отражена их практическая ценность, дана общая характеристика работы. Первая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований, объектов исследований и использованию методов математической статистики для обработки экспериментов. Во второй главе изложены результаты исследований по пробою гранита и бетона в воде на спаде импульса напряжения. Третья глава посвящена исследованию пробоя и разрушения гранита и бетона в воде при межэлектродных расстояниях до 300 мм. Данные исследования проводились для оценки эффективности разрушения гранита и бетона в воде при пробое на СИН. В четвертой главе проведены исследования эффективности режимов разрушения гранита и бетона при некоторых технологических операциях: отбойка от массива породы, разрушение поверхностных слоев бетонных изделий, предложены рекомендации к конструированию электродных систем для работы в воде, разработаны и испытаны устройства для разрушения гранита и бетона. В заключении изложены основные результаты и сделаны выводы по работе. По материалам исследований опубликовано 24 работы [56,62-64,69-88]. Настоящая работа выполнена на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений Томского политехнического университета.
Исследования зависимости пробивного напряжения от параметров воздействующего импульса
Проблема разрушения горных пород, являющаяся одной из важнейших при разведке и добыче полезных ископаемых, может быть решена только при условии комплексного изучения механических и электрофизических свойств горных пород.
Исследования свойств горных пород выполнены, в основном, применительно к используемым в практике и наиболее изученным методам разрушения-механическим и взрывным. Поэтому полнее всего изучены механические свойства горных пород (напряжения сжатия, растяжения, сдвига; модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, пористость и др.). В то же время электрофизические свойства горных пород исследованы недостаточно, хотя расширение сведений в этой области позволяет применять для разрушения горных пород новые физические методы.
С точки зрения нового электроимпульсного (ЭИ) способа разрушения горных пород и искусственных материалов одной из важнейших электрофизических характеристик является их электрическая прочность. В данное время необходимые для ЭИ разрушения горных пород характеристики электрической прочности получены в основном экспериментальным путем. Возможность аналитического расчета импульсной электрической прочности горных пород весьма затруднена, поскольку даже для однородных кристаллических диэлектриков подобные расчеты не дают удовлетворительных результатов [47,105],
К настоящему времени определены основные зависимости пробоя горных пород как на фронте косоугольного импульса напряжения (ФИН) микросекундной длительности [16,45,46,51-53], так и на прямоугольном плоском импульсе с наносекундным фронтом (ПИНФ) [19,54] в диапазоне времен 10 8-10 5 с. Исследованы вольтсекундные характеристики горных пород различного генезиса; определены зависимости пробивных напряжений горных пород от толшины, температуры, давления как в изоляционных жидкостях так и в воде. Анализ результатов ранее проведенных исследований показывает, что для пробоя (внедрения разряда) горных пород, помещенных в жидкость, требуется выполнение достаточно жестких условий, предъявляемых к параметрам импульса напряжения: крутизна, длительность фронта импульса, время до пробоя и т.д. Кроме этого повышение эффективности разрушения ЭИ способом связано, в первую очередь, с увеличением межэлектродного расстояния [46,53,106]. Однако увеличение межэлектродного расстояния, в свою очередь, вызывает повышение пробивных напряжений горной породы. Поэтому, актуальной задачей для ЭИ технологии является отыскание путей, позволяющих упростить как требования к параметрам источника импульсного напряжения, так и снизить пробивные напряжения горных пород.
В связи с разработкой ЭИ способа разрушения горных пород и конструирования необходимого технологического оборудования приобретает особое значение изучение электрической прочности горных пород при различных параметрах импульса напряжения. При этом одной из важнейших характеристик горной породы является зависимость ее электрической прочности от времени приложения напряжения - вольтсекундная характеристика (ВСХ). Сопоставление ВСХ горных пород и жидкостей позволяет судить о возможности ЭИ разрушения.
В работах посвященных исследованию этого вопроса электрическая прочность горной породы определялась как при пробое на фронте косоугольного импульса напряжения (ФИН) в диапазоне времен 10"7 10 5с [16,45,46,51-53], так и при пробое на ПИНФ в диапазоне времен 10"8+10 7 с [19,41].
Исследуя электрическую прочность кварцита и фельзит- порфира в резко-неоднородном поле «стержень- плоскость» при пробое на ФИН, автор [45] показал, что с уменьшением времени воздействия напряжения с 210 6 до 210 7 с пробивные напряжения возрастают в 1,2+1,3 раза (рис.2.1, кривые 1,2). При это отмечено, что электрическая прочность горных пород в случае воздействия импульсов отрицательной полярности на 7+10% выше, чем при воздействии на горную породу импульсов положительной полярности.
В [51] показано, что пробивные напряжения для самой прочной и слабой из испытанных горных пород различаются в 2+2,5 раза во всем диапазоне времен от 0,2 10"6 до 10 5 с (рис.2.1, кривые-3,4). При исследовании влияния толщины образцов на электрическую прочность отмечено, что с увеличением толщины образца в 6 раз (от 10 до 60 мм) пробивные напряжения растут нелинейно (рис.2.2), причем для пористых и механически менее прочных пород пробивное напряжение в меньшей степени зависит от величины межэлектродного расстояния (рис.2.2, кривая 3). Аналитически зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами описывается как: где к- коэффициент, зависящий от условий пробоя и вида горной породы; т- показатель степени, (т=0,5ч-0,7 при S =10 -60 мм [20,52], т 0,5 при S 100 мм [47,57,106]),
Изучая электрическую прочность широкого диапазона горных пород, автор [52] отметил, что вследствие неоднородностей внутреннего строения и состава пород импульсные пробивные напряжения убывают от слабокристалли-зованных, мелкозернистых магматических и метаморфических пород к слабо-цементированным осадочным (рис.2.3). В этой работе показано, что между коэффициентом крепости по М.М. Протодъя конову, прочностью горных пород на разрыв, плотностью пород, скоростью распространения продольных волн и акустической жесткостью горных пород и их импульсными пробивными напряжениями существует тесная корреляционная зависимость. С ростом указанных показателей физических свойств горных пород их импульсные пробивные напряжения, как правило, увеличиваются.
Однако большинство исследований по пробою горных пород проводились в электродной системе «острие- плоскость». Это обеспечивало наибольшую неоднородность электрического поля в промежутке и наименьшие пробивные напряжения. При ЭИ разрушении (бурение, резание) электроды устанавливаются на одну поверхность горной породы. Поэтому результаты исследований, полученные в системе электродов «острие- плоскость», некорректно переносить для горных пород при ЭИ разрушении. По ним можно лишь судить об общих закономерностях пробоя горных пород. Установлено, что на пробивное напряжение горных пород существенно влияет расположение и конфигурация электродной системы: в случае пробоя горной породы в системе электродов «стержень-стержень», установленных на поверхность образца пробивное напряжение увеличивается на 10-25% в зависимости от типа горной породы [19,52] по сравнению с системой электродов «стержень- стержень» установленных на противоположных поверхностях образца, т.е. при сквозном пробое. Исследования по пробою горных пород проводились, в основном, для межэлектродных расстояний не превышающих 30-50 мм. Имеются отдельные данные по пробою горных пород в диэлектрических жидкостях с применением дециметровых разрядных промежутков вплоть до 800 мм [57,106]. Так в работе [106] показано, что с увеличением межэлектродного расстояния от 100 до 800 мм пробивное напряжение возросло в 2,2 раза, а при увеличении межэлектродного промежутка от 600 до 800 мм пробивное напряжение увеличилось только на 10%. По этим работам можно судить только об общих закономерностях пробоя горных пород в дециметровых промежутках, где имеет место более высокая эффективность разрушения.
Исследование вероятности внедрения разряда и энергоемкости разрушения гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжени
Однако большинство исследований по пробою горных пород проводились в электродной системе «острие- плоскость». Это обеспечивало наибольшую неоднородность электрического поля в промежутке и наименьшие пробивные напряжения. При ЭИ разрушении (бурение, резание) электроды устанавливаются на одну поверхность горной породы. Поэтому результаты исследований, полученные в системе электродов «острие- плоскость», некорректно переносить для горных пород при ЭИ разрушении. По ним можно лишь судить об общих закономерностях пробоя горных пород. Установлено, что на пробивное напряжение горных пород существенно влияет расположение и конфигурация электродной системы: в случае пробоя горной породы в системе электродов «стержень-стержень», установленных на поверхность образца пробивное напряжение увеличивается на 10-25% в зависимости от типа горной породы [19,52] по сравнению с системой электродов «стержень- стержень» установленных на противоположных поверхностях образца, т.е. при сквозном пробое. Исследования по пробою горных пород проводились, в основном, для межэлектродных расстояний не превышающих 30-50 мм. Имеются отдельные данные по пробою горных пород в диэлектрических жидкостях с применением дециметровых разрядных промежутков вплоть до 800 мм [57,106]. Так в работе [106] показано, что с увеличением межэлектродного расстояния от 100 до 800 мм пробивное напряжение возросло в 2,2 раза, а при увеличении межэлектродного промежутка от 600 до 800 мм пробивное напряжение увеличилось только на 10%. По этим работам можно судить только об общих закономерностях пробоя горных пород в дециметровых промежутках, где имеет место более высокая эффективность разрушения.
Как отмечалось многими исследователями [19,20,33,47,51,53], техническая вода является наиболее перспективной жидкостью для технологии ЭИ разрушения. Это дешевая и экологически безопасная жидкость. Как было ранее установлено эффективность ЭИ разрушения в воде не хуже, чем в жидкостях на нефтяной основе, и пробивные напряжения горных пород не зависят от вида окружающей жидкости [46,52]. Однако при пробое горных пород в воде на ФИН требуются крутизны импульса напряжения на порядок большие (А= 2000+3000 кВ/мкс), чем в диэлектрических жидкостях (А=100+500 кВ/мкс), что приводит к возрастанию требуемой амплитуды импульса напряжения [47,66,99]. Кроме этого, вследствие потерь энергии и снижения амплитуды импульса напряжения из- за возникающих токов растекания в воде требуется значительное увеличение напряжения на выходе ГИН, что нежелательно при практическом использовании ЭИ способа разрушения [33]. Чтобы уменьшить время до пробоя и увеличить крутизну импульса напряжения были проведены исследования по пробою горных пород на ПИНФ [19,54]. Исследованиями, проведенными в [19] показано, что при времени приложения напряжения менее чем 10 7 с, наблюдается резкое увеличение электрической прочности горных пород. Также показано, что при одном времени до пробоя пробивное напряжение горных пород на ПИНФ снижается на 15-30% по сравнению с пробоем на ФИН. Снижение пробивного напряжения автором [19] объясняется различным характером развития разряда при пробое на ПИНФ и ФИН. Схематически процесс формирования разряда в диэлектрике при пробое на ПИНФ и ФИН показан на рис.2.4 (кривые 1,2).
Полное время формирования разряда tlip от приложения к диэлектрику высокого напряжения до его пробоя складываются из трех величин время зажигания разряда, т.е. время, в течении которого напряженность в диэлектрике около электрода достигает величины, при которой зажигается разряд изаж [32]. Следовательно, разряд в твердом диэлектрике до момента W произойти не может; статистическое время запаздывания, которое зависит от появления эффективного электрона, способного, по аналогии с пробоем газа, образовать лавину. В твердых диэлектриках всегда имеется в наличие достаточное количество свободных электронов, появление которых обусловлено поглощением излучений, тепловым возбуждением, несовершенством диэлектрика [107,108]. Поэтому считают [15], что статистическое время запаздывания при электрическом пробое твердых диэлектриков практически отсутствует вплоть до 10 с, поэтому в наших условиях tc пренебрежительно мало; время формирования разряда, в течении которого под действием электронно- ионных процессов в диэлектрике формируется канал большой проводимости, диэлектрик теряет электрическую прочность [ 109,110].
В случае пробоя на ФИН напряжение зажигания разряда и заж достигается за время t 3a;K и далее на стадии формирования разряда продолжает нарастать в течении времени 1 ф до момента образования канала пробоя. Поэтому, в условиях увеличивающегося перенапряжения напряжение пробоя U np значительно (в 2-5-2,5 раза) превышает U заж [47]. В случае использования ПИНФ напряжение зажигания разряда 1Гзаж достигается в горной породе за время 1:п)аж«1; заж и затем при формировании разряда в течении времени tll,j, остается постоянным вплоть до момента пробоя t"np [19]. Очевидно, что при использовании ПИНФ пробой горной породы может произойти при напряжении и"Пр равном или близком по величине напряжению зажигания разряда ипзаж тогда как при пробое на ФИН за счет времени формирования разряда 1фф пробивное напряжение ифПр увеличивается по сравнению с напряжением зажигания разряда ифзаж- Однако, как показано в [111], напряжение зажигания разряда в твердом теле изаж практически линейно возрастает с увеличением крутизны фронта импульса напряжения. Поэтому, при пробое на ПИНФ, имеющим крутизну фронта импульса практически на два порядка большую, чем на ФИН напряжение зажигания разряда значительно возрастает ипзаж и аж- Тем не менее, это приводит к снижению пробивного напряжения на ПИНФ на 15-30% по сравнению с пробоем на ФИН, что было обнаружено в [19].
На основании проведенного анализа нами было предложено осуществлять пробой горной породы на спаде импульса напряжения- СИН (рис.2.4, кривая 3). В этом случае, пробой происходит за счет увеличения времени формирования разряда, что достигается путем снижения амплитуды импульса. Характер развития разряда остается как на ПИНФ, но не требуется чрезмерная (наносекунд-ная) скорость нарастания фронта импульса. Что, согласно [111], приводит к снижению напряжения зажигания разряда ипзаж исзаж Так как время формирования разряда по сравнению с пробоем на ФИН увеличивается іСф t , следует ожидать снижения пробивного напряжения горной породы, исходя из характера изменения ВСХ (рис.1, 2.1).
Выработка рекомендаций к конструированию изоляции электродов породоразрушающих устройств для работы в воде
Проблема разрушения горных пород в воде является актуальной для дальнейшего развития и совершенствования ЭИ технологии. Одним из путей повышения эффективности разрушения горных пород может явиться использование пробоя горных пород на СИН, при этом значительно снижается уровень пробивных напряжений горных пород.
При воздействии импульса напряжения разрушение горной породы определяется двумя стадиями пробоя: предпробивной и завершающей. Первая стадия характеризуется малой величиной тока, протекающего через промежуток (І 10 3 А [116]), и, естественно, при этом в горной породе выделяется ничтожно малое количество энергии W, которое составляет доли процента от полной энергии импульса (W 0,01%W„ [46]). В этой стадии в горной породе под действием приложенного напряжения образуется то ко про водящий канал. В случае ЭИ разрушения твердых диэлектриков, имеющих одну свободную поверхность, используются наложенные электроды. В этих условиях электрический разряд может произойти либо по поверхности раздела сред, либо часть межэлектродного промежутка может перемыкаться поверхностным разрядом, а часть завершаться пробоем внутри твердого диэлектрика, либо разряд может завершится в толще твердого диэлектрика (горной породы) (рис.3.1). Вероятность того, по какому из отмеченных возможных путей осуществится разряд, в какой точке межэлектродного промежутка разряд начнет распространяться в твердой среде и геометрия канала пробоя являются функциями многих факторов. Основные из них следующие: 1. закон изменения и величина электрического поля в промежутке, определяемые параметрами волны напряжения -форма, длительность фронта импульса, его амплитуда, полярность [15,19,49,102]; 2. величина диэлектрических проницаемостей твердой и жидкой сред и их зависимость от характера изменения электрического поля [16,49]; 3. уровень емкостных токов, протекающих по поверхности твердого диэлектрика и зависящих от параметров волны напряжения и состояния поверхности раздела сред [112,117]; 4. пробивные напряжения твердого и жидкого диэлектриков и напряжение перекрытия по границе их раздела [16,19,48]; влияние сильного электрического поля на структуру и механические свойства твердого диэлектрика [15,118]; 5. стохастический характер зажигания и развития разряда, как в жидкости, так и в твердом теле [48,108,116,119,119]. Указанные факторы могут существенно определять величину пробивного напряжения, вероятность и глубину внедрения разряда в горную породу. Таким образом в предпробивной стадии определяется одно из основных условий повышения эффективности разрушения - вероятность Р и глубина внедрения разряда hp в горную породу. Используя необходимые параметры импульса напряжения, при определенном межэлектродном расстоянии можно добиться 100% вероятности внедрения разряда в горную породу [47,120]. Завершающая стадия разряда- канальная стадия, характеризуется резким спадом электрического сопротивления горной породы и значительным возрастанием тока, протекающего в канале пробоя. Форма кривой тока и его амплитуда определяются параметрами разрядного контура. В этой стадии в канале пробоя выделяется значительная энергия, которая идет на образование волн механических напряжений в горной породе, действием которых и определяется эффективность разрушения. В связи в вышеизложенным представляло научный и практический интерес сделать анализ имеющихся работ по разрушению горных пород в воде и провести необходимые исследования разрушения горных пород на СИН в воде. В настоящей главе поставлены и решены следующие задачи: 1. Исследована зависимость вероятности внедрения разряда Р в гранит и бетон от времени приложения напряжения и межэлектродного расстояния; 2. Определена эффективность разрушения гранита и бетона от числа поданных импульсов и межэлектродного расстояния; 3. Впервые проведено разрушение гранита и бетона в воде при использовании дециметровых промежутков для наложенных электродов. Производительность ЭИ разрушения определяется величиной усредненного объема разрушения, производимого одним импульсом- V. Величина единичного объема разрушения зависит от целого ряда фактов, из которых основными являются следующие: расстояние между электродами S, глубина внедрения разряда hp, вероятность внедрения разряда в твердое тело Р, энергия воздействующего импульса W„ и время ее выделения Ти [47,121].
Изучению эффективности разрушения горных пород на ФИН посвящены работы [16,20,34,46,48,53,122], в которых рассмотрены вопросы как формирования разряда в толще горной породы (предпробивная стадия), так и вопросы изменения эффективности ее разрушения при изменении параметров импульса напряжения, времени выделения энергии в завершающей (канальной) стадии разряда. Исследования предпробивной стадии развития разряда при пробое на ФИН, проведенные в работах [16,48,120] показали, что вероятность внедрения разряда в твердые диэлектрики Р увеличивается с ростом крутизны фронта импульса напряжения, достигая максимума, и затем вновь наблюдается ее снижение. Такая зависимость характерна как для твердых диэлектриков (огрстекло, фторопласт- 4) [16,48], так и для горных пород [120]. Причем вероятность внедрения разряда в горные породы при одинаковых условиях существенно выше, чем в твердые диэлектрики, что объясняется [16,120] неоднородностью структуры горных пород по сравнению с однородными электроизоляционными материалами. Основной причиной, определяющей вероятность внедрения разряда в твердый диэлектрик, по мнению авторов [16,48,76], является увеличение разности напряжений пробоя твердого диэлектрика и его перекрытия по поверхности с увеличением крутизны фронта импульса напряжения. Вместе с тем имеются данные [20] показывающие, что увеличение крутизны импульса напряжения и расстояния между электродами приводит к повышению вероятности внедрения разряда в горную породу, как в воде так и в диэлектрических жидкостях, которая может достигать 100%. В работах [53,65], при пробое на ФИН в воде (рв=3 103 Ом см), приведены значения критической экспозиции напряжения tKp при S=25 мм для некоторых горных пород (гранит, железистый кварцит, песчаник - 0,05; 0,2; 0,3 мкс соответственно), при которых вероятность внедрения разряда составляет 100% и сохраняется при уменьшении времени воздействия. Автор [53] также отмечает, что увеличение межэлектродного расстояния приводит к снижению вероятности внедрения разряда в горные породы в воде (увеличение S с 15 до 60 мм приводит к снижению вероятности внедрения разряда в гранит с 94% до 40% при времени до пробоя tnp= 0,1 мкс), что объясняется автором влиянием двух факторов: 1) снижением отношения пробивного напряжения воды к напряжению пробоя горной пород; 2) возрастанием емкостных токов по поверхности породы.
