11.2 Использование электрических магнитных свойств горных пород для горного производства

Все способы разрушения пород с применением электрической энергии подразделяется на электротермические, обусловленные тепловым пробоем или нагревом породы электрическим током, и электрические, основанные на электрическом пробое горной породы.

К первой группе относится высокочастотный контактный метод разрушения плохо проводящих пород. Электроэнергия частотой до 300 МГц проводится к породе по контактирующим с ней электродам. В зависимости от формы электродов и их взаимного расположения в породе возникает электрическое поле определенной конфигурации. Таким образом, можно создать направленное электрическое поле или концентрировать его на определенных участках породы. В результате этого процесса порода разогревается и откалывается в виде чешуек или кусков. При этом методе разрушения горных пород основную роль играют электрические свойства породы и слагающих ее минералов.

Электрические методы основаны на электрическом пробое пород. Для разрушения пород электрическим пробоем используют импульсные напряжения. Величина этих напряжений зависит от электрической прочности разрушаемых пород и их размеров. Электрические пробой можно применять для раскалывания кусков породы, бурения и отбойки от массива. Однако для его осуществления требуются высокие напряжения, опасные для обслуживающего персонала.

Оттаивание пород осуществляется пропусканием электрического тока по разогреваемому участку на площади, подлежащей оттаиванию, бурят шпуры, в которые помещают электроды, так, чтобы их концы находились в такой породе. При подключении напряжения образуется замкнутая электрическая цепь в такой породе, так как электропроводность такой породы во много раз выше, чем мерзлой.

Слой, по которому протекает ток, нагревается и передает тепло вышележащему слою, который после оттаивания сам начинает проводить так. Постепенно процесс оттаивания достигает поверхности.

При упрочнении пород используют электрохимические закрепление и электроплавление.

Электрохимическое закрепление осуществляют путем пропускания постоянного электрического тока через влажные породы. В результате химических реакций калий и натрий замещаются водородом, алюминием или железом, и в породе образуются гидраты окиси металлов (например, боксит). При электроплавлении водоносные пески нагреваются пропусканием электрического тока до температуры 1700-1800⁰С, в результате чего песок расплавляется. Остывшая масса образует стекловидное вещество высокой прочности, водонепроницаемое и не разрушаемое.

Сущность электрических методов обогащения заключается в избирательном действии электрического поля на заряженные минеральные частицы. В электрическом сепараторе руда перемещается по электрическому полю. В зависимости от электрических свойств, крупности и формы минеральные частицы движутся по различным траекториям и могут быть разделены.

Для добычи серы применяют высокочастотный электромагнитный нагрев серных руд. Под воздействием электромагнитного поля массив нагревается за счет диэлектрических потерь независимо от его проницаемости, трещиноватости и теплопроводности. Скорость нагрева, таким образом, определяется только электрическими свойствами и теплоемкостью нагреваемого объема.

Для разведки месторождений полезных ископаемых широко применяются электромагнитные методы

Магнитный метод. Суть метода заключается в измерении величины напряженности магнитного поля. Напряженность магнитного поля в каждой точке поверхности Земли зависит от намагниченности находящихся под этой точкой геологических объектов. Этим методом можно исследовать породы, залегающие на глубине 10  20 м. По результатам этой съемки можно судить о геолого-петрографических особенностях массива, трещиноватости пород, разломах и т.д.

Электрические свойства пород используются в методах электроразведки. Наиболее распространены следующие.

Метод естественного электрического поля, который заключается в последовательном замере потенциалов точек, расположенных на одной прямой линии относительно одной центральной точки. Выявленные аномалии потенциала обычно указывают на наличие какого-то источника локальных токов (соляные или каменноугольные месторождения).

Если хорошо проводящая залежь вскрыта хотя бы одной скважинной или горной выработкой, то ее контуры можно определить методом заряженного тела. Один из полюсов источника тока подсоединяют к залежи, другой – заземляют на расстоянии, превышающем размеры залежи в 10  20 раз и более. В результате залежь заряжается и создает вокруг себя электрическое поле. Залежь оконтуривают эквипотенциальные линии. Это дает возможность, прослеживая их распределение на поверхности Земли, определить границы и конфигурацию изучаемого объекта.

Для шпурового метода определения трещиноватости массива вокруг горных выработок на кафедре горной геомеханики ДонНТУ был создан прибор радиоинтроскопии, состоящий из зонда, измерительного блока и досылочного устройства. Излучающая катушка зонда создает в породах вокруг шпура электромагнитное поле постоянной частоты 1МГц; величина тока в приемной катушке зонда зависит от относительной диэлектрической проницаемости среды вокруг зонда. Последнее обстоятельство и позволяет обнаруживать в массиве трещины (заполненные, как правило, воздухом) и устанавливать их параметры: величину раскрытия, их местоположение по длине шпура и их угол наклона к оси шпура.