7.2 Разрушение породы тепловым пробоем
Тепловым пробоем называют процесс перехода диэлектрика или полупроводника в проводник, т.е. потерю изоляционных свойств твердых тел. Если к куску породы размером D приложить напряжение U, то по породе пойдет ток. Положим, что ток идет по цилиндру радиуса r (рис. 7.2), в результате чего выделяется Джоулево тепло
При выделении и отводе тепла возможны два случая: 1) выделяющееся тепло рассеивается по всему куску породы и медленно нагревается; при таком положении рабочее тело в куске породы не образуется, поскольку кусок нагрет во всех точках практически до одной и той же температуры; 2) выделяющееся в области протекания тока тепло концентрируется в этой области, где повышается температура, что вызывает рост электропроводности, а это в свою очередь увеличивает выделение энергии и дальнейшее повышение температуры и так далее — этот процесс развивается, приводя к образованию в породе канала пробоя — проводника, по которому идет весь ток. Канал пробоя частично заполнен расплавом породы, имеет сопротивление на несколько порядков ниже сопротивления породы и является внутренним источником тепла в породе.
Рис. 7.2 Схема разрушения породы тепловым пробоем:
I — кусок породы; 2 — канал пробоя; 3 — энергетическая установка; 4 — рабочее тело; 5 — подводящие кабели породы.
Производительность разрушения растет с увеличением размеров кусков породы D; производительность разрушения уменьшается, если требуется получить куски малого размера d. Производительность также растет при увеличении мощности источника энергии и мощности, вводимой в породу. Для разрушения кусков породы применяют установки УРН-100 и УРН-400 (установка разрушения негабаритов: цифрой обозначена мощность силового трансформатора). Установки представляют собой полуавтомат, в котором напряжение, подаваемое на электроды, автоматически регулируется по величине тока так, что мощность, вводимая в канал пробоя, поддерживается на заданном уровне, обычно равной номинальной. В указанных установках напряжение изменяется ступенями, посредством переключения секций обмотки силового трансформатора. Максимальное напряжение на электродах в этих установках 3 и 6 кВ, минимальное — 0,7 кВ. Установки работают следующим образом: электроды устанавливают на кусок породы с противоположных сторон (расстояние между электродами не должно быть большим, поскольку при этом, время пробоя увеличивается), на электроды подается минимальное напряжение, которое автоматически увеличивается вплоть до пробоя. После пробоя напряжение автоматически снижается до величины, при которой в канал вводится номинальная мощность, обычно равная мощности силового трансформатора. Эти установки применяют для разрушения магнетитовых руд; сопротивление породы между электродами первоначально не должно превышать 20 кОм, в противном случае пробой протекает медленно или вообще невозможен.
Для расширения области применения теплового пробоя повышают рабочее напряжение. Радиус опасной зоны при наличии напряжения на электродах составляет 5 м. После подачи напряжения на электроды на контакте последних с породой возникает искрение, происходит оплавление породы. После полного пробоя вытекание расплава из канала пробоя увеличивается. По истечении времени tQ появляются начальные трещины, длина которых достигает 0,7 размера куска. Кусок породы можно считать окончательно разрушенным в том случае, когда трещины прорезают весь кусок, а размер образующихся частей не превышает заданного габарита d. Куски упругих пород при таком разрушении распадаются на части, а другие породы разрушаются окончательно, только при перемещении их ковшом экскаватора. Производительность установок УРН-100 и УРН-400 достигает соответственно 15 и 25 м3/ч.
Применение высокочастотного напряжения 448 и 880 кГц уменьшает время пробоя и разрушения, так как энергия в породе выделяется интенсивнее