7.3 Разрушение горных пород диэлектрическим нагревом

Диэлектрический нагрев осуществляется в высокочастотном электромагнитном поле за счет поглощения энергии электромагнитного поля свободными зарядами и вследствие высокочастотных колебаний связанных зарядов диэлектрика. Идеальная модель диэлектрического нагрева осуществляется при помещении диэлектрической породы в конденсатор, который подключен к генератору высокой частоты. С повышением частоты поля интенсивность нагревания увеличивается. Этот процесс использован в способе разрушения породы диэлектрическим нагревом. Для того чтобы сконцентрировать энергию в рабочем теле, применяют повышенную частоту электромагнитного поля, более 2 МГц и формируют неоднородное поле для создания высокой напряженности. Рабочее тело формируется вследствие поглощения электромагнитной энергии на возможно меньшем расстоянии. Частично при формировании рабочего тела участвует кондуктивная теплопередача: около зоны с высокой напряженностью поля создается высокий градиент температуры и тепло уходит из этой зоны в окружающую породу, увеличивая тем объем рабочего тела, при этом уменьшается концентрация энергии в рабочем теле, что уменьшает величину работы, получаемой от него. Используя электромагнитное поле высокой частоты и напряженности, рабочее тело нагревается по всему объему одновременно и кондуктивная теплопередача имеет малое значение.

Высокочастотная установка для разрушения породы диэлектрическим нагревом включает генераторный блок, блок питания, блок управления, содержащий контрольные приборы, реле и средства управления работой генератора и всей установки, блок согласования, позволяющий изменять полное сопротивление генератора в соответствии с полным сопротивлением нагрузки (рис. 7.3). Установка генерирует электромагнитное поле частотой 5,28; 13,56; 27,12 МГц, разрешенных для промышленного применения. Данные частоты достаточны для формирования рабочего тела в таких диэлектрических породах, как гранит, известняк, сиенит, гнейс и т.п. Высокочастотная установка монтируется на автомобиле и питается от сети карьера напряжением 0,4 кВ. Охлаждение генератора осуществляется автономно.

Рис. 7.3 Схема разрушения породы диэлектрическим нагревом:

1 — кусок породы; 2 — рабочее тело; 3 — электрод; 4 — высокочастотный кабель; 5 — блок согласования; 6 — генератор ВЧ; 7 — блок питания; 8 — блок управления; 9 — высокочастотная установка

Установлено, что минимальная напряженность поля, необходимая для успешного формирования рабочего тела, должна быть не менее 1 х 10⁴ В/м, поэтому подвод энергии с высокой интенсивностью может осуществить одиночный электрод, под которым, в точке соприкосновения с породой, создается высокая напряженность поля. Этот электрод подключают при помощи высокочастотного кабеля к высокопотенциальному выводу установки. Второй вывод установки заземляют. Если точечный (одиночный) электрод устанавливают на поверхность породы, то под электродом возникает электрическое поле высокой напряженности. Вследствие этого происходит ионизация воздуха и поляризация поверхности породы. Это приводит к образованию на поверхности скользящего поверхностного разряда, который значительное количество энергии (не менее 50%) излучает в воздух, а энергия, введенная в породу, рассеивается по большому объему. При этом существенно снижается эффективность разрушения породы.

Для устранения влияния скользящего разряда применяют различные методы, из которых самый простой и эффективный — помещать электрод в шпур, пробуренный в породе на глубину 3-5 см. Диаметр шпура может быть небольшим (15-20 мм), поэтому скорость бурения получается высокой. Рабочее тело имеет форму полуэллипсоида, вытянутого к земле. Радиус рабочего тела составляет 10—15 см. Такое рабочее тело формируется за 10—15 мин. Технология разрушения диэлектрическим нагревом заключается в том, что в кусках породы, при дроблении негабаритов, бурят шпуры, располагая их так, чтобы они позволяли помещать рабочее тело ближе к центру массы куска породы. В шпур вставляют электрод и включают высокочастотное напряжение. Через 2—5 мин в породе возникают первоначальные трещины, которые растут, достигая границ куска через 5—15 мин, после чего высокочастотное напряжение от рабочего электрода отключают. Во время работы установки опасная зона имеет радиус 8—10 м, соответственно за этим радиусом располагают высокочастотную установку и людей. Во время образования рабочего тела и разрушения породы электрические свойства породы изменяются, что изменяет полное сопротивление нагрузки генератора в 2—5 раз за 7—20 мин. Поэтому используя блок согласования установки можно согласовывать полные сопротивления генератора и нагрузки, не допуская потерь энергии. Для увеличения производительности установки к ней подключают параллельно несколько электродов и разрушают несколько кусков породы, с одинаковыми параметрами, одновременно. Рациональные параметры высокочастотной установки: мощность 100—150 кВт, рабочее напряжение 15—18 кВ при указанной выше частоте. При разрушении негабаритов энергоемкость разрушения составляет 7-18 МДж/м³, производительность - от 25 до 50 м³/ч и определяется мощностью установки и свойствами разрушаемой породы. Высокочастотное разрушение диэлектриков не дает пробоя породы, поэтому отсутствует токовая перегрузка генератора.

Диэлектрический нагрев применяют также для отбойки блоков породы от массива: в этом случае на поверхности массива породы наносят линейные электроды посредством металлизации породы. На линейный электрод подают напряжение от высокочастотной установки — под электродом образуется рабочее тело продолговатой формы, в соответствии с длиной электрода, которое при расширении отбивает блок породы от массива. Отделение блоков от массива длинными электродами, нанесенными на поверхность породы, не сопровождается возникновением скользящего разряда по поверхности породы.

Применение высокочастотной установки экономически выгодно при большом объеме работы.