7.4 Разрушение горных пород на сверхвысоких частотах

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) начинается с частоты 300 МГц (длина волны в зоздухе 1 м) и простирается до 3 • 10¹¹ Гц (длина волны 1 мм). Начиная с диапазона СВЧ энергия передается породе бесконтактно. При вводе электромагнитных волн в диэлектрические породы электромагнитная волна проходит на большое расстояние без значи­тельного затухания, поэтому рабочее тело имеет малую концентра­цию энергии и не может разрушать породу. Для диэлектрических пород требуется применить электромагнитные волны более высоких частот. В полупроводниковых породах электромагнитные волны СВЧ затухают.

Наиболее приемлемыми генераторами для разрушения горных пород являются магнетроны, излучающие электромагнитную волну длиной около 1 м в воздухе. Магнетроны характеризуются высоким к.п.д. (до 85 %) преобразования энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных волн. Принцип работы магнетрона основан на разгоне и торможении электронов в постоянном электрическом поле, причем для управления движением электронов применяется постоянное магнитное поле, направление которого перпендикулярно к вектору электрического поля. Для разрушения кусков породы в стоячей волне мощность генератора должны быть порядка 50 кВт, при этом энергоемкость разрушения равна 3—7 МДж/м³, а производительность установки — до 30 м³/ч. Для устранения утечек электромагнитного излучения в окружающее пространство разрушаемый кусок породы полностью экранируют на время его разрушения СВЧ излучением, например металлической сеткой. Для регулирования фракции кусков после каждого акта дробления стоячую волну в куске породы смещают, что позволяет смещать рабочие тела и получать более мелкое дробление. Смещение стоячей волны производят посредством перемещения генератора с излучателем или экранов относительно куска породы. Этот способ целесообразно применять для диэлектрических пород, типа гранита, известняка и т.п., поскольку в таких породах устанавливается симметричная стоячая волна и при нагревании таких пород в пучности стоячей волны увеличивается поглощение электромагнитной энергии, образуются рабочие тела с высокой концентрацией энергии, позволяющие получить высокую производительность и низкую энергоемкость разрушения породы.

7.4.1 Отбойка породы сверхвысокими частотами

Электромагнитные волны СВЧ позволяют формировать рабочее тело в массиве породы без выхода его на свободную поверхность (рис. 7.4). В этом состоит большое преимущество СВЧ, поскольку в других диапазонах электромагнитных волн такого формирования рабочего тела сделать не удается. Разработано несколько способов формирования рабочего тела в массиве породы на сверхвысоких частотах. Один из таких способов заключается в том, что в массиве породы излучение концентрируют в одной точке, отстоящей от поверхности массива на заданной глубине. Вблизи указанной точки напряженность электромагнитной волны резко возрастает. Это приводит к нагреванию породы и увеличению электропроводности ее от увеличения температуры, соответственно — к увеличению поглощения электромагнитной энергии в объеме, окружающем упомянутую точку; в результате такого процесса формируется рабочее тело в массиве породы, отстоящее от поверхности массива на заданном расстоянии. Поскольку на поверхности породы напряженность поля малая из-за рассредоточения излучения, то порода на поверхности практически не нагревается, не изменяются ее свойства и она мало поглощает электромагнитную энергию. Другой способ заключается в уменьшении электропроводности поверхностного слоя породы посредством охлаждения породы (рис. 7.5). Охлаждение производят, например, жидким азотом. Электромагнитная волна проходит охлажденный слой породы без потерь и затухает в неохлажденной породе, где и формируется рабочее тело, расширение которого разрушает часть массива породы, т.е. производит отбойку породы от массива.

Рис. 7.4 Схема отбойки породы сверхвы сокими частотами 1 — генератор СВЧ; 2 — излучатель; 3 — падающая волна; 4 — отраженная волна; 5 — рабочее тело; 6 — прошедшая волна; 7 — массив породы

Рис. 7.5. Характер кривых при формировании рабочего тела с применением охлаждения поверхности массива (Nt — энергия электромагнитной волны, Т — средняя температура рабоче го тела)

Сверхвысокая частотная установка включает генератор, излучатель, формирующий поток излучения в массиве породы, блок пита­ния, блок контроля и управления. Расстояние от излучателя до массива должно быть порядка 1—2 м исходя из того, чтобы отбитая порода свободно падала между поверхностью массива и излучателем, не мешая работе последнего. Излучатель располагают на расчетное расстояние от поверхности массива породы. Если забой имеет первоначально одну свободную поверхность, то в центре забоя отбивают объем V при одной свободной поверхности, а затем производит отбойку при двух свободных поверхностях, располагая рабочее тело на расстоянии Н от воронки, образованной после отбойки первого объема. В этом случае произ­водительность увеличивается примерно на 30%, а энергоемкость соответственно снижается. Целесообразно вести отбойку так, чтобы в массиве образовать три свободные поверхности, что позволит увеличить производительность почти в 2 раза. При отбойке сверхвысокими частотами положительную роль играет вода, заключенная в закрытых порах и трещинах породы: вода поглощает сверхвысокие частоты активно, испаряется, а пары создают давление в порах порядка 2 • 10⁷ Па, что значительно увеличивает производительность разрушения породы. При влажности песчаника около 1 % энергоемкость отбойки составляет 150 МДж/м³ отбитой породы. В сухой породе энергоемкость отбойки достигает 200 МДж/м³. Для сверхвысокой частотной отбойки породы имеет большое значение согласование сред: поскольку электромагнит­ная волна к породе подводится по воздуху, то отражение достигает по мощности 10—20 %, в зависимости от свойств породы. Отраженная волна вредно влияет на людей, находящихся в зоне работы сверхвысокой частотной установки. Для согласования применяют различные способы, например заполняют пространство, по которому подводят энергию, средой без поглощения, с диэлектрической проницаемостью, равной таковой для породы. В этом случае мощность генератора используется полностью, производительность увеличивается.

Представляет большой интерес применение сверхвысоких частот для ослабления прочности мерзлых пород: обработка сверхвысокими частотами распространяется на слой толщиной до 0,5 м, после чего в обработанной породе может работать обычная землеройная техника.