способ разрушения горных пород кристаллической структуры

Формула изобретения

Способ разрушения горных пород кристаллической структуры, заключающийся в том, что на горную породу воздействуют импульсным электромагнитным полем и упругими волнами напряжений, отличающийся тем, что на горную породу одновременно воздействуют импульсами магнитного поля с индукцией, равной 0,25-1,5Тл, длительностью импульса в пределах от 100-300 мкс, частотой 1·10 ^-2-5·10⁸ Гц и упругими волнами напряжений, при этом в период действия упругой волны напряжения сжатия на породу магнитное поле образуют положительными полуволнами импульсов тока, а в период действия упругой волны напряжения растяжения - отрицательными полуволнами этого тока, причем при падении электрического сопротивления породы до величины сопротивления породообразующих ее проводящих и полупроводящих минералов пропускают через породу электрический ток с последующим изменением вектора индукции магнитного поля до полной диспергации породы в обрабатываемой зоне, а вектор индукции магнитного поля ориентируют ортогонально к направлению распространения упругих волн напряжений, после чего цикл повторяют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке горных выработок, бурении скважин, в процессах рудоподготовки, в геофизике при разведке и зондировании недр.

Известен способ электротермоударного разрушения горных пород, включающий термическую обработку породы инфракрасным излучением с последующим ударным динамическим воздействием на породу [1].

Недостатком способа является низкая производительность и большая энергоемкость процесса разрушения, связанная с нагревом породы.

Известен способ обработки горных пород, заключающийся в том, что на горную породу воздействуют импульсным электромагнитным полем с напряженностью магнитного поля 10³ -10⁸ А/м и длительностью импульса (1-10)·10 ^-3 c с последующим механическим воздействием на породу [2]. В результате импульсной электромагнитной обработки горных пород происходит ослабление межзерновых связей, что обеспечивает снижение энергоемкости на разупрочнение горной породы. Это техническое решение взято нами в качестве прототипа.

Однако данное изобретение имеет недостаточную степень разупрочнения межкристаллических связей, т.к. порода подвергается кратковременному воздействию электромагнитного поля.

Задачей изобретения является повышение степени разупрочнения горной породы кристаллической структуры за счет ее деструкции, разупрочнения межкристаллических связей при снижении энергоемкости и материалоемкости процесса разрушения.

Это достигается тем, что в способе разрушения горных пород, заключающемся в том, что на горную породу воздействуют импульсным электромагнитным полем и упругими волнами напряжений, согласно изобретению одновременно воздействуют на горную породу импульсами магнитного поля с индукцией, равной 0,25-1,5 Тл, длительностью импульса в пределах от 100-300 мкс, частотой 1·10 ^-2-5·10⁸ Гц и упругими волнами напряжений, при этом в период действия упругой волны напряжения сжатия на породу магнитное поле образуют положительными полуволнами импульсов тока, а в период действия упругой волны напряжения растяжения - отрицательными полуволнами этого тока, причем при падении электрического сопротивления породы до величины сопротивления породообразующих ее проводящих и полупроводящих минералов пропускают через породу электрический ток с последующим изменением вектора индукции магнитного поля до полной диспергации породы в обрабатываемой зоне, а вектор индукции магнитного поля ориентируют ортогонально к направлению распространения упругих волн напряжений, после чего цикл повторяют.

На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления способа.

Способ разрушения горных пород кристаллической структуры заключается в следующем.

На горную породу кристаллической структуры одновременно воздействуют упругими волнами напряжений и импульсным электромагнитным полем с индукцией, равной 0,25-1,5 Тл, длительностью импульса в пределах от 100-300 мкс, частотой следования импульсов от 1·10 ^-2-5·10⁸ Гц. При этом величину индукции выбирают в зависимости от физико-технических свойств породы. Длительность и частоту следования импульсов выбирают исходя из размера зерен их анизотропии. Под действием упругой волны напряжений на горную породу вначале в ней возникают напряжения сжатия, а затем при прохождении отраженной волны в породе в последней действуют напряжения растяжения. Для обеспечения более эффективного использования энергии электромагнитного поля и энергии упругих колебаний в период действия упругой волны напряжения сжатия на породу магнитное поле образуют положительными полуволнами импульсов тока, а в период действия упругой волны напряжений на растяжение породы - отрицательными полуволнами этого тока, что позволяет увеличить усилия воздействия при фазах сжатии и растяжения породы. Частоту импульсов каждой полуволны можно определить расчетным путем. Импульсное магнитное поле в породе, содержащей зерна проводящих и полупроводящих минералов, вызывает в этих зернах эффекты магнитострикции, пъезострикции, появление пондеромоторных сил, приводящих к возникновению на границах зерен растягивающих и сдвиговых напряжений. Ввиду неоднородности структуры породы на границах зерен возникает концентрация полей напряжений, вызывающих соответствующие разрушающие усилия, приводящие к развитию имеющихся дислокации, микро- и макротрещин, в конечном итоге приводящие к раскрытию зерен минералов, что подтверждено экспериментально. Вышеуказанные параметры магнитного поля позволяют повысить степень ослабления межзерновых связей породы при оптимальных затратах энергии, передаваемой в породный массив. При уменьшении вводимой в породу электромагнитной энергии не обеспечивается необходимая степень раскрытия минеральных зерен, а увеличение параметров электромагнитного поля приводит к процессам магнитного насыщения. При заданных параметрах магнитного поля амплитуда упругих волн составляет 150-250 МПа, длительность 0,5-2 мс с выходом на максимум в пределах 1 мс. При одновременном воздействии мощного высокоградиентного магнитного поля и упругих волн напряжений происходит направленное движение заряженных дислокаций на границах минеральных зерен, которое сопровождается дипольным взаимодействием расходящихся берегов субмикротрещин с внешним электромагнитным полем. В результате этого осуществляется направленное развитие микротрещин по границам разнородных зерен с одновременным уменьшением электрического сопротивления породы за счет переориентации зерен минералов в породе, что подтверждено автором экспериментально. Например, для магнетитовых железистых кварцитов электрическое сопротивление под воздействием мощных высокоградиентных, ультракоротких импульсов магнитного поля и упругих волн уменьшилось на 3-4 порядка. При падении электрического сопротивления породы до величины сопротивления породообразующих ее проводящих и полупроводящих минералов пропускают через породу электрический ток от внешнего источника. Под действием электрического тока и возникших пондеромоторных сил на межзерновых границах происходит дальнейшее увеличение размера трещин и нарушение сплошности породы, а следовательно, резко на несколько порядков увеличивается электрическое сопротивление. После чего изменяют вектор индукции магнитного поля для смещения тока в последующий участок с ненарушенной сплошностью породы, причем вектор индукции магнитного поля ориентируют ортогонально к направлению распространения упругих волн напряжений. Далее процесс обработки породы повторяют аналогично до полной потери сплошности породы в обрабатываемой зоне.

Устройство для разрушения горных пород 1 состоит из генератора импульсов, включающего последовательно соединенные первичный источник энергии 2, преобразователь энергии 3 и накопитель электрической энергии 4, например, емкостного типа, подключенный к магнитному диполю 5 через коммутатор 6 и высоковольтный диодный мост 7, источника упругих колебаний 8, создающего высокочастотные и низкочастотные упругие колебания, в качестве которого используют ударный механизм или заряды ВВ, датчика 9, фиксирующего параметры упругой волны напряжения сжатия и растяжения в породе, например, посредством цифрового регистратора кинематических параметров упругих волн типа РКП-1Ш, датчика сопротивления 10 горной породы, датчика тока 11 магнитного диполя и источника тока 12. В качестве источника тока используют, например, униполярный генератор, подключенный кондуктивно к породе. При этом вышеуказанные датчики 9, 10, 11, подключены через блок аналого-цифрового преобразователя 13 и шину 14, например, RS 485 к промышленному компьютеру 15, например к компьютеру с операционной системой реального времени VxWork, RTLinux, выход которого через управляющую шину 16, например, типа CANBUS, MODBUS подсоединен к исполнительным устройствам, 17, 18, 19, 20, 21. В качестве исполнительного устройства 17 используют блок управления автономного инвертора тока, подключенного к источнику тока 12. В качестве исполнительных блоков 18, 20 используют формирователи импульсов управления, подключенные соответственно к источнику упругих волн 8 и к входу высоковольтного диодного моста 7. В качестве исполнительного блока 19 применяют также формирователь импульсов управления, выход которого через механизм перемещения 22 соединен с диполем 5, а качестве блока 20 используют регулятор напряжения под нагрузкой.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от физико-технических свойств горных пород выбирают параметры импульсного электромагнитного поля и упругих волн напряжений в пределах вышеуказанных диапазонов. Для железистых кварцитов, например магнетитовых, индукция магнитного поля находится в пределах 0,25-1,5 Тл, длительность импульса - в пределах от 100-300 мкс, частота следования импульсов - 1·10 ^-2-0,5·10⁸ Гц, а параметры упругих волн напряжений характеризуются амплитудой 150-250 МПа с частотой 0,5-25·10² Гц. При воздействии на породу упругой волны напряжения сжатия, например, в виде полусинусоиды, фаза которой контролируется датчиком 9 - регистратором кинематических параметров упругих волн типа РКП-1Ш, амплитуда магнитного поля диполя 5 формируется положительными полуволнами тока генератора импульсов посредством высоковольтного диодного моста 7. При этом упругая волна напряжения сжатия и волна электромагнитного поля работают в одной фазе. При воздействии упругой волны напряжения растяжения на породу включают отрицательную полуволну тока диполя от генератора импульсов, при этом волны работают также в одной фазе, но противоположной волне напряжения сжатия. Знакопеременные высокоградиентные волновые воздействия на породу обеспечивают более интенсивный рост микротрещин на межзерновых границах минералов кристаллической структуры. При уменьшении удельного электрического сопротивления для железистых кварцитов на 3-4 порядка, которое контролируется датчиком электросопротивления 10, промышленный компьютер 15 включает источник тока 12 кондуктивного ввода энергии в породу. В результате чего происходит ослабление межзерновых связей с последующей диспергацией породы на участке одновременного воздействия электромагнитных, упругих волн, а также тока. Деструкция породы на этом участке вызывает увеличение электрического сопротивления на несколько порядков. После чего изменяют вектор индукции магнитного поля диполя 5 по сигналу с датчика сопротивления 10 через аналогоцифровой преобразователь 13, компьютер 15, исполнительный блок 19 с механизмом перемещения 22, обеспечивающего ориентацию вектора индукции по отношению к направлению распространения упругих волн напряжений, и блок 20, подключенный к высоковольтному диодному мосту 7. Далее осуществляют обработку последующего участка с ненарушенной сплошностью породы аналогично предыдущему участку. Процесс обработки породы повторяют до полной диспергации породы в обрабатываемой зоне. Процесс деструкции и диспергации пород при вышеуказанных режимах воздействия полей подтвержден экспериментально.

При реализации изобретения с использованием вышеуказанных технических средств степень разупрочнения горной породы соответствует второй и третьей стадиям измельчения стандартной рудоподготовки при снижении энергозатрат в 2-3 раза и значительном снижение металлоемкости.

Источники информации

1. В.В.Ржевский, Г.Я.Новик, Основы физики горных пород, М., Недра. 1978 г. с.266.

2. Патент РФ №20026991, Е21С 37/18, Способ обработки горных пород и устройство для его осуществления (прототип).