Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование электровзрыва в неоднородных средах с целью создания новой технологии электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов

Докладчик: Юдин Артем Сергеевич

Должность: научный сотрудник

Цель проекта:
Проект направлен на решение задачи откола от монолита и разрушения твердотельных крупногабаритных блоков естественного и искусственного происхождения (глыб горных пород, бетонных блоков и изделий) – «негабаритов» при демонтаже и ремонте зданий и сооружений, строительстве или расширении тоннелей, донноуглубительных работах, разборе завалов и т.д. Указанная задача актуальна в горнодобывающей промышленности и строительстве и обычно выполняется с использованием взрывчатых веществ или механических машин и инструмента. В случаях, когда применение взрывчатых веществ по тем или иным причинам невозможно, а механические способы не дают требуемого технологического эффекта перспективным может оказаться использование импульсного электрического разряда в качестве рабочего инструмента, создающего необходимые усилия при отколе и разрушении. Целью реализуемого проекта является разработка и внедрение в промышленность электроразрядного метода шпурового откола и разрушения высокопрочных материалов естественного и искусственного происхождения для повышения экономической эффективности извлечения стратегических минералов и металлов из сырья природных и техногенных месторождений, снижения неблагоприятных факторов на персонал и экологической нагрузки при производстве работ по демонтажу, ремонту зданий и сооружений, и добыче полезных ископаемых.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными планируемыми результатами проекта являются экспериментальный образец установки для электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов, физико-математические модели шпурового откола и разрушения твердых материалов под воздействием импульсов электрического разряда и их программная реализация, а также проекты на проведение опытно-технологических работ по теме «Разработка технологии поэтапного электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов многошпуровым методом» и опытно-конструкторских работ по теме «Разработка и создание опытно-промышленной мобильной установки для электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов».
Экспериментальный образец установки электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов будет иметь две секции батареи конденсаторов, с возможностью их независимой коммутации; производить заряд конденсаторов до напряжения от 3 до 15 кВ; иметь возможность оперативного контроля напряжения заряда и целостность защитных предохранителей каждой секции батареи конденсаторов; проводить разряд секционированного импульсного генератора на двухэлектродную систему; иметь возможность задавать паузу между разрядами на соседних электродах от 1 до 200 мкс; обеспечивать ток в нагрузке до 150 кА на каждый электрод; производить регистрацию тока и напряжения на каждом канале разряда; иметь аварийную сигнализацию; иметь систему аварийного разряда всей батареи конденсаторов; иметь гальванически развязанную от сети электроснабжения схему питания. Экспериментальный образец установки будет обеспечивать:
• разрушение бетонных изделий и горных пород размерами не менее 1000×600×600 мм за один импульс при затраченной энергии 50 кДж;
• откол от монолита бетона и горной породы при размещении не менее двух шпуров на расстоянии друг от друга не менее 50 см и от свободной поверхности не менее 25 см за один импульс при затраченной энергии 100 кДж;
• откол от монолита бетона и горной породы при размещении одного шпура на расстоянии от свободной поверхности не менее 25 см за один импульс при затраченной энергии 50 кДж;
• разупрочнение (образование трещин) монолитных конструкций из бетона и монолита горной породы при удельной затраченной энергии 300 кДж на 1 м3.
Все вышеуказанные значения будут справедливы для следующих физико-механических свойств разрушаемых пород и материалов:
 плотность от 2200 до 5000 кг/м3
 скорость звука в материале от 2330 до 4000 м/с
 предел текучести от 7×107 до 9×107 Па;
 модуль сдвига 1,7×108 до 5×108 Па;

Комплексные физико-математические модели электроразрядного откола и разрушения будут основаны на взаимосогласованном решении системы уравнений, включающих дифференциальные уравнения законов сохранения массы, импульса, энергии в адиабатическом приближении; уравнения состояния плазмы и разрушаемых сред; кинематические соотношения; уравнения пластического течения; взаимосвязь тензора напряжений, шарового тензора и девиатора тензора напряжений. Разработанные модели будут описывать генерацию ударно-волновых возмущений расширяющимся плазменным каналом (в случае жидкости – пульсацию пароплазменной полости) в капилляре при импульсном выделении энергии в нем; формирование изменяющихся полей механических напряжений и упругопластических деформаций в следующих материалах: песчаник, гранит, кварцит, бетон; должны быть применимы в широком диапазоне параметров воздействия и давать степень сходимости с результатами экспериментальных исследований не менее 85 %.
Программная реализация разработанных моделей будет обеспечивать возможность моделирования всех стадий электровзрыва:
• с разными параметрами емкостных импульсных генераторов;
• с разным расстоянием между шпурами и временем инициирования разряда в соседних шпурах;
• зарождения и роста магистральных трещин в материалах с разными физико-механическими свойствами.
Интерфейс программ будет позволять изменять параметры моделирования:
• емкость в пределах от 10-5 до 10-3 Ф,
• начальное напряжение от 3 до 15 кВ,
• индуктивность от 10-7¬ до 10-6 Гн;
• омическое сопротивление от 5•10-2 до 1 Ом;
• глубину пробуриваемого шпура от 100 до 2000 мм;
• диаметр пробуриваемого шпура от 10 до 40 мм;
• параметры материала инициирующего взрыв в капилляре проводника,
- энергия сублимации от 105 до 107 Дж/кг;
- удельное сопротивление от 10-9 до 10-7 Ом/м;
- диаметр то 10-4 до 10-3 м;
- длина проводника от 10-3 до 100 м;
• задавать параметры разрушаемого материала:
- скорость звука в среде от 1•103 до 6∙103 м/с;
- плотность среды от 103 до 104 кг/м3;
- предел текучести от 106 до 108 Па;
- модуль сдвига 108 до 1010 Па;
• задавать параметры передающей ударную волну среды:
- скорость звука в среде от 1•103 до 6∙103 м/с;
- плотность среды от 103 до 104 кг/м3;
- искровую постоянную от 100 до 1000 В*с1/2/м
- показатель адиабаты: от 1 до 1,5
• задавать размеры разрушаемых негабаритов от 10×10×10 до 1000×1000×1000 мм.
• запускать и останавливать процесс расчета;
• сохранять и загружать начальные параметры расчета;
• сохранять и загружать текущий рабочий проект;
• представлять расчетные данные в графическом виде;
• иметь возможность экспорта графических данных на диск;
• позволять сохранять результаты расчетов в виде dat-файлов.

По сравнению с имеющимися опубликованными данными [H. Bluhm, W. Frey, H. Giese, P. Hoppe, C. Schultheis, R. Sträbner, Application of Pulsed HV Discharges to Material Fragmentation and Recycling, IEEE Trans. on Dielectrics and Electr. Insul. 7 (5) (2000) 625–636; Ризун А.Р., Голень Ю.В., Муштатный Г.П. Экспериментальные исследования электроразрядного разрушения высокопрочных донных грунтов // Электронная обработка материалов, 2006, № 2. С. 20–22; Семкин Б.В., Усов А.Ф., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. – Санкт-Петербург: Наука, 2000. – 223 с.; Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. – СПб.: Наука, 1995. – 276 с.; Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. – Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2002. – 324 с.] в работе будет представлена обобщенная феноменологическая и физико-математическая модель электровзрывного откола и разрушения твердых сред, позволяющая самосогласованно моделировать работу высоковольтного генератора и все стадии электровзрыва в неоднородных материалах. Впервые будет проведена оценка энергетических параметров и профилей распространяющихся волн механических напряжений и деформаций при шпуровом электровзрыве (разряд в капилляре) и при пульсации пароплазменной полости в жидкости, получены характерные картины локализации деформации при импульсной нагрузке неоднородного материала на основе результатов компьютерного исследования. Будет установлена связь параметров разрядного контура высоковольтного импульсного генератора и длины разрядного канала с параметрами ударной волны и характеристиками напряженно-деформированного состояния твердого тела. Оригинальным является использование сеточной модели с адаптивной расчетной сеткой, с самосогласованным решением уравнений волновой динамики в конденсированной среде и переходного процесса в разрядном контуре высоковольтного импульсного генератора. Впервые будет реализован алгоритм двумерного и трехмерного моделирования распространения ударно-волновых возмущений, создаваемых расширяющимся разрядным каналом и пульсирующей пароплазменной полостью в случае разряда в жидкости (капиллярный разряд), инициирования и роста трещин в твердом материале при электровзрыве.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта могут быть использованы в электротехнической промышленности при разработке изоляции высоковольтного оборудования, в различных областях техники для добычи полезных ископаемых, тоннелестроении, ремонтно-восстановительных работ и строительстве (разделка электроразрядным способом некондиционных железобетонных конструкций домостроительных панелей и опор ЛЭП, разрушение высокопрочных бетонных конструкций зданий и сооружений объектов атомной энергетики, исследовательских установок, пассировка блоков природного камня).
Результаты ПНИ будут внедрены в образовательный процесс магистерской программы «Техника и физика высоких напряжений» направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника», новой бакалаврской подготовки студентов по направлению 140600 "Высоковольтные плазменные и энергетические установки" в виде новых циклов лабораторных работ, новых лекций и практических занятий. Магистранты являются соисполнителями работ, участвуют в исследовательской работе, являются соавторами публикаций.
Результаты проекта будут использоваться для проведения опытно-конструкторских работ, направленных на создание мобильных установок электроразрядного разрушения и откола горных пород (бетона, железобетона и горных пород для горнодобывающей промышленности, в строительной отрасли для разрушения бетонных элементов зданий, сооружений и тоннелестроения).
Направление исследований полностью соответствует реализуемым ООП, поэтому НИРС, выполнение ВКР является неотъемлемой частью образовательного процесса. Результаты ПНИ будут использованы при модернизации курсов учебных дисциплин (разделы лекций, практикумы, новые лабораторные занятия) «Поведение материалов в сильных полях», «Физическое материаловедение», «Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов», «Электроразрядные технологии обработки и разрушения материалов» при подготовке магистров по программе «Техника и физика высоких напряжений», направление 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Совокупность полученных результатов моделирования и физических экспериментов позволит выбирать параметры высоковольтных импульсных генераторов, конструировать электродные системы, повысить энергоэффективность электроразрядных технологий откола и разрушения твердых тел, а также создать технологический регламент на высоковольтное оборудование для электроразрядного разрушения железобетонных изделий и разработать проект опытно-промышленной установки для электроразрядного разрушения железобетонных изделий, мобильной установки для электроразрядного откола горных пород и сооружений.

Текущие результаты проекта:
Феноменологическая модель электровзрывного откола горных пород и искусственных материалов с учетом ударно-волнового воздействия на твердый материал, особенностей и механизмов трещинообразования и разрушения твердого тела;
Феноменологическая модель электроразрядного разрушения горных пород и искусственных материалов с учетом пульсации пароплазменного пузыря, ударно-волновой динамики, кинетики инициирования и роста трещин.
Эскизный проект на экспериментальный образец установки для электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов.