Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.575.21.0059

Руководитель: Юдин Артем Сергеевич

Должность руководителя: научный сотрудник

Докладчик: Кузнецова Наталья Сергеевна, доцент

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
капиллярный электрический разряд, плазменный канал разряда, неоднородные конденсированные среды, ударно-волновая динамика, многошпуровой откол, шпуровое разрушение негабаритов

Цель проекта:
1. 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, дноуглубительных 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. 2. 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:
1. Феноменологические модели электровзрывного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов с учетом ударно-волнового воздействия на твердый материал, пульсации паро-плазменной полости, особенностей и механизмов трещинообразования и разрушения твердого тела.
2. Комплексная физико-математическая модель электроразрядного откола горных пород и искусственных материалов с учетом переходного процесса в разрядном контуре импульсного генератора, ударно-волновой динамики (отражения и преломления волн от границ разрушаемого блока, интерференции при многоочаговом ударно-волновом воздействии), особенностей и механизмов трещинообразования и разрушения твердых тел.
3. Комплексная физико-математическая модель электроразрядного разрушения горных пород и искусственных материалов с учетом пульсации паро-плазменного пузыря, динамики ударно-волновых процессов, кинетики инициирования и роста трещин, приводящих к разрушению твердого тела.
4. Программы ЭВМ для моделирования электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов.
5. Экспериментальный образец установки для электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов.
6. Методические рекомендации по оценке и выбору оптимальных режимов энерговвода в разрядный канал, обеспечивающие максимальный объем разрушения с минимальными энергозатратами для электроразрядной технологии откола и разрушения твердых материалов.
7. Лабораторный технологический регламент электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов.
8. Проект технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка технологии поэтапного электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов многошпуровым методом».
9. Проект технического задания на проведение ОКР «Разработка и создание опытно-промышленной мобильной установки для для электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов».
10. Предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов выполненных исследований.
11. Технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
Разработанные феноменологические модели электровзрывного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов описывают электровзрывное воздействие на конденсированные среды в широком спектре экспериментальных условий, описывают расширения плазмы канала в твердом материале и пульсацию паро-плазменного пузыря в жидкости, ударно-волновую динамику в конденсированных средах, особенности и механизмы трещинообразования и разрушения твердого тела.
Разработанные физико-математические модели электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов адекватно описывают последующие за электрическим пробоем стадии электровзрыва вплоть до откола материала на свободную поверхность при заглубленном (шпуровом) электровзрыве или до инициирования и развития в нем магистральных трещин при электроразрядном разрушении в материалах с разными акустическими и механическими свойствами. Предлагаемые модели позволяют выполнять прогноз возможной картины разрушения материала с определенными физико-механическими свойствами, а также выбирать необходимые параметры электроразрядных установок, создаваемых для разрушения этих материалов.
Интерфейс разработанных программ ЭВМ позволяет изменять параметры разрядной цепи высоковольтного импульсного генератора, глубину и диаметр шпура, длину, диаметр и материал инициирующего взрыв проводника, физико-механические свойства разрушаемых материалов, выбирать передающую ударную волну среду, окружающую взрываемый проводник, задавать размеры разрушаемых негабаритов.
Экспериментальная образец установки для электроразрядного откола и разрушения должен: иметь не менее 2-х секций батареи конденсаторов, с возможностью их независимой коммутации, позволять 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 многоэлектродную 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 развязанную от сети электроснабжения схему питания.
Разрабатываемая технология электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов 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; обеспечивать разупрочнение (образование трещин) монолитных конструкций из бетона и монолита горной породы при удельной введенной энергии 300 кДж на 1 м3.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, является технология поэтапного электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов многошпуровым методом.
2. Созданные даже в последние годы модели пробоя конденсированных диэлектриков не учитывают параметров воздействующего напряжения (электротехнической схемы), хотя, очевидно, и экспериментальные данные свидетельствуют о значительном влиянии величины предразрядного тока, определяемой электротехническими параметрами генератора воздействующего напряжения (особенно, его импеданса), на предпробивные процессы.
Исследования генерации ударных волн в твердых телах единичны и проводились только для однородных модельных материалов в узком диапазоне экспериментальных условий. Процессы волновой динамики, формирования полей напряжений и деформаций, трещинообразования и разрушения при шпуровом электровзрыве фактически не изучались не только для композиций жидкость – твердое тело, реализуемых в технологиях, но и для однородных материалов.
В отличие от существующих расчетов и оценок выделяемой в канале энергии и мощности только за первый полупериод колебаний тока, предлагаемая в проекте модель шпурового электровзрыва учитывает полный разряд емкостного накопителя с учетом реакции среды, что позволяет согласовать режим энерговыделения с характеристиками механического разрушения твердого материала. 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. Реализован алгоритм моделирования распространения ударно-волновых возмущений, создаваемых расширяющимся разрядным каналом и пульсирующей паро-плазменной полостью в случае разряда в жидкости (капиллярный разряд), инициирования трещин в твердом материале при электровзрыве.
Разработка модели электровзрыва и её реализация в виде законченного программного продукта позволяет проводить исследование закономерностей энергетических и ударно-волновых процессов при шпуровом электровзрыве в широком диапазоне экспериментальных условий, получить новые фундаментальные данные об инициировании и росте трещин в различных конденсированных средах под действием электроимпульсной нагрузки, проводить исследования возможности электровзрывного откола горных пород и искусственных материалов существующими электроразрядными установками, а также проектировать новые установки, разрабатывать методики разрушения отколом, применительно к электроразрядным технологиям, определить оптимальные параметры генератора импульсных токов, геометрию сетки шпуров и времена последовательного инициирования разряда при отколе несколькими шпурами.
Инновационность предлагаемого метода заключается в том, что шпур в разрушаемом твердом материале заполняется не водой, а пластичным веществом с высокой акустической жесткостью, например, полиэтиленом, парафином, гелем и т.п., ось которого совпадает с размещением взрываемого проводника. По результатам предварительных компьютерных исследований и физических экспериментов применение вязкого вещества позволяет, во-первых, добиться проявления капиллярного эффекта, позволяющего повысить давление в разрядном канале до 25 %, во-вторых, с большей эффективностью передать ударную волну в разрушаемый материал. Это позволяет, не снижая эффективности разрушения, уменьшить массогабаритные параметры накопителя энергии.
Выполнение НИР обеспечит достижение научных результатов мирового уровня в области электроразрядного откола и разрушения, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов, создание задела для выполнения опытно-конструкторских работ и продвижению технологии на рынок.
3. 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 представлены комплексные физико-математические модели для самосогласованного моделирования работы высоковольтного импульсного генератора и всего комплекса быстропротекающих и взаимообусловленных электрофизических процессов в многослойных конденсированных средах при шпуровом электровзрыве.
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 адаптированной расчетной сеткой, с самосогласованным решением уравнений волновой динамики в конденсированной среде и переходного процесса в разрядном контуре высоковольтного импульсного генератора. Впервые 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. Результаты моделирования будут сопоставлены с экспериментом, параметры моделирования будут верифицированы. На базе полученных результатов будут разработаны рекомендации к оценке и выбору эффективных режимных и энергетических характеристик высоковольтного генератора для шпурового откола твердых тел (горных пород, бетона и железобетонных конструкций).
4. При разработке комплексной физико-математической модели описание расширения канала в жидкости основано на системе уравнений, включающей дифференциальные уравнения законов сохранения энергии, массы, импульса в адиабатическом приближении, процессы при разрушении, связанные с полем механических напряжений рассматриваются детерминистически на основе уравнения пластического течения, уравнения состояния, взаимосвязи тензора напряжений, шарового тензора и девиатора тензора напряжений, уравнения волновой динамики. Локальные процессы, приводящие к росту трещин, описываются стохастически, из-за невозможности корректного описания микроскопических флуктуаций параметров состояния среды. Поскольку характер развития капиллярного разряда, изменение сопротивления плазмы канала и ее расширение определяются выделением энергии, то эти уравнения согласованно решаются с уравнениями переходного процесса в схеме реального импульсного генератора. Взрыв проводника и рост трещин описаны на основе эмпирических закономерностей ввиду отсутствия строгих теорий развития указанных процессов и невозможности точного описания микроскопических изменений параметров состояния среды при экстремальных давлениях, а так же их роли на развитие неустойчивостей.
Построение компьютерной реализации модели основано на методах численного решения систем дифференциальных уравнений. Уравнения переходного процесса в разрядном контуре аппроксимированы методом Эйлера. Система уравнений, описывающих эволюцию и диссипацию ударно-волновых возмущений, аппроксимирована разностной схемой в явном виде методом Лакса-Вендорффа. Для ускорения алгоритма счета использована адаптивная расчетная сетка. Уравнения переходного процесса в разрядном контуре импульсного генератора и волновой динамики в конденсированной среде решаются самосогласованно, что позволяет проводить численный анализ в зависимости от параметров реальных импульсных генераторов. Для описания зарождения и роста сетки радиальных трещин в твердом материале при шпуровом электровзрыве, использован стохастический критериальный подход, применен метод конечно-элементного анализа. Сходимость численных методов проверена аналитически на последовательности измельчающихся сеток, на модельных задачах, близких по физической постановке к изучаемым явлениям и допускающим аналитическое решение, а также путем сравнения с данными физических опытов.
На этапе компьютерных экспериментов прогноз характера и картины разрушения будет осуществляться на основе исследований закономерностей формирования, эволюции и диссипации ударно-волновых возмущений в твердом теле или в системе конденсированных сред: материал, заполняющий шпур (жидкость, пластичное вещество) – разрушаемое твердое тело (бетон, горная порода) и на основе полученных картин локализации деформации в разрушаемой среде. Будет определен оптимальный способ многошпурового электроразрядного воздействия на разрушаемый материал и найдены оптимальные режимы энерговвода в плазму канала разряда, обеспечивающие максимальный объем разрушения с минимальными энергозатратами. Последовательное инициирование разряда в соседних шпурах в согласованные моменты времени позволит за счет интерференции увеличить амплитуду ударной волны, и длительность напряженно-деформированного состояния в разрушаемом материале. Полученные данные помогут ответить на вопросы, связанные с эффективностью преобразования энергии конденсаторной батареи, в работу ударной волны при многошпуровом электроразрядном отколе и разрушении материалов.
На основании численных экспериментов будут определены параметры мобильной установки для многошпурового откола и разрушения: запасаемая энергия в каждой секции батареи, способ их зарядки и коммутации. По результатам анализа рынка будут определены тип конденсаторов, коммутатора и блока заряда и запуска. Будут проведены необходимые работы по модернизации существующей установки: добавлены дополнительные конденсаторы и изменена схема их соединения, зарядки и коммутации с целью проведения физических исследований по многошпуровому отколу и разрушению.
Натурные испытания в соответствии с результатами моделирования будут выполняться в различной геометрии шпуров, с различной начальной запасаемой энергией и различным временем инициирования разряда в соседних шпурах. Будут проведены исследования с варьированием начальных диаметра и длины канала разряда и инициирующего проводника. Установлено влияние капиллярного эффекта и эффекта пульсации паро-плазменной полости (в случае заполнения шпуров жидкостью). Будут проведены измерения тока в разрядном контуре, напряжения на канале разряда, импульсного давления на свободной поверхности разрушаемого образца и длин генерируемых трещин, сопоставление полученных данных с результатами моделирования. Будет использован модельный образец монолита бетона, который для минимизации влияния границ будет размещен в земле. По результатам испытаний будет выполнена верификация разработанной модели электровзрыва в конденсированных средах.
Техническое предложение на проведение работ по многошпуровому отколу и техническое задание на проектирование опытно-промышленной мобильной установки будет разрабатываться на основе действующей нормативно-правовой документации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут быть использованы 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).
2. 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).
Предлагаемый электроразрядный способ разрушения негабаритов и откол от монолита направлен на улучшение условий труда обслуживающего персонала, увеличение производительности, уменьшение затрат и вредного воздействия на окружающую среду при производстве таких работ как: демонтаж выведенных из эксплуатации сооружений, ремонт их частей из прочного и высокопрочного бетона, расчистка мест завалов, после камнепадов, природных и техногенных катастроф, проходка новых и расширение существующих тоннелей, горных трасс, ремонт бетонных и ж/б конструкций (гидротехнических сооружений ГЭС, фундаментов, мостов и т.п.), разработка полезных ископаемых.
Моделирующее программное обеспечение позволит выбирать параметры технологического оборудования, конструкции электродных систем, оптимальные режимы выделения энергии, оптимальное геометрическое расположение сетки шпуров в технологии электроразрядного шпурового откола от монолита и разрушения негабаритов.
С целью вывода полученных в ходе исследований результатов на рынок предполагается тесное сотрудничество с предприятиями горнодобывающей строительной и гидроэнергетической отраслей. Выезды на места проведения работ с демонстрацией возможностей электроразрядного разрушения и откола, совместная с заказчиками выработка решений по адаптации способа под нужды конкретного потребителя. Организация мелкосерийного выпуска мобильных электроразрядных установок. Обучение на базе кафедры оперативного и обслуживающего персонала.
Планируется внедрение предлагаемого способа в качестве альтернативы взрывчатым веществам, при разработке кимберлитовых трубок. При разработке месторождений кимберлита существует проблема утилизации негабаритов, которые невозможно транспортировать. В этом случае их повторно разрушают с помощью взрывчатых веществ, что удорожает добычу, так как на время взрывных работ весь персонал карьера эвакуируется. Внедрение предлагаемой технологии позволит производить разрушение негабаритов без эвакуации персонала, что позволит сократить число вынужденных простоев и увеличит производительность добычи полезных ископаемых.
Предлагаемый способ также привлекателен для разработки россыпных месторождений горных пород в частности на Туганском месторождении ильменита в Томской области, где данный минерал содержится в пластах песчаника мощностью 1,5-2 м с фронтом 500 м. В настоящее время добыча песчаника на указанном месторождении ведется с помощью гидромолотов. Это в совокупности с высокой степенью износа рабочего инструмента не дает требуемого технологического эффекта. Время, затрачиваемое на один акт откола составляет около 10 мин и характерный размер откалываемых кусков не превышает 0,4 м3. Внедрение электровзрывного способа позволит, за счет меньшего диаметра шпуров, снизить износ механического инструмента, а за счет одновременного инициирования разряда в нескольких шпурах, ускорить процесс разработки месторождения. С руководством ОАО «Туганский горно-обогатительный комбинат Ильменит» есть договоренность на проведение тестовых испытаний электроразрядного откола непосредственно на месторождении. В случае положительных результатов руководство ГОКа готово заключить долгосрочный договор о сотрудничестве, а также заинтересовано в приобретении мобильных установок.
В томской области в ЗАТО г. Северск на промышленных площадках ОАО «Сибирский химический комбинат» находятся 5 остановленных промышленных урано-графитовых реакторов, требующих мероприятий по выводу их из эксплуатации. В целом за 65 лет развития атомной отрасли в мире накопилось достаточное количество ядерных установок, требующих подобных мероприятий в рамках которых должен производится демонтаж надземной части строительных конструкций из высокопрочного железобетона. Демонтаж подобных конструкций механическим способом крайне неэффективен, даже при использовании алмазного инструмента. Использование взрывчатых веществ ограниченно из-за близкорасположенных действующих зданий и сооружений, а также из-за опасности образования при взрыве радиоактивно зараженного бетона мелкодисперсной радиоактивной пыли. С этой точки зрения применение электроразрядного разрушения имеет преимущества, так как наибольший технико-экономический эффект его применения достигается на особо крепких и материалах. Панируется провести натурные испытания на промышленной площадке ОАО «Опытно-демонстрационный центр вывода из эксплуатации уран-графитовых ядерных реакторов» при ОАО «СХК» г. Северск.
3. Разработка электроразрядного метода откола и разрушения высокопрочных материалов естественного и искусственного происхождения позволит повысить эффективность извлечения стратегических минералов и металлов из сырья природных и техногенных месторождений, снизить неблагоприятные факторы на персонал и экологическую нагрузку при производстве работ по демонтажу, ремонту зданий и сооружений, добыче полезных ископаемых.
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.
4. Проведенные исследования и полученные при их проведении результаты станут научно-техническим заделом в данном направлении как для прикладных работ по созданию технологии, так и для дальнейших исследований по усовершенствованию предложенных способов.

Текущие результаты проекта:
1. Комплексная физико-математическая модель электроразрядного откола горных пород и искусственного материала с учетом переходного процесса в разрядном контуре импульсного генератора, ударно-волновой динамики (отражения и преломления волн от границ разрушаемого блока, интерференции при многоочаговом ударно-волновом воздействии), особенностей и механизмов трещинообразования и разрушения твердых тел.
2. Комплексная физико-математическая модель электроразрядного разрушения горных пород и искусственного материала с учетом пульсации паро-плазменного пузыря, динамики ударно волновых процессов, кинетики инициирования и роста трещин, приводящих к разрушению твердого тела.
3. Численная реализация физико-математической модели электроразрядного откола горных пород и искусственного материала.
4. Численная реализация физико-математической модели электроразрядного разрушения горных пород и искусственного материала с учетом пульсации паро-плазменного пузыря.
5. Программа ЭВМ для моделирования электроразрядного откола горных пород и искусственно-го материала.
6. Программа ЭВМ для моделирования электроразрядного разрушения горных пород и искусственного материала с учетом пульсации паро-плазменного пузыря.
7. Программы и методики экспериментальных исследований программ ЭВМ для моделирования электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственного материала.
8. Результаты экспериментальных исследований программ ЭВМ в соответствии с разработанными программами и методиками.
9. Рекомендации к оценке и выбору оптимальных режимов энерговвода в разрядный канал (параметров высоковольтного импульсного генератора для многошпурового откола и разрушения), обеспечивающих максимальный объем разрушения с минимальными энергозатратами для электроразрядной технологии откола и разрушения твердых материалов.
10. Лабораторный технологический регламент электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов.