Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0059

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0059
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Исследование электровзрыва в неоднородных средах с целью создания новой технологии электроразрядного откола и разрушения горных пород и искусственных материалов
Докладчик
Юдин Артём Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
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.
Актуальность и новизна исследования
Одним из перспективных направлений откола от монолита и разрушения негабаритов является использование импульсного электроразрядного способа, суть которого заключается в использовании принципов волновой динамики электровзрыва. За счет быстрого выделения энергии в плазменном канале капиллярного электрического разряда в конденсированных средах при протекании через него импульсного тока генерируется ударная волна давления, которая формирует поле механических напряжений, вызывающее разрушение материала.
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 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.
Описание исследования

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследований:

  • проведение численных исследований с помощью созданного проблемно-ориентированного программного обеспечения, установление закономерностей формирования, эволюции и диссипации ударно-волновых возмущений в твердых телах при электровзрыве; закономерностей трещинообразования на основе анализа результатов моделирования и сопоставления с экспериментальными данными;
  • проведение физических исследований шпурового электровзрывного разрушения и откола на свободную поверхность и трещинообразования на модельных образцах монолитных бетонных конструкций с варьированием начального напряжения, емкости батареи конденсатов и индуктивности разрядного контура, а также параметров электродной системы и взрываемого проводника.
  • измерение импульсных токов и воздействующих на материалы напряжений в различных материалах, определение энергии и мощности, вводимых в канал разряда;
  • измерение длин генерируемых трещин и объема разрушения в зависимости от параметров генератора и режимных характеристик;
  • сопоставительный анализ результатов моделирования с данными выборочных физических экспериментов и верификация разработанных моделей электровзрыва (на основе измерений тока, напряжения в разрядном контуре, измерения длин генерируемых трещин).
Результаты исследования

Выполненные исследования закономерностей энергетических и ударно-волновых процессов при шпуровом электровзрыве в широком диапазоне экспериментальных условий позволяют 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.

Результаты моделирования сопоставлены с экспериментом, параметры моделирования верифицированы. На базе полученных результатов разработаны рекомендации к оценке и выбору эффективных режимных и энергетических характеристик высоковольтного генератора для шпурового откола твердых тел (горных пород, бетона и железобетонных конструкций).

В результате натурных испытаний по разупрочнению и отколу от массива горных пород установлено что разупрочнение массива с целью его последующего разрушения механическими способами возможно вести при шаге сетки пробуриваемых шпуров 50 см. Формирование магистральных трещин приводит к образованию новой свободной поверхности, при взаимодействии с которой ударные волны формируют требуемое напряженного деформируемое состояние и развитие магистральных трещин, при электровзрыве в следующей линии шпуров. Вместе с тем откол и разупрочнение монолита бетона происходит со значительными трудностями по сравнению с массивом горной породы, при тех же энергетических параметрах установки, что объясняется большей пористостью и вязкостью бетона по сравнению с горными породами. Расстояние от свободной поверхности при отколе электровзрывом в среднем составляет 25 см, тогда как при разупрочнении это расстояние может быть увеличено до 40 см. Указанные данные справедливы для глубины шпуров не более 80 см и запасенной энергии генератора 100 кДж.

В результате проведенного исследования показана возможность применения электровзрыва:

  • 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.
Практическая значимость исследования
Основные области применения технологии следующие:
• Строительство
• Горная промышленность
• Жилищно-коммунальное хозяйство
В данных областях предлагаемый способ может использоваться как альтернативный традиционным методам (механический, термический, взрывной) разрушения и откола материалов 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, особенно в условиях городской застройки, где запрещено применение взрывчатых веществ, а механический способ не обеспечивает требуемый технологический эффект.

Основные области применения разработанного моделирующего ПО следующие:
• Научная деятельность
• Инженерная деятельность
• Высшее образование
Физико-математическая модель может быть использована для научной и инженерной деятельности специалистов технических и физико-математических специальностей. Модель позволит исследовать процессы, протекающие при импульсном электроразрядном нагружении в материалах с различными физико-механическими свойствами, позволит строить гипотезы и новые теории поведения материалов в экстремальных условиях. Моделирующее ПО может также быть использовано в образовательном процессе в рамках таких дисциплин как «Высоковольтные плазменные и энергетические установки», «Техника и физика высоких напряжений», «Поведение материалов в сильных полях», «Физическое материаловедение» и т.п. для подготовки специалистов в области физики, механики, энергетики, горного дела.

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.