Zastosowanie elektrohydraulicznego sposobu kruszenia skał

Optymalizacja procesu kruszenia skał wymaga dokładnego poznania mechanizmu wzajemnego oddziaływania systemu ładunek - otoczenie, które uwzględniałoby z jednej strony właściwości ośrodka, a z drugiej możliwości i metody kierowania parametrami mechanicznego impulsu w celu osiągnięcia wartości optymalnych. Współczesne teorie dotyczące mechanizmu kruszenia skał oparte są na założeniu, że proces ten składa się z dwóch stadiów: dokrytycznego - prowadzącego do zapoczątkowania powolnej reakcji powstawania mikropęknięć oraz krytycznego - wywołującego lawinowy wzrost ilości mikropęknięć.

W pierwszym stadium rozwój pęknięć związany jest z ruchem i wzajemnym oddziaływaniem mikrodefektów punktowych (dyslokacji), co prowadzi do wykształcenia się mikroszczelinowatosci.

Zgodnie z teorią Gryfitsa, warunkiem koniecznym zapoczątkowania kruszenia jest powstanie dostatecznie dużego pęknięcia, aby proces stał się autokatalicznym. Jednakże wiadomo, że przy nagłym obciążeniu występuje określony okres inkubacyjny, niezbędny dla wzajemnego oddziaływania mikrodefektów punktowych. Jeśli czas obciążenia będzie mniejszy od tego okresu, to kruszenie skały wystąpi tylko przy naprężeniach równych lub większych od jej teoretycznej wytrzymałości (l0² - l0³ GPa). Takie ciśnienie w realnych warunkach obciążenia jest praktycznie nieosiągalne. Dlatego też w celu efektywnego kruszenia skały, należy dążyć do tego, aby czas obciążenia był dłuższy od okresu inkubacyjnego.

W procesach o szybkich przebiegach, wzrost mikropęknięć przy wystarczającej energii zachodzi równomiernie w całej objętości a liczba powstających ognisk kruszenia zwiększa się wraz ze wzrostem szybkości ich przepływu. Powstają warunki sprzyjające miażdżeniu skały w strefie bezpośredniej ładunku. Przy obciążeniach powolnych przemieszczanie dyslokacji przebiega wzdłuż głównych linii tarcia (poślizgów), zgodnie z wyraźnie wykształconą strukturą niejednorodności skały lub obecnością mikrodefektów punktowych. Taki mechanizm prowadzi często do powstawania brył niegabarytowych. Właśnie w tych uwarunkowaniach widoczna jest rola optymalizacji detonacyjnych charakterystyk materiałów wybuchowych (MW), spełniających wymagany mechanizm kruszenia lub deformacji obiektu pod działaniem obciążenia.

Przedstawione wyżej fakty pozwalają wysunąć wniosek, że opracowanie optymalnych metod kruszenia masywu skalnego może odbywać się według następujących kierunków:

• optymalizacja parametrów (amplitudy i czasu) fal uderzeniowych w celu przestrzennego rozwoju stref kruszenia, w pierwszej kolejności optymalizacja prędkości obciążenia jako środka sterującego ruchem mikrodefektów dla kierowania procesami rozwoju pęknięć;

• zastosowanie różnorodnych technologicznych przedsięwzięć pozwalających poddać masyw wielokrotnemu działaniu obciążenia (poprzez sprowokowanie superpozycji fal uderzeniowych) pochodzącego od poszczególnych części ładunku lub od serii ładunków detonowanych w określonej kolejności lub też poprzez nierównomierne obciążenie generujące naprężenia styczne (efekt dylatancji).

Przy prowadzeniu robót górniczych prawie zawsze opracowywane są metody kompleksowego kierowania wybuchem. Źródłami impulsów mechanicznych mogą być:

a) detonacja ładunku MW, b) wyładowanie elektrohydrauliczne, c) kombinowany impuls wybuchu elektrohydraulicznego, tzn. wyładowanie elektrohydrauliczne wzmocnione zestawem szybko spalającej się (w perspektywie detonującej) substancji, d)różnego rodzaju połączenie wyżej wymienionych sposobów impulsowego oddziaływania.

W odniesieniu do kierunku drugiego (b), badania nad opracowaniem metod kierowania impulsem wybuchu elektrohydraulicznego odkrywają nieograniczone możliwości realizacji zasadniczo nowej technologii w wielu gałęziach górnictwa. W szczególności należy zwrócić uwagę na wymogi ekologiczne w odniesieniu do nowych impulsowych technologii prowadzenia robót górniczych, budowlanych i innych. Tu druga część

Przy realizacji metody elektrohydraulicznej zachodzi transformacja energii elektrycznej w energię fal uderzeniowych i energię pęcherza gazowego, które to zjawiska pojawiają się przy elektrowyładowaniach w wodzie.

Podwodne elektro-wybuchy, wykorzystywane w praktyce, są generowane mocnymi (l0⁶ 10⁹ W) podwodnymi wyładowaniami iskrowymi. Wyładowania takie charakteryzują następujące parametry: energia l0³ l0⁵ J, czas 10^-5 10^-3 s, temperatura wewnętrznego kanału 2*10³ 5*10⁴ K. Ciśnienie w kanale wyładowania może osiągać wartość 3*10⁹ Pa, a prędkość rozszerzania się ścianki kanału może wynosić 1500 ms^-1. Warunki takie zapewniają tworzenie się w otaczającym środowisku intensywnych fal ściskających.

Inicjacja wyładowań zachodzi zwykle poprzez przebicie elektryczne przerwy między elektrodami (szczeliny iskrowej) pod wpływem przyłożonego do elektrod wysokiego napięcia rzędu 100 kV. Mechanizm przebicia pod wpływem wysokich napięć sprowadza się do powstawania i rozwoju szeregu wyładowań wstępnych, prowadzących do zamknięcia przez jedno z nich przerwy między-elektrodowej. Dla powstania wyładowań konieczne jest, aby potencjał pola elektrycznego na powierzchni elektrody, przewyższał wielkość progową rzędu kilkudziesięciu kV na centymetr.

Wzbudzenie fali uderzeniowej w wodzie z wykorzystaniem elektrohydraulicznego efektu można wywołać kilkoma sposobami:

1) przez wywołanie w cieczy między dwiema elektrodami kanału przewodzącego prąd elektryczny,

2) detonacją metalowego mostka (drucika) łączącego elektrody,

3) impulsem wzmocnionym uzyskanym przez umieszczenie między elektrodami materiału szyb-kopalnego i wytworzeniem w kanale wyładowania produktów gazowych, zwiększających zarówno rozmiary pęcherza gazu, jak i jego ciśnienie,

4) wzmocnienie impulsu, wywołanego wybuchem metalowego mostka przez naniesienie wokół niego zestawu wybuchowego o niskiej zdolności detonacji, który, będąc inicjowany za pomocą mostka, przekształci się w produkty gazowe w warunkach niepełnej detonacji z prędkością wybuchowego rozkładu 700 - 1500 m/s.

dodatki

Regulowanie energetycznymi parametrami wybuchu elektrohydraulicznego osiąga się drogą umieszczenia w szczelinie wyładowania różnego rodzaju dodatków energetycznych (wydzielających gaz), przy spalaniu których z jednej strony wzrasta temperatura w szczelinie wyładowania, a z drugiej - powstaje dodatkowa ilość produktów gazowych. Sprzyja to przyrostowi tak energii akustycznej jak i energii pulsującego pęcherza. Dodatki energetyczne o masie 0,2 do 0,8 g wypełniające rurki polimerowe cienkościenne o średnicach wewnętrznych 3 do 5,5 mm umieszczano pomiędzy elektrodami, a inicjację wyładowania przeprowadzano za pomocą mostka z drutu lub przebicia wysokonapięciowego.

Skład komponentów energetycznych dodatków przedstawiono w tablicy l. tabela

Azotan amonu (AA) stanowił w mieszaninach utleniacz, a paliwo stanowiły: sulfoniany wapnia, grafit, polietylen (PE), aluminium i asfalt. Grafit w tym przypadku był również przewodnikiem prądu.

Analiza danych z doświadczeń pozwala wysunąć następujące stwierdzenia. W jednym z doświadczeń czas narastania impulsu ciśnienia w odległości 30 cm wynosił 7,5 μs (wzrost o l ,5-raza w porównaniu z kontrolnym) maksymalne ciśnienie impulsu wynosiło 2,9 MPa, tj. mniej niż w doświadczeniu kontrolnym. Jednakże ogólnie czas narastania, czas trwania impulsów i ich „napełnianie", (tj. ogólna wielkość impulsu jako iloczyn ciśnienia i czasu) w ładunkach kombinowanych był zasadniczo większy,

niż przy elektrowyładowaniu prostym. Okres pulsacji pęcherza w kombinowanym wybuchu elektrohydraulicznym wynosił 22 μs, co pozwala sądzić o istotnym wzroście energii wyładowania.

Analiza charakterystyk hydrodynamicznych kombinowanych wyładowań elektryczno-chemicznych z energetycznymi dodatkami na bazie sulfonianu wapnia, grafitu, polietylenu, aluminium i asfaltu pokazuje, że największy przyrost energii wyładowania dają dodatki z udziałem aluminium, polietylenu i asfaltu. Przykładowo przy dodaniu zestawu AA/Al 93/7 o masie 0,6g energia pulsacji pęcherza powietrznego wynosiła 788 J, w stosunku do 144 J w doświadczeniu kontrolnym (przyrost 5,5-krotny). Energia akustyczna fal ściskających wynosiła przy tym 181 J w odniesieniu do 52 J w doświadczeniu kontrolnym (przyrost 3,5-krotny).

Zastosowanie mieszaniny o lepszych właściwościach technologicznych na bazie polietylenu i asfaltu daje 1,6-krotnie mniejszy przyrost energii, natomiast bezpieczeństwo, dostępność na rynku i niska cena tych komponentów w porównaniu z aluminium decyduje o wyższości tych mieszanin nad innymi.

Analiza danych energii potencjalnej ładunków i energii przenikającej do środowiska wodnego podczas wyładowania elektryczno-chemicznego pokazały, że przy określonych warunkach eksperymentu, w zależności od składu energetycznego dodatków, sprawność wyładowań kombinowanych wynosiła 8—38 %. Należy zaznaczyć, że przy zwiększeniu średnicy i masy ładunku względne straty energii na nagrzanie otaczającego ośrodka i rozrzut nie-przereagowanej substancji będą się zmniejszać i dlatego efektywność zastosowania dodatków energetycznych będzie wzrastać.

Perspektywa szerokiego zastosowania kombinowanych wyładowań elektryczno-chemicznych w przemyśle nie wywołuje wątpliwości, gdyż metoda kierowania wyładowaniem elektrohydraulicznym pozwoli znacząco zwiększyć intensywność oddziaływania na ośrodek bez dodatkowych komplikacji i bez potrzeby podwyższania kosztów urządzeń w zakresie ich części elektrycznych.

efekty

Obecnie czynnikiem hamującym produkcję surowca do wyrobów licowych jest niski uzysk kamienia blokowego przy wybieraniu złóż granitu, który wynosi 10 %-40 % W dalszym procesie technologicznym obróbki płyty licowej straty surowca sięgają 30% i więcej, w zasadzie dzięki ukrytej szczelinowatości bloków.

Uzysk kamienia blokowego i jego jakość zależą w znacznym stopniu od technologii oddzielania bloków od masywu. Sposób wybuchowy, chociaż pozwala realizować szybkie oddzielanie i przemieszczanie bloku, prowadzi jednak do pojawiania się dookoła ogniska detonacji znacznej sieci pęknięć, nie dających się przewidzieć ani pod względem ilościowym, ani i kierunku ich rozprzestrzeniania się. Zamiana tej metody na metody bezpieczne ekologicznie dla uzyskania bloków skalnych z możliwościami zmniejszenia wielkości wydobycia (poprzez podwyższenie uzysku produkcji handlowej) jest optymalnym rozwiązaniem zabezpieczenia surowcowego dla produkcji licowych materiałów. Jedną z metod oddzielania bloków od masywu jest metoda statyczna oparta na zastosowaniu niewybuchowych ekspansywnych substancji (NES) lub hy-droklinów, w tym również kombinacja z wykorzystaniem wybuchu elektrohydraulicznego w bloku uprzednio naprężonego NES lub detonacją niewielkich ładunków w części otworów, podczas gdy druga ich część (możliwie co drugi) wypełniona jest NES wytwarzającą naprężenia w bloku, ułatwiające jego oddzielanie się ze znacznie mniejszymi stratami energii. Technologia oparta jest więc na idei ukierunkowanego kruszenia uprzednio naprężonych skał za pomocą małoenergetycznych dynamicznych oddziaływań, które nie wywołują dodatkowej szczelinowatości bloku masywu (oprócz istniejącej naturalnej) przy równoczesnym spełnieniu wymagań bezpieczeństwa ekologicznego.

[[[[[[[[[[[[[Ukierunkowane generowanie szczelin przy zastosowaniu sposobu niewybuchowego kruszenia i rozdzielania bloków granitowych osiąga się przez zastosowanie koncentratorów naprężeń i określonego kierunku wzajemnego oddziaływania statyczno-dynamicznych obciążeń; gwarantowane rozłupanie skał w zadanym kierunku osiąga się przy wywołaniu w otworze zarodkowych pęknięć (koncentratorów naprężeń) o głębokości do 0,25 r_o (promienia otworu), co pozwala zwiększyć odległość między otworami o 20%-35% i obniżyć amplitudę progowego startu pęknięć. Wstępny stan naprężeń masywu skalnego uzyskany za pomocą NES, wywołujący pojawienie się naprężeń rozciągających w kierunku prostopadłym do płaszczyzny przewidywanego odspojenia (rzędu otworów) o intensywności do 60 %-90 % wytrzymałości skały, pozwala obniżyć amplitudową i czasową charakterystykę dynamicznego (wtórnego) obciążenia, inicjującą generowanie pęknięć w linii odspojenia (w odstępach między otworami), zwiększyć długość pęknięć o 30 %~40 %. Uniknięcie rozrzutu (propagacji) szczelin nieprognozowanych do wewnątrz bloku od płaszczyzny przewidywanego odspojenia osiąga się przy prędkości narastania ciśnienia w ognisku dynamicznego naprężenia nie przewyższającego 10 Pa/s, a nierównomiemość dynamicznego stanu naprężeń o /o^ powinna wynosić nie mniej niż 0,2.

Dla znacznej nierównomiemości stanu naprężenia, tj.
w skałach, rozwijają się procesy dylatancyjne, prowadzące do ich rozluźnienia ze zwiększeniem mikro-porowatości (mikroszczelinowatości) i usunięcia skutków zgniotu do 15 °/o-30 %. Odpowiednio zmieniają się charakterystyki sprężyste skały: prędkość dźwięku (o 10 %-15 %) i moduł sprężystości (o 5 %-8 %). Stąd wynika zasadność wykorzystania metod kierowania przyległym polem sił w celu uzyskania warunków dla dominującego powstawania pęknięć na płaszczyźnie odspojenia, tj. w odstępach międzyotworowych.]]]]]]]]

Przy wzajemnym oddziaływaniu źródeł dynamicznego obciążenia, tak jak i przy statycznych, formowanie się wypadkowego pola naprężeń sprzyja szybkiemu wzrostowi długości szczelin rozrywających. Jak już wspominano, szczeliny zarodkują się i rozwijają w różnych kierunkach (w tym i niepożądanych), i jak widać z odniesienia głębokości szczelin rosną w zależności wprost proporcjonalnej do wielkości obciążenia dynamicznego. Wynika stąd zasadność zastosowania statyczno-dynamicznych układów obciążenia masywu. W warunkach tych, składowa dynamiczna posiada charakter wspomagający i jest znacznie mniej intensywna w porównaniu z czysto dynamicznym sposobem oddzielania bloków. Przy obciążeniach kombinowanych, granicznie dopuszczalne odległości między otworami mogą być zwiększone do 25 °/o w porównaniu do metod dynamicznych. W takim przypadku zużycie jednostkowe materiałów wybuchowych może się zmniejszyć o jedną czwartą. Za pomocą badań przemysłowych określono następujące parametry statyczno-dynamicznego obciążenia masywu: naprężenia pochodzące od obciążeń statycznych powinny wynosić 60 °/o-90 % granicy wytrzymałości skał, a obciążenia dynamiczne 10 % do 40 %. Takie parametry pozwalają zwiększyć odległość między otworami o 30 %-40 % w porównaniu z wybuchowymi metodami urabiania.]]]]]

Podsumowanie

Powyższe działania sprzyjają ochronie środowiska dzięki zmniejszeniu zużycia jednostkowego (5-6-krotnie) materiałów wybuchowych przy równoczesnym efektywniejszym wykorzystaniu złoża i podwyższeniu jakości produkcji. Ważnym elementem kombinowanej technologii jest optymalizacja poziomu intensywności składowej dynamicznej (tak pod względem amplitudy jak i czasu przyłożenia obciążenia) zdolnej wzbudzić intensywne powstawanie szczelin w określonym kierunku (wywołane wzajemnym oddziaływaniem obciążeń statycznych) i niewystarczającej dla powstawania szczelin w innych kierunkach.

Możliwość wielokrotnego wzbudzenia impulsów (z regulowaniem według potrzeb częstotliwości) umiarkowanej mocy może w zupełności zapobiec powstawaniu szczelin w niepożądanym kierunku oraz zapewnić rozwój szczeliny zasadniczej w odstępie międzyotworowym. Wiadomo, że amplituda naprężeń wywołana falą uderzeniową od wybuchu elektrohydraulicznego nie przekracza rzędu kilku GPa, podczas gdy dla urobienia skał twardych potrzeba dziesiątek GPa i znacznie dłuższego czasu przyłożenia impulsu obciążenia (przewyższającego okres inkubacyjny), co nie jest charakterystyczne dla wyładowania elektrohydraulicznego w wodzie. Mając na uwadze powyższe, dla konkretnych warunków kruszenia skał można polecać sposób wzmocnienia impulsu przez umieszczenie w kanale wyładowania hydraulicznego związków chemicznych zdolnych do bardzo szybkiego wysokotemperaturowego spalania z równoczesnym wydzielaniem dużej ilości gazów. Sposobem tym można osiągnąć podwyższenie ciśnienia i zwiększyć czas przyłożenia impulsu na ośrodek. Wielokrotne przyłożenia impulsu mogą wywołać efektywny rozwój szczelin dla parametrów znacznie mniejszych od krytycznych. Rozszerzanie się i wzrost szczelin przy optymalnie dobranej częstotliwości impulsów może przyjąć lawinowy charakter już przy impulsach rzędu 0,5 ich wartości krytycznych, które powinny wystąpić przy jednorazowym obciążeniu dynamicznym. Oczywistym jest, że w takim przypadku większy efekt można uzyskać przy oddziaływaniu impulsów elektrohydraulicznych na uprzednio naprężony masyw. Należy zauważyć, że wstępny stan naprężenia może zostać osiągnięty nie tylko za pomocą statycznych obciążeń, ale i za pomocą impulsów, wybuchów elektrohydraulicznych, przesyłanych w określonych przedziałach czasowych.

---