УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
DEVICE FOR DESTRUCTION OF HARD ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам магнитоимпульсного (взрывомагнитного) бурения, и может быть использовано при скважинной отбойке крепких горных пород.
Известно устройство электротермомеханического бурения, включающее источник тока высокой частоты, цилиндр, разнополярные коаксиальные электроды [1].
Недостатком устройства является то, что процессы электрического и механического разрушения не согласованы во времени, что увеличивает непроизводственные потери энергии и уменьшает производительность разрушения. Использование двух источников энергии - механической и электрической усложняет управление работой устройства, уменьшает надежность и приводит к уменьшению производительности, особенно в длительном режиме работы.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для электротермомеханического разрушения горных пород, включающее источник тока высокой частоты, цилиндр, разнополярные коаксиальные электроды, преобразователь частоты и установленный коаксиально центральному электроду соленоид [2].
Недостатком данного устройства является низкая эффективность и невысокая производительность, а также большая энергоемкость и металлоемкость процесса разрушения горной породы,
Целью изобретения является повышение производительности разрушения путем одновременного воздействия на горную породу импульсного магнитного поля и упругих волн напряжений, вызывающих деструкцию и разупрочнение межкристаллических связей при снижении энергозатрат и металлоемкости оборудования.
Эта цель достигается тем, что устройство магнитоимпульсного разрушения крепких горных пород, включающее источник электрической энергии, коммутатор, преобразователь частоты, цилиндр, в котором помещается центральный электрод, состоящий из поршня-бойка и наковальни, снабжено магнитным диполем с возможностью регулирования его угла поворота по отношению к продольной оси бурового снаряда и горизонтальной плоскости, расположенным коаксиально центральному электроду и размещенным в кольцевой камере, заполненной жидким хладоагентом.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство, разрез, на фиг.2 - блок-схема устройства.
Устройство для магнитоимпульсного разрушения горной породы 1 состоит из источника электрической энергии 2, преобразователя частоты 3, коммутатора 22 с высоковольтным мостом 23. цилиндра 4, в котором помещается центральный электрод 5, состоящий из поршня-бойка 6 и наковальни 7. Поршень-боек 6 и наковальня 7 связаны упругим элементом 8, расположенным на кольцевом выступе 9 наковальни 7. Коаксиально центральному электроду 5 в цилиндре 4 помещен соленоид 10, один вывод которого соединен с преобразователем частоты 3, а другой - с периферийными электродами 11, которые расположены на нижнем торце цилиндра и электрически изолированы от него диэлектрической прокладкой 12. Упругий элемент 13 в виде пневмо- или гидроцилиндра, заполненного воздухом или жидкостью, расположен в цилиндре 4 выше центрального электрода 5 на расстоянии, близком к величине холостого хода поршня-бойка 6. Центральный электрод 5 присоединен к преобразователю частоты 3 через гибкий проводник 14 и токосъемное кольцо 15. В центральном электроде имеется отверстие 16 для подачи воздуха или жидкости на забой.
5
5
Коаксиально центральному электроду 5 расположен магнитный диполь 17, размещенный в кольцевой камере 18, заполненной жидким хладоагентом 19, например, жидким азотом, для охлаждения магнитного диполя, через который пропускают ток величиной порядка 1,7·10-2·10 А. Магнитный диполь 17 соединен с накопителем энергии 20, который скоммутирован с источником энергии 2 и управляющим промышленным компьютером 21 через коммутатор 22 с высоковольтным мостом 23.
Для фиксирования параметров упругих волн напряжения сжатия и растяжения в породе 1 имеется датчик 24, например, цифровой регистратор кинематических параметров упругих волн типа РКП-1Ш. Также имеются датчик сопротивления горной породы 36 и датчик тока 37. При этом вышеуказанные датчики 24, 36 и 37 подключены через через блок аналого-цифрового преобразователя 31 и шину 32, например, RS 485 к промышленному компьютеру 21, например, к компьютеру с операционной системой реального времени Vx Work RTLinux, выход которого через управляющую шину 25 типа CANBUS, MODBUS подсоединен к исполнительным устройствам 26, 27, 28, 29, 30. В качестве исполнительного устройства 26 используют блок управления автономного инвертора тока, подключенного к источнику тока 33. В качестве исполнительных блоков 27, 29 применяют формирователи импульсов управления, подключенные соответственно к источнику упругих волн напряжений 34 (например, механизм вибрационно-ударного типа) и к входу высоковольтного диодного моста 23. В качестве исполнительного блока 28 используют также формирователь импульсов управления, выход которого через механизм перемещения 35, соединен с диполем 17, в качестве блока 29 используют регулятор напряжения под нагрузкой.
На фиг.3 изображена схема размещения магнитного диполя, который установлен с возможностью регулирования его угла поворота (α=5-60°) по отношению к продольной оси Z бурового снаряда и по отношению к горизонтальной плоскости X-Y (β=5-60°).
Изменение пространственного положения магнитного диполя осуществляется, например, при помощи гидро- или пневмосистемы, состоящей, например, из гидро- или пневмоцилиндров (на фиг.2 позиции 1, 2, 3), насосной и или компрессорной станции, управляемой промышленным компьютером, допускается применение и других приводов и исполнительных механизмов, например магнитных.
2
3
7
2
3
7
2
9
-2
Для магнитного диполя возможно применение сверхпроводящих материалов. Сверхпроводящий проводник (контур) может быть изготовлен из высокотемпературного висмутосодержащего сверхпроводника BiSrCaCuO. Сверхпроводящий контур может быть изготовлен на основе соединений YВаСuО или NdBaCuO. Эти соединения перспективны для создания длинномерных токонесущих (гибких) элементов с высокой плотностью тока (~10A·м) при температуре 77,3 К в магнитных полях до 5 Тл. Возможно и применение весьма перспективного и достаточно дешевого сверхпроводящего интерметаллического соединения - диборита магния МgВ с критической температурой около 40 К. Чрезвычайно перспективными для создания проводящих контуров диполя и передачи энергии в массивах являются высокотемпературные сверхпроводники - купраты, состоящие из слоев оксидов меди, чередующихся со слоями других элементов и соединений (например, оксиды кобальта, слои которого разделены слоями натрия с добавлением молекул воды). Температура сверхпроводящего перехода их равна примерно 5 К. И, наконец, последние исследования на смесях карбоната свинца, оксидов серебра, свинцового сурика и других композитов, например Ba-La-Cu-O, показали возможность создания композиционных веществ, которые приобретали сверхпроводящие свойства уже при комнатной температуре.
Рабочий орган укреплен на буровой штанге с возможностью вращения вдоль продольной оси (на фиг.1 показано направление вращения).
Устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливается на поверхность горной породы 1 торцом цилиндра 4, и включается источник электрической энергии 2. На поршень-боек 6 воздействуют упругими колебаниями, которые могут возбуждаться, например, двумя эксцентриками, приводящимися в движение двумя высокоскоростными (10-12 тыс.об/мин) гидромоторами, генерирующими вибрации до 180-200 Гц или пневмоударными механизмами с частотой 7-50 Гц (на фиг.1 позиция 34). Передача энергии поршню-бойку 6 может осуществляться также кондуктивным способом с помощью подвижных контактов 14, 15 или индуктивным способом на основе линейного электродвигателя.
4
в
0
Напряжение между центральным 5 и периферийными электродами 11 образует канал электротеплового пробоя 39, проходящий по породе. Порода вокруг канала под действием термических напряжений ослабляется и разрушается. В момент образования плазменного канала электротеплового пробоя 39 в цепи, состоящей из преобразователя частоты 3, соленоида 10, периферийных электродов 11, центрального электрода 5 протекает большой ток, который заставляет поршень-боек 6, изготовленный из магнитомягкого материала, с силой втягиваться внутрь соленоида 10 и при этом ударять по наковальне 7 (одновременно возможно применение пневмоударного механизма 34). Причем в зависимости от свойств разрушаемой породы в случае низкой частоты ударов возможно применение пневмоударного воздействия на поршень-боек с частотой 1-10 Гц, а в интервале 10-50·10 Гц целесообразно использование соленоида и центрального электрода из магнитомягкого материала. При этом породоразрушающая часть наковальни 7 внедряется в породу 1 и производит ее разрушение. Продукты разрушения удаляются воздухом или жидкостью через зазор 38, расположенный между буровым снарядом и стенкой скважины. При падении напряжения в цепи до нуля магнитная сила соленоида 10 перестает втягивать поршень - боек 6, и дополнительный упругий элемент 8 отбрасывает поршень-боек 6, заставляя его совершать холостой ход. (фиг.2. А - верхнее положение электрода-бойка, А- нижнее положение электрода-бойка. Величина холостого хода ограничивается пневмо- или гидроцилиндром 13, жесткость которого определяет параметры ударного воздействия. Затем цикл повторяется. При этом электрическое воздействие на массив осуществляется непрерывно.
Частота ударов зависит от частоты тока в цепи и может быть подобрана так, чтобы удар наносился в момент, когда канал теплового пробоя 39 полностью образовался и термические напряжения достигли максимума в разрушаемом объеме породы.
в
0
В устройстве помимо кондуктивного ввода энергии в разрушаемый массив посредством коаксиально расположенных центрального 5 и периферийного 11 электродов предусмотрен коаксиально расположенный к центральному электроду 5 (бойку) магнитный диполь 17 для создания индуктивного высокоградиентного ввода электромагнитной энергии в разрушаемый массив. Магнитный диполь 17 соединен с накопителем энергии 20, который скоммутирован с источником энергии 2 и управляющим промышленным компьютером 21 через коммутатор 22 с высоковольтным мостом 23 и включается в момент верхнего положения А поршня-бойка 6, а выключается в нижнем положении А поршня-бока 6 при достижении сопротивления в канале электротеплового пробоя 39 выше сопротивления породообразующих минералов, т.е. при полной потере сплошности породы(деструкции).
2
5
2
y
p
В зависимости от физико-технических свойств горных пород выбирают параметры импульсного электромагнитного поля, создаваемого магнитным диполем 17 индукции магнитного поля В и упругих волн напряжений Fу, создаваемых механизмом 34 и соленоидом 10. Например, для магнетитовых железистых кварцитов индукция магнитного поля находится в пределах 1,5-5 Тл, длительность импульса - в пределах 100-300 мкс, частота следования импульсов - 1·10-5·10  Гц, а параметры упругих волн напряжений характеризуются амплитудой 150-250 МПа с частотой 0,5-2,5·10 Гц и длительностью 0,5-2 мс с выходом на максимум в пределах 1 мс. При воздействии на породу упругой волны напряжения сжатия, например, в виде полусинусоиды, фаза которой контролируется датчиком 24 - регистратором кинематических параметров упругих волн типа РКП-1Ш, амплитуда магнитного поля диполя 17 формируется положительными полуволнами тока генератора импульсов посредством высоковольтного диодного моста 23. При этом упругая волна напряжения сжатия и волна электромагнитного поля работают в одной фазе. В данном случае происходит направленное движение заряженных дислокаций на границах минеральных зерен, которое сопровождается дипольным взаимодействием расходящихся берегов субмикротрещин с внешним электромагнитным полем. При воздействии упругой волны напряжения растяжения на породу включают отрицательную полуволну тока магнитного диполя 17 от генератора импульсов (на фиг.1 совокупность позиций 20, 22, 23, 35, 17, 37). В этом случае 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, например, для железистых кварцитов на 3-4 порядка при высокоградиентом импульсном магнитном воздействии на разрушаемый массив, которое контролируется датчиком электросопротивления 36 промышленный компьютер 21 включает источник тока 2 кондуктивного ввода энергии в породу [3]. В результате чего происходит ослабление межзерновых связей с последующей диспергацией породы на участке одновременного воздействия электромагнитных упругих волн, а также импульс тока. Деструкция породы на этом участке вызывает увеличение электрического сопротивления на несколько порядков. После чего изменяют вектор индукции магнитного поля диполя 17 по сигналу с датчика сопротивления 36 посредством аналого-цифрового преобразователя 36, компьютера 21, исполнительного блока 28 с механизмом перемещения 35 и блока 29, подключенного к высоковольтному диодному мосту 23, обеспечивающего ориентацию вектора индукции по отношению к токовому (плазменному) каналу пробоя 39 в породе 1 и направлению распространения упругих волн напряжений (фиг.1). На фиг.3 изображена схема пространственного расположения магнитного диполя по отношению к забою, а также направление вектора магнитной индукции В по отношению к направлению тока J (низкотемпературному плазменному потоку) и направлению упругой волны напряжения F. Вектор индукции магнитного поля В ориентируют ортогонально к направлению тока J, протекающего между центральным электродом 5 (бойком) и периферийным электродами, и направлению распространения упругой волны напряжения. В результате этих воздействий возникают сдвиговые растягивающие напряжения F, приводящие к полной деструкции обрабатываемого участка массива. 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 породы при вышеуказанных режимах воздействия полей подтвержден экспериментально [3], [4].
Одновременное воздействие на слоистый массив железистых кварцитов импульсного электромагнитного поля и упругих волн напряжений приводит к повышению эффективности его разрушения (дезинтеграции) преимущественно по слоям с одной стороны и образованию микронарушений вокруг мономинеральных зерен магнетита с другой стороны, то есть за счет образования микронарушений по плоскостям спайности зерен происходит ослабление межзерновых связей. Разрушение железистых кварцитов по слоям происходит вследствие того, что весь слой магнетита в магнитном поле будет деформироваться в направлении, лежащем в плоскости слоя. Это явление обусловлено тем, что длинная ось монокристаллов, например, магнетита, в слоистых кварцитах преимущественно параллельна плоскости слоя или оси анизотропии массива. В результате между ферромагнитным (проводящим слоем) и вмещающими прослойками (непроводящими слоями кварца) возникают за счет сопутствующих эффектов и их совокупного действия (пьезо-, магнитострикционного, магнитоэлектрического, скин-эффекта) и в основном за счет пондеромоторных сил сдвиговые напряжения по границе зерен минералов. Отдельные зерна магнетита, контактирующие с кварцем, деформируются с частотой поля, и на их границах возникают напряжения. Прохождение упругих волн напряжений приводит к разрушению массива по слоям и границам между зернами магнетита и кварца.
При реализации изобретения с использованием вышеуказанных технических средств степень разупрочнения горной породы способствует снижению энергозатрат, повышению производительности и скорости бурения в 2-3 раза при значительном снижении металлоемкости оборудования.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 823572, Е21С 37/19, 1981.
2. Авторское свидетельство СССР № 823572, Е21В 71/15, 1982 (прототип).
3. В.Н.Анисимов. Взрывомагнитная деструкция кристаллических материалов (горных пород) различными импульсными динамическими волновыми воздействиями. Издание ВВИА имени профессора Н.Е.Жуковского, 2008 г., с.128.
4. В.Н.Анисимов. Мощные взрывомагнитные воздействия, их влияние на процесс деструкции и возникновение новых эффектов в кристаллических горных породах. Отдельный выпуск ГИАБ, Изд-во МГГУ, 2007 г., с.18.