Процессы и технологии на основе электроимпульсного разрушения материалов

/52 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 3 (45) УДК 504.064.4

Процессы и технологии на основе электроимпульсного разрушения материалов

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2015

Н.И. Бойко, В.А. Одарюк, A.B. Сафонов

Аннотация

Приведен анализ электроимпульсного метода разрушения материалов в сравнении с традиционными механическими методами, установлен ряд преимуществ электроимпульсных технологий: эффективность дезинтеграции горных пород, экономическая эффективность метода. Он обеспечивает безопасное разрушение валунов, устраняет отходы, накапливающиеся на этапах производств бетона, железобетона. Указаны основные недостатки существующих механических методов и основные требования, предъявляемые к новым электроимпульсным методам бурения.

Ключевые слова: электроимпульсные технологии разрушения материалов; дезинтеграция материалов; бурение скважин; отходы строительных производств; отбойная порода; бурение; колонковое, роторное бурение.

Processes and Technologies Based on Electropulse Destruction of Materials

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2015

N. Boyko, V. Odaryuk, A. Safonov

Abstract

The authors give analysis of electropulse method of materials destruction (innovative project) compared to the traditional mechanical methods in comparable application conditions, the number of advantages of electric pulse technology are set: effectiveness in disintegration of rocks, accompanied by the economic effectiveness of the implemented method; the use of electropulse drilling of materials settles the problem of safe destruction of boulders and also eliminates the waste that accumulates in all stages of concrete and reinforced concrete production. In addition, the authors indicate the main shortcomings of existing mechanical methods and basic requirements to the new electropulse drilling methods.

Key words: еlectropulse technology of materials destruction; disintegration of materials; drilling of wells; construction industry waste; pneumatic rock; drilling; coring, rotary drilling.

Физической основой электроимпульсных методов разрушения материалов является использование разрушающего действия электрических разрядов в твердых телах. Физический механизм способа разрушения за счет напряжений разрыва дает возможность достижения более низкой энергоемкости разрушения в сравнении с традиционными способами (в сопоставимых по применению условиях). Энергетическая эффективность разрушения мало определяется механической прочностью пород, благодаря чему наибольший технико-экономический эффект его применения достигается на особенно прочных горных породах [1—3]. При дезинтеграции руд обеспечивается высокоселективное разрушение материала с максимальным отделением зерен полезных минералов от вмещающей породы, что способствует полноте извлечения полезных минералов и комплексному использованию минерального сырья, созданию экологически чистых производств с полной утилизацией компонентов минерального сырья и побочных продуктов его переработки [4—6].

В настоящее время для бурения скважин используют в основном механические способы, в которых подвод энергии к породоразрушающему инструменту и, соответственно, к забою осуществляется за счет вращения, удара, вибрации, инициируемых с поверхности земли, т. е. через колонну труб. К этим методам следует отнести шнековое, колонковое, роторное, турбинное, электро-сверлильное, а также ударно-канатное, ударно-штанговое, ударно-дробовое бурение и другие. В любом из этих методов используется породоразрушающий инструмент (буровые коронки), стойкость которого определяет количество спу-ско-подземных операций и, соответственно, скорость проходки скважин.

К основным недостаткам этих способов бурения следует отнести:

резкую зависимость скорости бурения от крепости горных пород;

особенно резкое снижение эффективности разрушения по скальным породам и мерзлым грунтам;

низкую стойкость буровых коронок, особенно при бурении твердых пород (твердосплавные коронки, алмазные коронки и т. д.), стоимость которых достаточно высока, и их смена существенно снижает общую скорость бурения скважин;

невозможность концентрации на забое больших мощностей;

высокую энергоемкость процесса бурения; разрушение производится при значительном давлении инструмента на породу, что сопровождается значительными потерями энергии в области неупругой деформации и на трение, образование при разрушении породы тонкодисперсного шлама (продуктов разрушения); кроме того, для осуществления процесса необходимо вращать всю буровую колонну, что также требует расхода электроэнергии.

Основные требования к новым методам разрушения (бурения) горных пород могут быть сформулированы следующим образом [7]:

1) бездолотное разрушение горной породы, устраняющее ограничения, накладываемые стойкостью породоразрушающего инструмента, и отсутствие вращающихся элементов в системе «породоразруша-ющий инструмент — буровая колонна», исключающее потери энергии с трением;

2) импульсные нагрузки на горные породы, обеспечивающие менее энергоемкое, хрупкое разрушение породы и позволяющее создавать высокие напряжения в породе при ограниченных запасаемых энергиях в импульсе;

3) минимальное разрушение породы при бурении, т.е. обеспечение дискретного регулируемого разрушения, устраняющего затраты энергии на переизмельчение продуктов разрушения;

4) создание условий, при которых порода нагружается усилиями растяжения или сдвига, т. к. прочность пород при таких нагрузках на порядок ниже, чем при усилиях сжатия;

5) возможность концентрации мощности на забое и управления процессом.

Большинству из этих критериев отвечает электроимпульсный способ (ЭИ) бурения скважин, что связано с его физическими основами. Инструментом разрушения при ЭИ-способе является электрическая импульсная искра, сформированная в толще горной породы между электродами, наложенными на ее поверхность. Энергия импульса передается на рабочий снаряд (коронку) из поверхности земли или из источника импульсов, собранного внутри буровой трубы, расположенной над рабочим снарядом. Динамическое поле механических напряжений в горной породе возбуждается ударными волнами, вызванными переменным во времени давлением в канале разряда. В результате при достаточной энергии импульса происходит отрыв части горной породы, расположенной над каналом разряда. Главными узлами буровых снарядов являются буровые наконечники, колонна буровых труб и высоковольтные выводы.

В производственных условиях апробированы опытные установки; бурение взрывных скважин в подземных выработках («Апатит», «Ковдорслюда»), для сооружения траншей, котлованов; пассировка блоков природного камня под механический распил («Мончегорский карьер»); выделения кристаллов драгоценных камней из вмещающих пород 21 экспедиция Мингео, Малышевское рудоуправление); выделения кристаллов слюды из вмещающих пород («Ковдорслюда»); разделение крупногабаритных (до 600—1000 мм) слитков синтетической слюды (Всероссийский научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья (ВНИИСИМС)). Для оценки перспективности способа было пробурено несколько скважин, глубиной до 14,5 м в условиях Крайнего Севера (Магаданская обл.) при температурах окружающего воздуха — 47—53 °С. Диаметр буровой коронки составлял 200 мм, параметры генератора импульсного напряжения (ГИН): амплитуда импульса 600 кВ, энергия 1,125 кДж. В качестве промывочной жидкости использовалось арктическое ди-

/54 ^П SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 3

зельное топливо. Специальный буровой наконечник радиально-тангенциального типа диаметром 530 мм, что показало возможность бурения скважин большого диаметра. Это направление также перспективно на данном этапе развития электроимпульсного бурения, т.к. потребность, например, для создания вентиляционных шахт, рудосбросов и др. достаточно велика. Такие опытные скважины бурились в крепких оквар-цованных песчаниках. Так, при диаметре бурового наконечника 600 мм и размерах рабочих промежутков 120—150 мм была пробурена скважина, глубиной 9 м. При этом энергия импульса составляла 5,5 кДж. В настоящее время с целью расширения областей использования электроимпульсного способа бурения проводится поиск промывочных жидкостей, которые могут заменить дизельное топливо. Именно в перспективной возможности бурения вентиляционных шахт и тоннелей без разрушения основного массива породы и заключается применение данного метода для Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России). В случае аварии на шахте и известном местоположении выживших горняков появляется возможность точечно пробурить воздушный канал, либо канал для спуска пищи и воды.

С использованием электроразрядных технологий разрешается проблема безопасного разрушения крупных валунов в осложненных условиях их проведения (инновационный проект). Крупные валуны забивают выпускные отверстия при добыче руд в системах этажного обрушения. Для МЧС России данная технология применима при крупнообломочных оползнях в горных районах, когда отсутствует возможность перемещения крупных обломков пород, либо их подрыва.

Применяемый способ разрушения валунов взрывом накладного заряда кроме непосредственной угрозы безопасности работ влечет значительные экономические потери из-за остановки шахты на период ведения взрывной работы и проветривание выработки, а также в связи с выходом из строя и невозможности эксплуатации отдельных выпускных отверстий с потерей части отбитой породы. Предлагается подобные задачи решать, комбинируя электроимпульсное бурение шпура и последующее электрогидроимпульс-ное разрушение блока. Технологическая схема электроимпульсного бурения шпура может быть подобна разработанной ранее для бурения веера скважин для подземной добычи руд и экспериментально опробованной на Кировском руднике и руднике «Ена». Но поскольку речь идет о бурении в блоке шпура глубиной не более 1 м, проблема создания надежной конструкции электроимпульсного бурового устройства значительно упрощается. Сейчас в России имеется несколько вариантов установок для электрогидро-импульсного разрушения блоков горной породы и строительных конструкций, которые по техническим возможностям соответствуют задаче разрушения блоков размером до 1,5— 2 м. Блочное исполнение

элементов ЭИ-установок позволяет доставлять их в труднодоступные места для выполнения незначительных по объему, но требующих специфичных технологических эффектов работ (например, бурение скважин под анкера крепления опор линий электропередач (ЛЭП) на скальном гористом массиве и т.п.). Раздельное размещение блоков энергетического и технологического обеспечения процесса допускает возможность создавать автономно работающие буровые комплексы на дне моря, в недрах Земли и пр.

По мере увеличения объема производства бетона, железобетона и повышения требований к их качеству происходит накопление отходов на всех этапах строительного производства. Ежегодно выпускается около 260 млн м3 сборного и монолитного бетона и железобетона, при этом некондиционная часть по ориентировочным оценкам составляет около 2,0—2,5 млн м3.

Источниками отходов являются также железобетонные изделия (ЖБИ) сносимых, разбираемых или реконструируемых зданий и сооружений, автодорожных покрытий. Переработка этих отходов позволяет вернуть металлическую арматуру и минеральное сырье в производство, решить ряд дополнительных экологических проблем (освобождение земельных угодий и пр). Сложность проблемы разрушения железобетона с целью повторного использования всех без исключения компонентов заключается в том, что бетон необходимо полностью отделить от арматуры. При этом условии металл может быть пригоден для переплавки, а щебень — для повторного использования в производстве. Электроимпульсная технология, таким образом, может быть построена как безотходная, причем арматурный каркас для изделий без переработки может использоваться повторно по прямому назначению, так же, как и закладные детали. На базе разработок НИИ ВН (Обособленное структурное подразделение «Научно-исследовательский институт высоких напряжений» Томского политехнического университета) (г. Томск) с участием НИИ ЖБ (Научно-исследовательский институт бетона и железобетона) (г. Москва) разработана рабочая документация на опытные образцы установок для разрушения некондиционного железобетона. Созданы макетные образцы стационарных и передвижных (на железнодорожном ходу) установок. Проведены испытания полномасштабных макетных установок на номенклатуре ЖБИ предприятий стройиндустрии. Реальный процесс разрушения ЖБИ означает постепенное обнажение арматуры и может осуществляться только в режиме электрического пробоя с внедрением разряда в бетон при наличии и альтернативной возможности перекрытия по поверхности на обнаженную арматуру. При этом необязательно, чтобы в каждом акте пробоя бетон касался пробоя.

При использовании «гребенки» высоковольтных электродов, расположенных на полную ширину разрушаемого изделия, осуществляется обработка и освобождение арматуры в изделиях с двухслойным армированием. Степень разрушения составляет 90...95 %, в изделиях с двухслойным армированием,

с однослойным армированием — 100 %. Металлический каркас после незначительной правки пригоден к повторному использованию.

Основным фактором, определяющим удельные затраты энергии (и производительность установки), является степень насыщения изделий арматурой. Так, для изделий с однослойной арматурой-сеткой энергозатрты составляют ~ 2 кВт-ч/м3; для изделий с объемным двухслойным каркасом ~ 8 кВт-ч/м3.

При свойственной электроимпульсным технологиям высокой технологической эффективности его масштабному применению препятствуют ряд объективных технико-экономических и субъективных факторов. Дальнейшее развитие этих работ выводит на такие процессы, как:

добыча и обработка природного камня и, в первую очередь, уникального декоративного камня (в том числе вырезка заготовок архитектурных форм);

зачистка скальных оснований под сооружения при строительстве объектов на суше и под водой (гидротехнические сооружения, дноуглубительные работы под газо- и нефтепроводы), проведение взрывных работ;

отбор проб материала с геологических обнажений, поверхности горных выработок, с бетонных контейнеров захоронений радиоактивных и химических отходов;

очистка поверхностей массива и блоков от поверхностного радиоактивного и химического загрязнения; проходка отрезных щелей с целью ограничения воздействия на массив взрывной отбойки при сооружениях различного назначения [8].

Сложность проблемы разрушения железобетона с целью повторного использования всех без исключения компонентов заключается в том, что бетон необходимо полностью отделить от арматуры, при этом условии металл может эффективно работать (в Армении, в г. Спитак после землетрясения), что позволяет эффективно утилизировать большие объемы завалов на завершающей стадии разбора завалов [7]. Таким образом, электрическая импульсная искра является достаточно универсальным рабочим инструментом для обработки различных конденсированных сред и их композиций. Однако коммерческая целесообразность ее использования имеет ряд ограничений на современном уровне развития этой технологии. Так, электроимпульсные технологии достаточно энергоемки, в связи с тем, что только 10—20 % энергии, запасаемой в генераторе, может быть переведено в ударную волну. Кроме того, аппаратурное оформление значительно сложнее, чем традиционные механические устройства. Поэтому применение электроимпульсных технологий коммерчески обосновано, главным образом, при использовании их уникальных свойств.

ВЫВОДЫ

При сравнении технологических возможностей установлены преимущества электроимпульсного метода над традиционными механическими методами разрушения материалов:

наиболее высокий его технико-экономический эффект достигается на прочных горных породах, т.к. энергетическая эффективность разрушения мало критична к механической прочности пород;

обеспечение высокоселективного разрушения материала с максимальным отделением зерен полезных минералов от вмещающей породы, полнота извлечения полезных минералов и комплексное использование минерального сырья, экологическая чистота производств и полная утилизация компонентов минерального сырья и побочных продуктов его переработки;

минимальное разрушение породы при бурении, обеспечение дискретного разрушения, устраняющего затраты энергии на переизмельчение продуктов разрушения;

С использованием электроразрядных технологий разрешается проблема безопасного разрушения крупных валунов в осложненных условиях их проведения (инновационный проект). Крупные валуны забивают выпускные отверстия при добыче руд в системах этажного обрушения. Применяемый способ разрушения валунов взрывом накладного заряда кроме непосредственной угрозы безопасности работ влечет экономические потери из-за остановки шахты на период ведения взрывной работы.

Предлагается подобные задачи решать, комбинируя электроимпульсное бурение шпура и последующее электрогидроимпульсное разрушение блока горных пород.

Раздельное размещение блоков энергетического и технологического обеспечения процесса допускает возможность создавать автономно работающие буровые комплексы на дне моря, в недрах Земли.

Переработка отходов — бетона, железобетона, расположенных на всех этапах строительного производства, с использованием электроимпульсных технологий позволяет вернуть металлическую арматуру и минеральное сырье в производство, решая при этом ряд экологических проблем, связанных с охраной окружающей среды (загрязнением воздуха, почвы, грунтовых и поверхностных вод). Только при полном отделении бетона от арматуры металл может быть пригоден для переплавки, а щебень — для повторного применения в производстве. Электроимпульсная технология в этом случае используется как безотходная.

В интересах МЧС России могут быть использованы следующие из перечисленных технологических процессов, выполняемых с применением электроимпульсных технологий:

1. В перспективе безопасное бурение воздуховодов и каналов для снабжения заблокированных шахтеров.

2. Безопасное разрушение крупных валунов в осложненных условиях.

3. Разбор и утилизация крупных завалов жилой застройки.

Разрушение валунов взрывом накладного заряда влечет не только угрозу безопасности работ, но и значительные экономические потери в связи с оста-

/56 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 3

новкой шахты на период ведения взрывных работ. Подобные задачи решаются комбинацией электроимпульсного бурения шпура и последующим элек-трогидроимпульсным разрушением блока шпура, в котором проходит бурение.

3. Переработка образующихся отходов производств из бетона, железобетона и пр., загрязняющих окружающую среду — воздух, почву, грунтовые и поверхностные воды, с применением электроимпульсных технологий позволяет вернуть металлическую арматуру и минеральное сырье в производство, решить ряд экологических проблем (освобождение земельных угодий, предупреждение загрязнения окружающей среды).

Литература

1. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии». Л.: Наука, 1987. 179 с.; Барнаул: Изд. Алтайского гос. техн. унта, 2000. 160 с.

2. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 1995. 276 с.

3. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 324 с.

4. Усов А.Ф. Перспективы технологий электроимпульсного разрушения горных пород и руд // Известия РАН: Энергетика. 2001. № 1. С.54—62.

5. Усов А.Ф., Щеголев И.А., Адам В.М. Перспективные процессы для камнедобычи и камнепереработки на основе электроимпульсного способа разрушения материалов // В кн. Добыча, обработка и применение природного камня. Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 129 —149.

6. Усов А.Ф. Новые процессы и технологии на основе электроимпульсного способа разрушения материалов // Наука Москвы и регионов. 2002. № 2. С. 52—61.

7. Гладков В.С., Усов А.Ф. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения материалов источниками высоковольтных импульсов // Вестник НТУ ХПИ. Харьков, 2004. Вып. 35. С.143.

8. Усов А.Ф., Щеголев И.А., Адам В.М. Перспективные процессы для камнедобычи и камнепереработки на основе электроимпульсного способа разрушения материалов // В кн. Добыча, обработка и применение природного камня. Магнитогорск: МГТУ, 2002. С. 129 —149.

Сведения об авторах

Бойко Николай Иванович: ФГБУ ВНИИГОЧС (ФЦ), нач. отд.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: nikolai.58@list.ru

Одарюк Виктория Андреевна: к. х. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: odaruk40@mail.ru SPIN-код — 1194-2887.

Сафонов Алексей Владимирович: ФГБУ ВНИИГОЧС (фЦ), м. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: safa2004@mail.ru SPIN-код — 4911-1783.

Information about authors

Boyko Nikolay I.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Department Head.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: nikolai.58@list.ru

Оdaruk Victoria А.: Ph.D. in Chemistry, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Senior Researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: odaruk40@mail.ru SPIN-scientific — 1194-2887.

Safonov Alexey V.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Junior Researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: safa2004@mail.ru SPIN-scientific — 4911-1783.