ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ШПУРОВЫМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

УДК 629.069

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ШПУРОВЫМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

БАРСУКОВ ВЯЧЕСЛАВ ОЛЕГОВИЧ

Аспирант кафедры НТТМ, Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, Российская Федерация

Аннотация. В данной статье рассмотрены перспективы и основные преимущества применения электрогидравлического оборудования, а также предложен метод расчета энергии при электрогидравлическом расколе гранитных негабаритов посредством разряда в заполненном водой шпуре. Метод эффективен для монолитных объектов объемом до 2 м3. Цель работы - определение оптимальных условий разрушения объекта. К задачам относятся: обоснование механизма разрушения прочных монолитных объектов, подверженных электрогидравлическому удару; выявление основных закономерностей их разрушения; вычисление энергозатрат, сопутствующих разрушению объекта. Статья может иметь практический интерес для фирм, занимающихся разработкой электрогидравлического оборудования, научным сотрудникам, занимающихся развитием электрогидравлической и электроимпульсной технологий, а также специалистам, осуществляющих свою деятельность в области разрушения объектов высокой прочности в условиях ограниченной маневренности.

Ключевые слова: электрогидравлический эффект, разрушение негабаритов; альтернатива буровзрывному методу разрушения объектов; расчет энергозатрат, эффект Юткина.

На территории Российской Федерации осуществляются работы по добыче полезных ископаемых, прокладке тоннелей, забивке свай, расчистке территории от негабаритов и прочие, связанные с необходимостью производства работ по разрушению объектов высокой прочности. Одним из значимых факторов классических способов является интенсификация износа рабочих органов средств механизации [1, с. 136-140].

Технология разрушения прочных материалов, основанная на электрогидравлическом эффекте Юткина, имеет слабое распространение в промышленности, однако по мнению авторов статьи обладает рядом преимуществ перед аналогами, среди которых: низкое энергопотребление, минимальное воздействие на окружающую среду, отсутствие метания осколков и значительное уменьшение пылеобразования [2, с. 28-34].

Электрогидравлические установки могут быть широко распространенных на всей территории Российской Федерации выполняя работы по разрушению монолитных валунов, рециклинге строительного мусора и др. Объединение задач позволяет приблизиться к созданию многофункциональной электрогидравлической мобильной установке. Проведенные в данной статье исследования позволят расширить диапазон применения электрогидравлической технологии измельчения материала. Цель данной работы: разработка методики оценки эффективности разрушения гранитных валунов посредством шпурового электрогидравлического метода [3, с. 209-213; 4 с. 38-41].

Метод электрогидравлического разрушения монолитных объектов основан на воздействии ударной волны в жидкости, залитой в предварительно пробуренный шпур. Ударная волна образуется в жидкости при импульсном электрическом разряде и вызывает сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу. Достоинства метода заключаются в отсутствии: пылеобразования; разброса осколков; сейсмических воздействий на расположенные вблизи объекты, а также в отсутствии теплообмена со средой [5, с. 13-20; 6, с. 23-25].

Разряду в шпуре предшествует накопление энергии на блоке конденсаторов, входящем в состав импульсного источника тока. При достижении критического значения происходит пробой в разрядном промежутке. Из-за резкого увеличения сопротивления ток падает до нуля, не успев достигнуть хоть сколько-нибудь значительной величины (паузы тока), а все напряжение, практически равное напряжению заряда конденсаторной батареи, прикладывается к разрядному промежутку. Через образовавшийся ионный тоннель происходит разряд, в результате которого возникает ударная волна [7, с. 191-196].

Накладной груз Q

Гидравлическая пробка

Рабочий электрод

Г1ситель , колебаний

Рис. 1 - Рабочий разрядник, установленный в шпур

В опытах по выведению закономерностей образования и распространения трещин применяется высокопрочный материл - гранит. Обоснование механизма разрушения хрупкого материала содержится в теории Гриффита, показывающей, что распространение трещин в твёрдом теле начинается при достижении критических напряжений а в объекте воздействия, причем перпендикулярно к направлению действующих напряжений (рис. 2) [8, с. 145-150].

Рис. 2 - Схематическое представление теории Гриффита

Создание критических напряжений о происходит путем подведения энергии к объекту воздействия. Для каждого разрушаемого объекта, встречаемого в природе, ввиду

вариативности его структуры и состава рассчитывается своя удельная поверхностная энергия разрушения, которая определяется опытным путем е,кДж/м2 [9, с. 221-225; 10, с. 70-81]:

е = кДж/м2,

где W0 - энергия, запасенная на конденсаторах, кДж; 5 - суммарная площадь вновь образованных в результате разрушения объекта поверхностей.

= кДж,

где С - емкость конденсаторов, мкФ; и - напряжение на конденсаторах. Соответственно, требуемая энергия для разрушения негабарита определяется, как:

ЖТреб = 5-е, кВ.

Значение необходимого количества разрядов для полного разрушения негабарита округляется до следующего целого значения и вычисляется по формуле:

^треб

WT

п =

Wa

Определение оптимальной глубины бурения шпура возможно при анализе общей площади новообразованных плоскостей. В зависимости от этого параметра изменяется характер разрушения негабарита. В совокупности с проведенной серией опытов по разрушению объектов с центровыми отверстиями появляется возможность определить данный показатель.

Совместно с «СТМ-групп» была произведена серия опытов, анализ результата которых позволил добиться цели исследования. Схема работы установки изображена на рис. 3. В заранее пробуренный шпур помещается рабочий разрядник. Посредством пульта управления задается режим работы. Контур заземления обеспечивает безопасность при проведении

работ.

Рис. 3 - Схема работы ЭГУ [11, с. 771-783]

Серия опытов по исследованию характера разрушения гранитных валунов в зависимости от глубины бурения шпура показала, что оптимальным считается бурение на величину, равную 4/5 высоты негабарита при центровом размещении шпура. Отмечены следующие особенности разрушения валунов:

- при инициации разряда в шпуре глубиной более 4/5 толщины материала разрушается посредством выбивания дна с характерной конусностью 120°;

- при инициации разряда в шпуре менее 4/5 толщины материала монолит раскалывается на три схожих по массе куска (без учета конусообразного дна);

- эффективное раскалывание происходит при заполнении шпура рабочей жидкостью выше области разряда на 20 мм.

Схемы распространения трещин отображены на рисунке 4. Закономерность направления векторов раскола относительно друг друга отмечено Л. А. Юткиным. Как правило, угол новообразованных граней принимает значения 120

Анализ оптимальной глубины шпура производится с учетом площади новообразованных в результате электрогидроудара плоскостей. Негабарит разрушается на 4 части, 3 из которых имеют мало отличающиеся друг от друга грани, рассчитываемые, как сумма простейших фигур. 4-е тело имеет форму конуса. Было установлено, что оптимальная глубина шпура должна составлять 4/5 от высоты негабарита.

1200

771-783]

Позицию шпура следует выбирать исходя из соображений равноудаленности от граней объекта. Говоря о нецентровом расположении шпура, отмечается стремление распространения одной из трещин по кротчайшему пути. При этом угол между векторами распространения трещин изменится. Бурение шпура в непосредственной близости с гранями объекта чревато выкрашиванием материала (рисунок 5).

Рис. 5 - Разрушенный образец №4 [12, с.132-136]

При проведении испытаний по разрушению гранитных валунов массой от 125 до 132 кг было выявлено количество энергии для дробления негабаритов. Так, разрушение приведенного на рисунке объекта посредством ЭГУ, чьи параметры приведены в таблице 1, при C = 0,16 мкФ; U = 25 кВ; площадью образовавшихся граней S = 0,32 м2, выделяется энергия, W = 5 кДж что соответствует удельной поверхностной энергии разрушения при электрогидроударе e=15,8 кДж/м2 (формулы 1-3).

Таблица 1. Технические характеристики ЭГУ

Потребляемый ток от сети 32±5 А

Тип питания Трехфазная пятипроводная сеть переменного тока (3Ф+N+G) напряжением 380±38 В и частотой 50 Гц.

Рабочее напряжение до 50 кВ

Номинальная потребляемая мощность 12 кВт

Емкость блока конденсаторов 16 мкФ

Рис. 6 - Разрушенный образец №3 [12, с.132-136]

Таким образом, после проведения серии опытов по разрушению монолитных объектов на требуемом участке становится возможным определение эффективности применения электрогидравлической технологии на требуемом фронте работ и оценить ее применение относительно альтернативных способов разрушения высокопрочных объектов. Ранее было известно о возможности разрушения прочных монолитных объектов посредством электрогидравлического удара в шпуре с водой. Однако, данных в существующей литературе не было достаточно для проведения оценки эффектив\ ности упомянутого метода. Приведенные в статье особенности дробления монолитных объектов теоретически обоснованы и позволяют прогнозировать форму новообразованных кусков и энергетические затраты при шпуровом электрогидравлическом разрушении грунтов. Вдобавок, выявлена тенденция распространения трещин, а также наложен ряд ограничений на расположение и размеры шпура.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов, Н. А. и др. Шпуровое разрушение горных пород и бетона //Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2012. - Т. 321. - №. 2. - С. 136-140.

2. Барсуков, В. О. Инновационные методы проведения работ по демонтажу зданий и сооружений с применением электрогидравлического оборудования / В. О. Барсуков, Р. Р. Букиров, П. В. Васильева // Актуальные проблемы современного строительства : Материалы LXXIV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 2-х частях, Санкт-Петербург, 05-G9 апреля 2G21 года. Том Часть 2. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2G21. - С. 2В-34. - EDN EKPKHA.

3. Барсуков, В. О. Применение электрогидравлического эффекта для работ в условиях карьера / В. О. Барсуков // Проблемы функционирования систем транспорта : материалы Всероссийской (национальной) научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Тюмень, 02-G4 декабря 2G2G года. - Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2G2G. - С. 2G9-213. - EDN PRDDCG.

4. Барсуков, В. О. Электрогидравлическая установка для разрушения валунов и монолитных конструкций при производстве строительных работ / В. О. Барсуков, С. В. Репин, И. И. Воронцов [и др.] // Грузовик. - 2022. - № 4. - С. 3В-41. - EDN JKHBVX.

5. Барсуков, В. О. Обеспечение безопасной эксплуатации передвижной электрогидравлической установки для дробления монолитных объектов / В. О. Барсуков, С. В. Репин // Современное состояние безопасности на транспорте и перспективы ее совершенствования : Материалы межвузовской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, Петергоф, 2G апреля 2G22 года. - Санкт-Петербург, Петергоф: Военный институт (инженерно-технический) - структурное подразделение Федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего образования "Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В.Хрулева" министерства обороны Российской федерации, 2G22. - С. 13-20. - EDN HLCQYO.

в. Барсуков, В. О. Расчёт энергозатрат установки для электрогдравлического разрушения монолитных объектов / В. О. Барсуков, С. В. Репин, А. В. Зазыкин [и др.] // Строительные и дорожные машины. - 2022. - № 6. - С. 23-25. - EDN UBEINK.

7. Мартынович, А. А. Ректор ТПИ АА Воробьев - изобретатель электроимпульсного способа разрушения горных пород // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2013. - Т. 322. - №. 2. - С. 191-19в.

В. Франц, В. В. Моделирование и исследование фрактальных характеристик трещиноватости для прогноза прочности и устойчивости породного массива при сдвиге [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 25.GG.2G: защищена 2G.G6.2G17: утв. G4.G5.2G17 / Франц Владимир Владимирович. - Екатеринбург, 2G17. - 156 с. - Библиогр.: с. 145-150. -201в14в133.

9. Kochanov A.N. (2015). Cracks in a solid for example rocks. Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 7, 221-225.

10. Kuznetsova, V. N. (2019). Physical modeling of the contact process interactions of the working body of the digging machine with frozen soil. Vestnik Tomskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Matematika i Mekhanika, (в1), 70-В1. doi: 10.17223/199ВВв21/в1/7.

11. Репин, С. В. Инновационный способ утилизации отходов монолитных строительных конструкций / С. В. Репин, А. С. Афанасьев, В. Н. Добромиров, В. О. Барсуков // Устойчивое развитие горных территорий. - 2023. - Т. 15, № 3(57). - С. 771-7В3. - DOI 10.21177/199В-4502-2023-15-3-771-7В3. - EDN GSETFG.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Impact Factor: SJIF 2021 - 5.81 TECHNICAL SCIENCES

2022 - 5.94

12. Мартынов, Н.В. Электрогидравлическая технология разрушения монолитных объектов / Н. В. Мартынов, В. Н. Добромиров, В. О. Барсуков, Д. В. Аврамов // Горная промышленность. - 2021. - № 2. - С. 132-136. - DOI 10.30686/1609-9192-2021-2-132-136. -EDN TCIRMO.