Разрушение горных пород в стоячей электромагнитной волне

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Цель работы: определять для отбойки за время рабочее тело в массив породы на определенную глубину.

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) начинается с частоты 300 МГц волны в воздухе 1 м) и простирается до 3 • 10¹¹ Гц (длина вол- дог1 мм). Начиная с диапазона СВЧ энергия передаетсяпороде бесконтактно. При вводе электромагнитныхволн в диэлектрические породы электромагнитная волна проходит на большое расстояние без значи­тельного затухания, поэтому рабочее тело имеет малую концентра­цию энергии и не может разрушать породу. Для диэлектрических пород требуется применить электромагнитные волны более высоких частот. В полупроводниковых породах электромагнитные волны СВЧ затухают на малом расстоянии х, согласно выражению что приводитк формированию рабочего тела на поверхности породы. Этообеспечивает поверхностное разрушение породы. Представляет интерес объемное разрушение породы, при котором используются свойства электромаг­нитных волн.

Разрушение горных пород в стоячей электромагнитной волне

Электромагнитную волну вводят в кусок породы, а с противополож­ной стороны куска размещают экран так, чтобы вектор напряженности электрического поля был направлен перпендикулярно к его поверхнос­ти. В этом случае от экрана отражается падающая на него волна, которая, складываясь с прямой, создает в куске породы стоячую волну. Стоя­чая волна образуется в породах, у которых tgσ находится в пределах 0,3 > tgσ > 0. В породах tgσ > 0,3 стоячая волна не образуется, так как прямая волна затухает в куске породы не доходя до экрана, в породах с заметным поглощением электромагнитной энергии, т.е. с tgσ ≈ 10^-2, стоячая волна характерна тем, что амплитуда пучностей убы­вает от входа прямой волны в глубь породы. Для устранения потерь энергии необходимо, чтобы поверхность породы не нагревалась, не изменялась электропроводность и соответственно поглощающая спо­собность породы на поверхности. Для выполнения этого условия стоя­чую волну устанавливают так, чтобы на поверхность куска породы при­ходился узел стоячей волны. Для прохождения падающей волны без значительных потерь следует применять частоты, обеспечивающие ус­ловие:

х =nD, (1)

где п > 1 — определяет прохождение электромагнитной волнычерез кусок

D- размер породы.

Подставив в формулу (1) значение х из выражения (x=ln[2N∙α/(σ∙g_нE_o²)^-1]/2α), получим

2nDα = ln () (2)

Воспользуемся разложением Тейлора и ограничимся первымчленомразложения: ln В= (В - 1)/В. При этом получим

α = [2^nD + 2N/(SgE²_o)]^-1 (3)

Используя значение α из выражения, определим требуемую частоту электромагнитной волны

f= 2π(2nD + ) (4)

В пучностях стоячей волны образуется тела, размеры которых составляют около 1/8 длины волны. Они располагаются на расстоянии ½ длины волны в данной породе. Отметим, что если куски породы имеют неправильную форму, то стоячая волна в строгом физическом понимании не устанавливается из-за отражения падающей волны от поверхности куска породы в различных направлениях. В таких условиях образоваться искаженная, несимметричная стоячая волна, с нерегулярным расположением пучностей и соответственно — рабочих тел. В связи с этим, при выборе направления ввода прямой волны в породу учитывают расположение противоположных поверхностей куска породы. В оптимальном случае в куске породы, размером D образуется число рабочих тел п = 2D/λ где λ = с_f/μє) - длина волны в породе; с_f – скорость электромагнитной волны в воздухе; є и μ — относительные значения соответственно диэлектрической и магнитной прони­цаемости породы. Рабочие тела при расширении разрушают кусок поро­ды. Поскольку в куске породы расположено несколько рабочих тел, то он дробится на много мелких частей. Для расчета дробления кус­ка породы можно воспользоваться методом, полагая, что каждое рабочее тело разрушает часть объема первоначаль­ного куска породы при этом объем каждой части равен:

Используя выражение, можно определить величину среднего куска D до требуемого, размером d, после чего вычисляют производительность дробления и энергоемкость. Рассмотренный расчет разрушения породы в стоячей волне будет весьма приближенным, поскольку при нагревании рабочего тела происходит изменения свойств и поглощающей способности породы, что затрудняет определение аналитическим способом точные значения производительности и энергоемкости. Более точное определения можно выполнить с применениям ЭВМ. Приближенное аналитическое решения имеет то преимущество, что показывает влияние на процесс разрушения свойств породы и параметров.

Наиболее приемлемыми генераторами для разрушения горных пород являются магнетроны, излучающие электромагнитную волну длиной около 1 м в воздухе. Магнетроны характеризуются высоким к.п.д (до 85 %) преобразования энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных волн. Принцип работы магнетрона основан на разгоне и торможении электронов в постоянном электричес­ком поле, причем для управления движением электронов применяется постоянное магнитное поле, направление которого перпендикулярно к вектору электрического поля. Для разрушения кусков породы в стоя­чей волне мощность генератора должны быть порядка 50 кВт, при этом энергоемкость разрушения равна 3-7 МДж/м³, а производительность установки - до 30 м³/ч. Для устранения утечек электромагнитного излучения в окружающее пространство разрушаемый кусок породы пол­ностью экранируют на время его разрушения СВЧ излучением, например металлической сеткой. Для регулирования фракции кусков после каж­дого акта дробления стоячую волну в куске породы смещают, что поз­воляет смещать рабочие тела и получать более мелкое дробление. Сме­щение стоячей волны производят посредством перемещения генерато­ра с излучателем или экранов относительно куска породы. Этот способ целесообразно применять для диэлектрических пород, типа гранита, известняка и т.п., поскольку в таких породах устанавливается симметричная стоячая волна и при нагревании таких пород в пучности стоячей волны увеличивается поглощение электромагнитной энергии, образуются рабочие тела с высокой концентрацией энергии, позволяющие получить высокую производительность и низкую энергоемкость разрушения породы.