СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1997 года по МПК E21C37/18 

Изобретение касается разрушения горных пород, искусственных твердых материалов (например, бетона, керамики и др.) электрическими импульсными разрядами.

Известен способ раскалывания полезных ископаемых при помощи электрического тока [1] при котором между электродами, приложенными к горной породе, создают электрический импульс высокого напряжения.

Недостатком этого способа является низкая эффективность разрушения.

Известен также взятый за прототип способ бурения горных пород электрическими разрядами электроимпульсный способ [2] При этом способе бурения скважина заполняется (промывается) жидкостью (трансформаторным маслом, дизельным топливом и др.), электрическая прочность которой превышает электрическую прочность твердого диэлектрика, т. е. горной породы. В скважине к забою плотно прижимают, например, два электрода и подают импульсы напряжения с крутым фронтом при очень малом времени воздействия каждого импульса (1•10^-6 c и менее). В этом случае разряд проходит через твердое тело. Электрический пробой сопровождается разрушением породы.

Недостатком этого способа является его низкая эффективность, т.к. в нем не предусмотрена возможность оптимизации процесса разрушения (пробоя) горной породы, с чем связана эффективность бурения.

Основной технической задачей предложенного способа является повышение эффективности разрушения горных пород и искусственных материалов, помещенных в жидкость, электрическими импульсными разрядами. Эффективность разрушения горных пород высоковольтным импульсным разрядом возрастает при увеличении расстояния между электродами, но при этом увеличивается время нарастания напряжения до пробоя (t_пр > 1•10^-6 c), что при реализации условий прототипа приводит к снижению вероятности внедрения канала пробоя в горную породу. Предложенный способ позволяет устранить этот недостаток, в результате чего эффективность разрушения повышается в 1,3 раза.

Поставленная цель достигается тем, что в способе разрушения горных пород электрическими импульсными разрядами электрические импульсы подают на электроды, установленные на горной породе, а электрические разряды осуществляют в этой породе под слоем жидкости, согласно которому время нарастания напряжения электрических импульсов до пробоя выбирают из условия:
t_пр ≅ 2•10^-6•S^0,3, c
где t_пр время нарастания напряжения до пробоя, с;
S расстояние между электродами, см.

На фиг. 1 показано изменение вероятности внедрения канала пробоя в диэлектрик ψ от времени нарастания напряжения в трансформаторном масле для разных расстояний между электродами; на фиг.2- изменение времени нарастания напряжения до пробоя в зависимости от расстояния между электродами для максимальной вероятности внедрения канала пробоя в горную породу.

Способ разрушения горной породы и искусственных материалов осуществляется следующим образом.

Электроды, например два стержня, устанавливаются на поверхности горной породы фельзит-порфира. Расстояние между электродами 1,0 см. Один электрод заземляется, а на другой подается импульс высокого напряжения амплитудой 200 кВ и с временем нарастания напряжения до пробоя 2,0•10^-6 c. Происходит внедрение канала пробоя в горную породу, в результате чего канал пробоя создает разрушающее воздействие на горную породу. Разрушенная горная порода удаляется потоком жидкости, в которой происходит разрушение. Из 15 поданных импульсов 6 внедрились в горную породу, а 9 импульсов пробили жидкость по поверхности горной породы. Вероятность внедрения составила 40,0%
С увеличением расстояния между электродами возрастает вероятность внедрения канала пробоя в горную породу. В табл. 1 и на фиг. 1 приведены зависимости вероятности внедрения канала пробоя в горную породу и искусственные материалы от времени нарастания импульсов напряжения до пробоя для разных расстояний между электродами. Из фиг. 1 видно, что с увеличением расстояния между электродами S время достижения максимальной вероятности внедрения канала пробоя во второпласт-4 в трансформаторном масле возрастает. Значительно возрастает и величина вероятности внедрения канала пробоя. Так, увеличение S с 1,0 до 6,0 см (т.е. в 6 раз) увеличивает вероятность внедрения канала пробоя в горную породу с 4 до 56% т.е. в 14 раз. Следовательно, увеличение расстояния между электродами является одним из радикальных способов увеличения эффективности разрушения горных пород и искусственных материалов.

Для того, чтобы эффективность разрушения была наибольшей, необходимо, наряду с выбранным расстоянием между электродами, правильно выбрать необходимое время воздействия импульса напряжения до пробоя. В конечном итоге, только правильно выбранное время до пробоя позволяет производить разрушение горных пород импульсными разрядами. В табл. 2 и на фиг. 2 приведены зависимости времени нарастания импульса напряжения t_пр от расстояния между S при максимальном значении вероятности внедрения канала пробоя в горную породу (мерзлота). Эта зависимость описывается соотношением
t_пр ≅ 2•10^-6•S^0,3, c
Таким образом, изменяя расстояние между электродами, необходимо изменять время воздействия импульса напряжения до пробоя на основании приведенного соотношения, что даст наибольший эффект при разрушении горных пород и искусственных материалов.

Изобретение касается разрушения и бурения горных пород и искусственных материалов электрическими импульсными разрядами. Способ позволяет повысить эффективность разрушения горных пород и искусственных материалов. Для этого электрические импульсы подают на электроды, установленные на горной породе, а электрические разряды осуществляют в этой породе под слоем жидкости, причем время нарастания напряжения электрических импульсов до пробоя выбирают из условия
t_пр≅2•10^-6•S^0,3, c,
где t_пр. - время нарастания напряжения электрических импульсов до пробоя, с; S - расстояние между электродами, м, 2 табл., 2 ил.

Способ разрушения горных пород электрическими импульсными разрядами, при котором электрические импульсы напряжения подают на электроды, установленные на горной породе, а электрические разряды осуществляют в этой породе под слоем жидкости, отличающийся тем, что время нарастания напряжения электрических импульсов до пробоя выбирают из условия
t_п р ≅ 2 • 10^- 6 • S^0 , 3,
где t_п р время нарастания напряжения до пробоя, с;
S расстояние между электродами, м.