СПОСОБ ДИСПЕРГАЦИИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК B02C19/18 

Изобретение относится к технологии дробления и измельчения кристаллических твердых материалов с использованием вспомогательных физических эффектов и может применяться в горном деле для отделения от массива и регулируемого дробления и измельчения горных пород, в строительстве для разрушения конструкционных элементов при сносе зданий и сооружений, в геофизике при проведении геофизических исследований для получения заданного уровня воздействия на массив горных пород, а также в других областях техники, где требуется управление степенью механического воздействия на твердые материалы с целью получения заданной степени их диспергации.

Известен способ диспергации твердых материалов (прототип), предусматривающий их предварительное рыхление на отдельные куски (дезинтеграцию), обработку полученной массы импульсным электромагнитным полем и последующее механическое измельчение [1]. Обработка включает воздействие на дезинтегрированную массу импульсным полем с напряженностью импульсного магнитного поля 10³-10⁸ А/м и длительностью импульса (1-10)×10^-3 с. Обработку дезинтегрированной массы осуществляют в потоке на конвейере в поле соленоида (индуктора). В результате генерации электромагнитных импульсов в соленоиде возникает переменное магнитное поле, ослабляющее силы сцепления на контакте зерен в горных породах, что способствует последующему механическому измельчению дезинтегрированного твердого материала. Недостатком известного способа диспергации твердых материалов является его низкая эффективность вследствие очень короткого времени воздействия электромагнитного поля на материал - только в момент прохождения каждого конкретного объема материала через соленоид. Другим отрицательным моментом является то, что энергия магнитного поля в значительной степени затрачивается на перемещение или вращение кусков и частиц дезинтегрированного материала в пространстве, а не на ослабление межзерновых связей, которое должно происходить за счет создания достаточных динамических напряжений на границах разнородных минералов, слагающих твердый материал, способных привести к ослаблению и разупрочнению их межзерновых связей. Еще одним недостатком известного способа является необходимость использования установок весьма больших габаритов, работающих в длительном режиме (постоянно во все время работы конвейера), что обуславливает весьма высокую энергоемкость их работы.

Технической задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является повышение эффективности разрушения и степени управления диспергацией твердых материалов за счет увеличения коэффициента полезного использования энергии путем совмещения предварительной дезинтеграции твердого материала с его обработкой импульсным электромагнитным полем. Такое выполнение предварительной дезинтеграции обеспечивает повышение степени дробления материала за счет одновременного воздействия на него механической нагрузки и локализации генерируемой электромагнитной энергии в разрушаемом объеме, преобразования ее в дополнительные механические напряжения, использования магнитогидродинамического, магнитоэлектрического, термомагнитоупругого, пьезо-, сейсмоэлектрического и других эффектов для повышения концентрации напряжений на границах разнородных минеральных зерен и их раскрытия в последующих процессах обработки. Таким образом, поскольку электромагнитная энергия локализуется в массиве твердого ненарушенного материала, то повышается коэффициент ее полезного использования за счет исключения ее расходования на бесполезное перемещение и вращение частиц. В связи с этим происходит более интенсивная предварительная дезинтеграция материала, и на этап окончательного механического измельчения поступает материал, обладающий более высокой степенью дезинтеграции, чем в способе по прототипу, что обеспечивает снижение энергетических затрат на окончательное измельчение и повышение степени диспергации. Кроме того, происходит значительное сокращение энергозатрат на создание и поддержание импульсного электромагнитного поля, поскольку генератор поля работает только в момент предварительной дезинтеграции, а не постоянно, как в способе по прототипу.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе диспергации твердых материалов, предусматривающем их предварительную дезинтеграцию на отдельные куски и обработку импульсным электромагнитным полем с последующим окончательным механическим измельчением, согласно изобретению предварительную дезинтеграцию твердого материала производят в разрушаемом массиве взрывом одного или нескольких зарядов взрывчатых веществ совместно с его обработкой импульсным электромагнитным полем, а импульсное электромагнитное поле создают по меньшей мере одним магнитным диполем, формируемым кондуктивным вводом энергии, или замкнутым контуром, подсоединенным к импульсным источникам тока и выполненным из электропроводящего материала, охватывающим массив дезинтегрируемого материала, или формируемым путем взрыва шлангового заряда взрывчатых веществ с высокоионизирующими добавками, форма которого соответствует форме замкнутого контура.

Предварительную дезинтеграцию твердого материала могут осуществлять взрывом сосредоточенного заряда взрывчатых веществ, который располагают в плоскости замкнутого контура в его центральной части.

Предварительную дезинтеграцию твердого материала могут осуществлять взрывом удлиненных зарядов взрывчатых веществ, которые располагают в плоскости замкнутого контура и параллельно указанной плоскости.

Перед предварительной дезинтеграцией массива твердого материала на него могут воздействовать импульсным электромагнитным полем с изменением направления вектора индукции магнитного поля.

Замкнутый контур могут создавать из искусственного электропроводящего материала и прокладывают в полости, например в горной выработке, которую создают вокруг объема материала, подлежащего дезинтеграции.

Замкнутый контур может быть выполнен из материала, обладающего сверхпроводимостью.

Шланговый заряд может быть сформирован из гексогена, с использованием в качестве высокоионизирующих добавок магния, алюминия или кремнистого (пористое) железа в виде тонкодисперсного порошка с размером частиц 5-10 мкм в количестве до 5% от общей массы заряда, внутри оболочки шлангового заряда по всей ее длине размещают электрический провод, диаметр которого существенно меньше диаметра гибкой оболочки, - лайнер, способный при пропускании по нему электрического тока вызывать детонацию гексогена за счет интенсивного разогрева, для чего лайнер подсоединяют к источнику энергии посредством электродов и инициируют от него совместно с электродетонаторами основных зарядов взрывчатых веществ, осуществляющих предварительную дезинтеграцию твердого материала.

При предварительной дезинтеграции слоистых материалов магнитный диполь может быть расположен ортогонально к слоистости.

При разрушении проводящих или полупроводящих массивов горных пород в качестве элементов магнитного диполя могут быть использованы элементы залегания массива (например, крылья, ядра синклинальных или антиклинальных складок), а ввод энергии осуществляют кондуктивным или индуктивным методом.

Генерацию импульсов электромагнитного поля могут осуществлять с задержкой по времени, величину которой определяют по следующей зависимости Δt→Е×Δt, где Δt - время упругого механического воздействия на массив взрывов зарядов взрывчатых веществ, Е - напряженность воздействующего на массив электрического поля.

Для электромагнитного воздействия на твердый материал в процессе предварительной дезинтеграции может быть использовано импульсное электромагнитное поле с напряженностью электрического поля Е_в>10⁵ В/см, частотой излучения f=0,5-1,5 МГц и градиентом напряженности магнитного поля grad H=10^7-8 А/м.

Вектор внешнего электромагнитного импульса может быть ориентирован противоположно вектору электростатического поля внутри субмикротрещин, возникающих при предварительной дезинтеграции твердого материала.

Удлиненные заряды взрывчатых веществ могут быть ориентированы в пределах 10-110° к горизонту при ортогональном расположении оси скважины по отношению к слоистости.

Обработка разрушаемого массива импульсным электромагнитным полем при предварительной дезинтеграции может осуществляться с возбуждением в указанном массиве магнитогидродинамического эффекта.

В горном деле, строительстве и геофизике весьма распространенным методом предварительной дезинтеграции твердых материалов (горных пород, конструкционных материалов и т.п.) является воздействие на них взрыва химических взрывчатых веществ. В этом случае предлагаемый способ будет заключаться в одновременном воздействии на твердый материал взрыва взрывчатого вещества (ВВ) и электромагнитного поля, создаваемого по меньшей мере одним магнитным диполем, создаваемым кондуктивным вводом энергии или замкнутым контуром, причем замкнутый контур создают вокруг объема материала, подлежащего разрушению. При этом при использовании сосредоточенного заряда ВВ его располагают в плоскости замкнутого контура в его центральной части, а при использовании удлиненных зарядов их располагают в плоскости замкнутого контура параллельно указанной плоскости или ортогонально к ней.

Вектор внешнего электромагнитного импульса целесообразно ориентировать противоположно вектору электростатического поля внутри субмикротрещин твердого материала, что даст дополнительную нагрузку на дезинтегрируемый материал и повысит степень его дезинтеграции и последующей диспергации.

Замкнутый контур создают из искусственного электропроводящего материала и прокладывают в полости, которую создают вокруг объема материала, подлежащего дезинтеграции. При разрушении слоистых проводящих или полупроводящих материалов в качестве элементов замкнутого контура можно использовать элементы строения массива материала. Например, для массива горных пород это могут быть крылья, ядра синклинальных и антиклинальных складок. При этом ввод электромагнитной энергии осуществляют как индуктивным, так и кондуктивным методом. При взрывании слоистых массивов замкнутый контур располагают ортогонально слоистости (и оси анизотропии массива горных пород).

В качестве источника электромагнитного поля используют импульсные источники тока, например МГД-генераторы, взрывомагнитные генераторы или накопители энергии, например индуктивные, емкостные. В качестве накопителя энергии могут использоваться электрические сети (энергосистемы ЛЭП большой мощности, протяженные кабельные линии и др.).

В качестве ВВ используют химические ВВ с высокоионизирующими добавками, например Mg, Al, FeSi, пары щелочных металлов, или специальные крупномасштабные заряды.

Создание замкнутого контура (магнитного диполя) вокруг объема материала, подлежащего дезинтеграции, позволяет создать электромагнитный импульс необходимой мощности, локализовать его внутри заданного объема и преобразовать энергию динамических волновых воздействий в механические напряжения на межзерновых границах породообразующих минералов.

Например, на массив, обладающий ферромагнитными свойствами, осуществляют импульсное (цикличное) воздействие с изменением направления вектора индукции магнитного поля.

При этом в объеме материала, подвергнутом процессу перемагничивания, возникают магнитоэлектрические (пьезомагнитострикционные), термомагнитоупругие и другие эффекты вследствие изменения магнитного состояния внутренней магнитной энергии с выделением тепла и преобразованием в механические напряжения по границам разнородных минералов.

Замкнутый контур из искусственного электропроводящего материала и прокладка его в полости, которую создают вокруг материала, подлежащего разрушению (например, замкнутая горная выработка в массиве горных пород), дает возможность осуществить способ наиболее технологично и дешево.

Импульсные источники тока (МГД-генераторы, накопители электроэнергии и т.д.) в технике известны и широко применяются. Однако магнитогидродинамический принцип преобразования энергии при дезинтеграции твердых материалов в комбинации со взрывом является новым и дает совершенно новый эффект - повышение эффективности разрушения за счет явления протекания магнитогидродинамического эффекта в массиве твердых материалов и выделения дополнительной энергии как от взрыва зарядов ВВ в комбинации с внешним электромагнитным полем, так и внутренней энергии, выделяемой самим массивом в процессе воздействия на него упругих механических волн и электромагнитного поля.

Известно, что эффект преобразования тепловой энергии в электрическую энергию основан на явлении электромагнитной индукции, то есть при возникновении тока в проводнике, передающем магнитно-силовые линии, в качестве движущегося в магнитном поле проводника используется плазма или проводящая жидкость.

Для преобразования тепловой энергии требуется:

- генератор (нагреватель, источник) рабочего тела, в котором рабочее тело нагревается до необходимой температуры, твердое топливо переходит в газ, ионизуется и разгоняется до требуемых скоростей;

- канал, в котором движется рабочее тело (плазма или проводящая жидкость) и происходит отвод генерируемой электроэнергии контактным (с помощью электродов) или индукционным (вторичные обмотки) способами;

- магнитная система, в магнитном поле которой происходит пондеромоторное торможение рабочего тела.

Как и в любом генераторе, основанном на принципе электромагнитной индукции, в проводящем потоке(с электропроводностью σ), движущемся в МГД-канале со скоростью V поперек магнитного поля В, возникает индукционное поле напряженностью E=V×B.

Под действием этого поля в объеме потока и во внешней цепи возбуждается электрический ток. Взаимодействие генерируемого тока с магнитным полем приводит к появлению тормозящей пондеромоторной силы, работа которой на длине канала определяет удельную мощность и эффективность магнитогидродинамического генератора. Она тратится на работу во внешней цепи на джоулев нагрев рабочего тела и на работу, связанную с токами утечки.

Мощность магнитогидродинамического генератора составляет N≈σ×V²×B². Существенной проблемой при получении больших мощностей является разгон рабочего тела до высоких скоростей. В этом плане высокие показатели имеют плазменные магнитогидродинамические генераторы. Во-первых, в них рабочее тело можно разгонять до больших скоростей (2000-2500 м/с и более), во-вторых, введение в газы небольших количеств легко ионизующихся добавок (например, паров щелочных металлов - К, Cs) позволяет снизить температуру ионизации и получить приемлемые электропроводности плазмы σ уже при температурах 2300-3000 К и атмосферных давлениях.

При типичных значениях магнитной индукции В˜2-3 Тл можно получать к.п.д. плазменных магнитогидродинамических генераторов до 20%, а мощность с единицы объема рабочего тела ˜10³ МВт/м³.

При использовании плазмы в качестве рабочего тела нужно учитывать особенности работы магнитогидродинамических генераторов, связанные с плазменными эффектами и сжимаемостью газа. Так, в сильных магнитных полях или в разреженном газе, когда частота соударений электронов уменьшается и становится сравнимой с циклотронной частотой их вращения, электроны успевают за время между соударениями пройти заметную дугу по ларморовской окружности. Благодаря этому направление тока в плазме не совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля (эффект Холла).

Это приводит к возникновению дополнительного электрического поля, так называемого поля Холла, направленного навстречу потоку газа (предпочтительны режимы работы с давлениями, близкими к атмосферному). Кроме того, можно разделить электроды (вторичные обмотки) на сции, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала, причем каждая пара электродов (или вторичных обмоток) должна иметь свою нагрузку.

В сционированном канале, когда электроды (вторичные обмотки) коротко замкнуты, поле Холла значительно больше индукционного, и этот эффект используется для получения высоких (10-20 кВ) напряжений.

Сжимаемость газа приводит к появлению градиентов давления и температуры вдоль канала. Эти эффекты частично компенсируют расширением проточной части канала.

Отсутствие движущихся деталей (основное преимущество магнитогидродинамических генераторов) и принципиально высокая рабочая температура позволяют получать высокие к.п.д. и большие агрегатные мощности. Быстрота выхода на режим (-1 с) позволяет создавать мощные импульсные МГД-установки. Используя принцип самовозбуждения магнитной системы, можно создавать автономные импульсные МГД-установки и накопители энергии. Малое количество вредных примесей в выхлопных газах магнитогидродинамических генераторов, работающих на природных ископаемых топливах, обеспечивает лучшие условия защиты окружающей среды от теплового и химического загрязнений.

Созданы экспериментальные МГД-генераторы до 10-20 МВт, способные работать в течение сотен часов. В народном хозяйстве используются мощные импульсные МГД-генераторы открытого цикла, работающие на продуктах сгорания специальных твердых топлив.

Известно использование МГД-установок для прогнозирования землетрясений методом глубинных периодических зондировании земной коры для геофизических и нефтепоисковых работ.

Однако до настоящего времени магнитогидродинамический принцип преобразования энергии не использовался в процессах дезинтеграции твердых материалов, в частности в горном производстве, для дезинтеграции горных пород. Настоящим изобретением впервые предложено использование МГД-систем для мощных комбинированных динамических волновых воздействий на массивы горных пород (в частности, железистых кварцитов) в процессах взрывной рудоподготовки с целью разработки основ для экологически чистой ресурсосберегающей малооперационной технологии добычи (в том числе при добыче и переработке железорудного сырья) полезных ископаемых из мощных продуктивных горизонтов.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами, на которых представлены:

Фиг.1. Схема взаимодействия электромагнитных сил в пьезоэлектрической текстурированной анизотропной среде (обозначения: О - ось анизотропии, Р - вектор распространения продольной упругой волны, Е - вектор электромагнитного импульса, r₀ - размер трещины с радиусом r₀).

Фиг.2. Схема протекания процесса деструкции материала в условиях сложнонапряженного состояния.

Фиг.3. Схема локализации облака диполей в вершине трещины под действием механического напряжения (стрелками показаны растягивающие напряжения).

Фиг.4. Схема возникновения совместных напряжений от упругих и электромагнитных волновых воздействий (обозначения: σ_р - растягивающие напряжения; σ_у - напряжения от упругих волн; σ_Å - напряжения от электромагнитного воздействия).

Фиг.5. Схема взаимного расположения сосредоточенного заряда ВВ и магнитного диполя с учетом ориентации слоистости материала (стрелкой показана ось анизотропии).

Фиг.6. Схема расположения удлиненных зарядов ВВ параллельно плоскости магнитного диполя.

Фиг.7. Схема расположения удлиненных зарядов ВВ ортогонально плоскости магнитного диполя.

Фиг.8. Схема взаимного расположения сосредоточенного заряда ВВ и магнитного диполя (поперечный разрез относительно плоскости магнитного диполя).

Фиг.9. Схема расположения удлиненных зарядов ВВ параллельно плоскости магнитного диполя (разрез по плоскости магнитного диполя).

Фиг.10. Схема расположения удлиненных зарядов ВВ ортогонально плоскости магнитного диполя (разрез по плоскости магнитного диполя).

Фиг.11. Схема образования замкнутого электромагнитного контура с помощью шлангового заряда ВВ в гибкой оболочке.

Фиг.12. Схема взаимодействия внешнего электромагнитного поля с плазмой, образованной в процессе детонации ВВ с высокоионизирующими добавками.

Фиг.13. Схема распределения пондеромоторных токов в слое породы относительно положения заряда ВВ.

Фиг.14. Схема действия растягивающих напряжений в слоях породы, возникающих в результате взаимодействия пондеромоторных токов.

Фиг.15. Схема ориентации оси удлиненного заряда ВВ относительно плоскости слоистости.

Фиг.16. Возможные направления оси удлиненных зарядов ВВ относительно слоистости материала, обеспечивающие возникновение максимальных растягивающих и сдвиговых напряжений.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

По известным данным, оценка полной энергии, затраченной на создание всех новых поверхностей в пределах зоны разрушения (дезинтеграции), показывает, что она составляет лишь не более единиц процентов от общей энергии взрыва. Остальная энергия продуктов взрыва в полости к моменту достижения ею максимальных размеров для различных материалов и источников взрыва колеблется в диапазоне 10-20% потенциальной энергии. Остальные 70-80% сосредоточены в виде тепловой энергии в разрушенной среде. Эти 70-80% в настоящее время считаются бесполезными потерями. При этом остаточная энергия со временем также бесполезно теряется в окружающем массиве.

Взрывание зарядов ВВ сопровождается электромагнитным импульсным излучением, источниками которого являются в одном случае движение ионизированного газа, образовавшегося в результате окисления ВВ, во втором случае - образование трещин в разрушаемом материале, которое сопровождается излучением в пространство электромагнитного поля.

При взрывном воздействии на среду, обладающую пьезоэлектрическими свойствами, например рудное тело, последнее преобразует энергию упругой волны в электромагнитную. Напряженность поля сигналов в источнике составляет 10⁵-10⁶ В/см. Частота излучения при этом составляет 1,0-1,5 МГц.

Рассмотрим в качестве примера твердого материала массив железистых кварцитов. Механизм формирования железистых кварцитов в условиях динамометаморфизма, т.е. под действием ориентированных давлений и температур, сопряжен с образованием пространственно ориентированных текстур. Высокий пьезоэлектрический, магнитострикционный, магнитоэлектрический и другие эффекты, реализующиеся в кварцитах, обусловлены закономерной ориентацией и чередованием упруго-анизотропных зерен кварца и зерен магнетита в пространстве.

Рассмотрим механизм деформирования и разрушения кварцитов в предположении, что кварциты обладают пьезоэлектрической текстурой самого низшего ранга (т.е. имеют ось симметрии бесконечного порядка и перпендикулярную к ней плоскость симметрии с зеркально отраженной пространственной ориентацией зерен кварца) - см. фиг.1-4.

На фиг.1 представлен фрагмент такой структуры. Рассмотрим межкристаллическую изотропно-упругую среду, содержащую зерна магнетита. Модель предполагает наличие в ней микротрещин как зародышей микротрещиноватости, способствующей "раскрытию" зерен магнетита, т.е. под воздействием упругих и электромагнитных волн возникает микротрещиноватость в среде (связующей зерна кварца, обладающие пьезоэлектрическими свойствами).

Условие взаимодействия импульса электромагнитного поля Е с упругим импульсом (в том числе импульса взрывной ударной волны) представляется в виде Δt→Е×Δt, т.е. эффект воздействия электромагнитного импульса происходит в течение отрезка времени Δt) упругого механического воздействия на среду (т.е. технологически предполагается некоторая временная задержка Δt генерации импульса электромагнитного поля).

Это условие дает возможность рассматривать суммарный эффект воздействия упругого и электромагнитных полей на процесс деструкции межкристаллической среды, т.е. "межкварцевого заполнителя".

Допустим, что вектор распространения продольной волны Р^→ нормален к вектору импульса электрического поля Е^→, как это показано на фиг.1. Рассматриваем элемент объема межкристаллического заполнителя с сечением АВСД и внутренним дефектом в виде зародышевой микротрещины.

Как известно, размер трещины с размером r₀ определяется закачанной в выделенный элемент объема энергии Е=γ×π×r₀ ²,

где γ - энергия образования единицы свободной поверхности. В феноменологическом приближении задача сводится к расчету энергии, закачиваемой в элемент объема непосредственно упругой и электромагнитной волнами и трансформируемой в упругую за счет механоэлектрических, магнитоэлектрических (магнитострикционных в том числе "гигантский магнитострикционный эффект"), термомагнитоупругих преобразований в среде. Тогда Е≈Σ(E+Е_E).

В первом приближении без учета влияния температуры возможный размер микротрещины можно определить следующим образом:

- энергия электромагнитного поля, трансформируемая в упругую энергию в элементе объема.

Для кристалла кварца (для кристалла магнетита в кварцевой матрице производится отдельная оценка) возбужденного внешним электромагнитным импульсом, соотношение между энергией внешнего электрического поля и энергией упругого деформирования определяется коэффициентом электромеханической связи

что соответствует максимальной величине для кристалла SiO₂.

В последней формуле: (d₁₁) - пьезоэлектрический модуль, С₆₆ - упругая постоянная, χ - диэлектрическая проницаемость [2].

Анализ электромагнитного взаимодействия в вершине микротрещины выглядит следующим образом.

Выделяют зону концентрации механических напряжений (один из вариантов концентрации напряжений в результате возникновения заряженных поверхностей субмикротрещин).

Дипольное взаимодействие расходящихся берегов субмикротрещин с внешним электромагнитным импульсом может приводить к электрическому ослаблению "электростатического" взаимодействия растущих субмикротрещин. Эту величину можно оценить как

где χ - диэлектрическая проницаемость среды (при оценке возникающих напряжений при напряженности магнитного поля Н соответственно берется величина магнитной проницаемости μ);

Е_B - напряженность внешнего электромагнитного импульса;

Е_Т - напряженность электростатического поля на берегах субмикротрещин (На учитывается при оценке магнитоэлектрических эффектов).

Условие распространения субмикротрещин записывается в виде

Эксперименты по изучению электромагнитного поля при разрушении образцов горных пород под прессом дают значение порядка 10^3-4 В/см. При диэлектрической проницаемости горных пород χ=8-10 условие разрушения следует записать в виде

Е_B≥10⁵ В/см.

Условие справедливо также и при корректировке расчетов напряжений, возникающих при магнитоэлектрических эффектах (магнитострикционных, магнитотермоупругих и др.).

Процесс деструкции горных пород как поликристаллических систем (особенно при массовых взрывах зарядов ВВ) сопровождается генерацией электромагнитных импульсов, возникающих при деструкции кристаллических решеток породообразующих минералов. При наложении внешнего электромагнитного импульса с вектором напряженности, противоположным вектору электростатического поля, внутри субмикротрещин возникает дополнительное усилие электростатического взаимодействия, которое суммируется с магнитоэлектрическим. Эти взаимодействия способствуют более интенсивному росту субмикротрещин в поликристаллической среде (см. фиг.1).

Электромагнитное излучение в широком диапазоне частот (выше нескольких килогерц) при разрушении твердых материалов ударной волной обусловлено, в основном, излучениями разрядных каналов, формирующихся при релаксации разделенных зарядов на бортах трещин и движущихся заряженных дислокации.

С другой стороны, при взрыве зарядов ВВ в результате движения высокоионизированного газа (плазмы) во внешнем магнитном поле возникает мощное импульсное электромагнитное поле, действующее на разрушаемый массив. Величина этого поля определяется особенностями строения, структурно-текстурных и физических свойств разрушаемого материала, а также величиной и направленностью естественных и искусственно созданных в нем магнитных полей.

Магнитогидродинамический эффект возникает при соответствующей направленности внешнего (искусственного) магнитного поля и движения высокоионизированного газа (плазмы) при взрывании зарядов ВВ с высокоионизирующими добавками Mg, Al, FeSi, паров щелочных металлов и др., а также при взрыве специальных крупномасштабных зарядов при соответствующих параметрах внешнего магнитного поля и его ориентации в массиве. Магнитогидродинамический эффект в разрушаемом массиве твердого материала сопровождается мощным электромагнитным импульсом, что, как указано выше, установлено впервые.

Локализация генерируемой волновой энергии (механической, электромагнитной) различной физической природы, возникающей при взрыве зарядов ВВ в объеме твердого материала, позволяет резко повысить использование высвобожденной энергии для дезинтеграции материала и обеспечить возможность регулирования степенью его дробления (фиг.2, 3).

При использовании сосредоточенного заряда ВВ, расположенного в плоскости замкнутого контура в его центральной части, а также при использовании удлиненных зарядов, расположенных в плоскости замкнутого контура параллельно указанной плоскости, выполняются начальные условия для протекания магнитогидродинамического эффекта. При взрывании слоистых материалов замкнутый контур располагают ортогонально слоистости. Замкнутый контур может выполнять также роль магнитной ловушки электромагнитных волн при взрыве зарядов ВВ в массиве, что обеспечивает дополнительную концентрацию электромагнитного поля в разрушаемом объеме и преобразования в механические напряжения по плоскости спайности разнородных минералов. В случае, если твердый материал представлен железистыми кварцитами, сущность ослабления межзерновых связей в них при воздействии динамических волновых воздействий заключается в следующем.

На ферромагнитную частицу, помещенную в импульсное электромагнитное поле высокой интенсивности, действуют силы, обусловленные, с одной стороны, величиной индукции В, и, с другой стороны, - силы, обусловленные неоднородностью поля, определяемые главным образом градиентом напряженности магнитного поля grad Н.

Основные силы, действующие на частицу, следующие: магнитная сила, обусловленная притяжением частицы магнитным полем; сила, обусловленная магнитострикцией ферромагнетика; пондеромоторная сила, обусловленная взаимодействием токов, образующихся в слоях ферромагнитных частиц, и др.

При напряженности поля порядка 10⁷ А/м, градиенте напряженности 10⁸ А/м, например, напряжения, возникающие вследствие магнитострикции магнетита, достигают 4 МПа. Напряжения, возникающие за счет пондеромоторной силы, достигают 50 МПа.

Известно, что прочность на разрыв железистых кварцитов составляет порядка 18 МПа. Железистые кварциты при воздействии только импульсного электромагнитного поля не испытывают достаточных растягивающих напряжений σ_E для образования сети микротрещин по границам зерен (фиг.4). Но это происходит при совместном σ_Е воздействии растягивающих напряжений σ_р и растягивающих напряжений σ_у, возникающих при прохождении волны напряжения от взрыва обычных скважинных зарядов уже при напряжении во фронте волны порядка 5-10 МПа на расстояниях 5-6 радиусов заряда ВВ. При напряжении во фронте волны 10⁶-10⁸ МПА от взрыва специальных крупномасштабных зарядов зона ослабления по границам зерен несравнимо больше.

Способ осуществляется путем последовательного выполнения следующих операций.

Если объем разрушаемого твердого материала представляет собой некоторый массив 1 горных пород (фиг.5-10), то вокруг объема пород, подлежащего разрушению (дезинтеграции), проходят выработку 2 (фиг.8-10), например кольцевую, причем при разрушении слоистого массива (фиг.5-7) замкнутый контур 3 из электропроводящего материала, размещаемый в выработке, располагают ортогонально к слоистости, исходя из ориентирования вектора индукции в направлении слоистости и удобства выполнения последующих технологических операций.

Возможно применение сверхпроводящих материалов. Сверхпроводящий проводник (контур) может быть изготовлен из высокотемпературного висмутосодержащего сверхпроводника BiSrCaCuO. В действующей подземной сети (специально пройденных выработках) охлаждение сверхпроводника осуществляют жидким азотом. Сверхпроводящий контур может быть изготовлен на основе соединений YBa₂Cu₃О_7-x или NdBa₂Cu₃O_7-x. Эти соединения перспективны для создания длинномерных токонесущих (гибких) элементов с высокой плотностью тока (˜10⁹ А·м^-2) при температуре 77,3 К в магнитных полях до 5 Тл. Возможно и применение весьма перспективного и достаточно дешевого сверхпроводящего интерметаллического соединения - диборита магния MgB₂ с критической температурой около 40 К. Чрезвычайно перспективными для создания проводящих контуров 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-0, показали возможность создания композиционных веществ, которые приобретали сверхпроводящие свойства уже при комнатной температуре.

Далее в объеме массива, подлежащего дезинтеграции, образуют сосредоточенные сферические 4 (фиг.5, 8) или цилиндрические полости - скважины 5 (фиг.6, 7, 9, 10) для размещения зарядов ВВ, причем при использовании сосредоточенных зарядов их располагают в плоскости замкнутого контура (фиг.5, 8), а при использовании удлиненных зарядов их располагают в плоскости замкнутого контура, параллельно указанной плоскости (фиг.6, 9) или ортогонально ей (фиг.7, 10). В подготовленных полостях размещают заряды ВВ 6, причем при использовании химических ВВ в них добавляют порошкообразные высокоионизирующие компоненты (Mg, Al, пары щелочных металлов и др.). В специальных крупномасштабных зарядах может использоваться небольшое количество вещества, например дейтрит лития, подвергнутое сжатию и нагреву, высвобожденное небольшим взрывным устройством.

С целью создания искусственного подмагничивающего поля к замкнутому контуру подсоединяют импульсные источники тока 7 (фиг.11) на базе МГД-генераторов, взрывомагнитных генераторов или других генераторов взрывного типа или накопители энергии, например индуктивные, которые запитывают, например, от внешних мощных энергосистем (системы ЛЭП, кабельных линий и пр.). Контур может быть выполнен в виде шлангового заряда в гибкой оболочке 12. Оболочка заполнена ВВ, например гексогеном с высокоионизирующими добавками, тонкодисперсный порошок из магния, алюминия, кремнистого (пористого) железа и др. в количестве до 5% от общей массы заряда. Внутри оболочки по всей длине размещен лайнер 13 (тонкий электропроводник). Лайнер подсоединен к источнику энергии посредством электродов 14. Электроды могут быть скоммутированы с электродетонаторами основных зарядов ВВ, обеспечивающих предварительную дезинтеграцию материала. Контур (шланговый заряд) охватывает объект воздействия (массив породы). Контроль параметров упругих динамических воздействий и электромагнитного поля осуществляют применением соответствующих датчиков. При инициировании от источника энергии срабатывают электродетонаторы, а по лайнеру проходит ток, служащий первичным каналом для образования плазменного потока, образующегося далее при детонации ВВ с высокоионизирующими добавками. Источник энергии (накопитель) обеспечивает подачу импульсов тока по образовавшемуся плазменному потоку (контуру) и, соответственно, образование импульсного электромагнитного поля, воздействующего на объем породы, находящийся внутри контура (диполя).

Создание искусственного электромагнитного поля и инициирование зарядов ВВ в слоистых ферромагнитных массивах производят следующим образом.

Для предварительной обработки объема массива импульсными магнитными полями производят циклично-частотное импульсное воздействие с изменением направления вектора индукции магнитного поля, а затем инициирование зарядов ВВ (фиг.12).

В пробуренные на взрываемом блоке скважины 5 помещают заряды ВВ 6 массой до 700 кг. Ширина ферромагнитных слоев 15 магнетита составляет порядка 5 мм, прослойки 16 слаборудного кварцита и кварца между ними до 5-10 мм.

Производят инициирование зарядов ВВ с высокоионизирующими добавками. В процессе детонации ВВ образуется высокоионизированный поток плазмы.

Здесь скважины с ВВ выполняют функцию каналов и генераторов рабочего тела (плазмы).

Известно, что ферромагнитные массивы (в частности, массивы железистых кварцитов) обладают естественной остаточной намагниченностью с соответствующим образом ориентированным вектором магнитной индукции (градиентом напряженности магнитного поля). Здесь массив (ферромагнитный) железистых кварцитов выполняет функцию магнитной системы.

В процессе детонации ВВ и движения высокоионизированного (проводящего) плазменного потока в магнитном поле (ферромагнитного) массива в проводящих слоях магнетита магнитный поток начинает изменяться (увеличиваться в верхних слоях по отношению к направлению детонации и уменьшаться в нижних слоях) Здесь слои выполняют функцию электродов.

Изменение магнитного потока порождает токи по замкнутым контурам в слоях (здесь замкнутые контуры выполняют функцию коротко замкнутых обмоток с эквивалентной нагрузкой R_H 17, что, в свою очередь, создает магнитное поле в объеме железистых кварцитов, окружающих скважину). Величина индуцированного магнитного поля в массиве железистых кварцитов достигает 2 Тл.

Излучение электромагнитного поля вокруг скважин происходит в тот момент, когда объем железистых кварцитов в этой зоне находится в напряженном состоянии за счет волн напряжений, распространяющихся от соседних скважин.

Одновременное воздействие на слоистый массив железистых кварцитов импульсного электромагнитного поля и волн напряжений от взрывания скважинных зарядов 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 - фиг.13, 14) 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 от взрыва зарядов приводит к разрушению массива по слоям и границам между зернами магнетита и кварца.

Угол падения слоев в массиве железистых кварцитов составляет обычно порядка 80°. Бурение скважин под углом 10° соответствует их вертикальному расположению по отношению к слоистости, однако для выполнения условия протекания вышеописанного процесса при пересечении скважиной слоев магнетита угол может изменяться от 10-110° (фиг.15, 16) при ортогональном расположении оси скважины по отношению к слоистости при угле ϕ˜90°, что обеспечивает максимальные сдвиговые и растягивающие напряжения по плоскости спайности зерен.

Список литературы

1. Патент РФ №2026991, МПК⁸ В02С 19/18. Опубл. 20.01.95. Бюл. №2 (прототип).

2. Г.А.Соболев, В.М.Демин. Механоэлектрические явления в земле. М.: Наука, 1980.

Изобретение относится к технологии дробления и измельчения кристаллических твердых материалов с использованием вспомогательных физических эффектов. Способ предусматривает предварительную дезинтеграцию твердых материалов на отдельные куски и обработку импульсным электромагнитным полем с последующим окончательным механическим измельчением. Предварительную дезинтеграцию твердого материала производят в разрушаемом массиве взрывом одного или нескольких зарядов взрывчатых веществ совместно с его обработкой импульсным электромагнитным полем. Импульсное электромагнитное поле создают, по меньшей мере, одним магнитным диполем, формируемым кондуктивным вводом энергии, или замкнутым контуром, подсоединенным к импульсным источникам тока и выполненным из электропроводящего материала, охватывающим массив дезинтегрируемого материала, или формируемым путем взрыва шлангового заряда взрывчатых веществ с высокоионизирующими добавками, форма которого соответствует форме замкнутого контура. Изобретение повышает эффективность разрушения и снижает энергозатраты на диспергацию. 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ диспергации твердых материалов, предусматривающий их предварительную дезинтеграцию на отдельные куски и обработку импульсным электромагнитным полем с последующим окончательным механическим измельчением, отличающийся тем, что предварительную дезинтеграцию твердого материала производят в разрушаемом массиве взрывом одного или нескольких зарядов взрывчатых веществ совместно с его обработкой импульсным электромагнитным полем, а импульсное электромагнитное поле создают по меньшей мере одним магнитным диполем, формируемым кондуктивным вводом энергии, или замкнутым контуром, подсоединенным к импульсным источникам тока и выполненным из электропроводящего материала, охватывающим массив дезинтегрируемого материала, или формируемым путем взрыва шлангового заряда взрывчатых веществ с высокоионизирующими добавками, форма которого соответствует форме замкнутого контура.2. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что предварительную дезинтеграцию твердого материала осуществляют взрывом сосредоточенного заряда взрывчатых веществ, который располагают в плоскости замкнутого контура в его центральной части.3. Способ диспергации п.1, отличающийся тем, что предварительную дезинтеграцию твердого материала осуществляют взрывом удлиненных зарядов взрывчатых веществ, которые располагают в плоскости замкнутого контура и параллельно указанной плоскости.4. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что перед предварительной дезинтеграцией массива твердого материала на него воздействуют импульсным электромагнитным полем с изменением направления вектора индукции магнитного поля.5. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что замкнутый контур создают из искусственного электропроводящего материала и прокладывают в полости, например в горной выработке, которую создают вокруг объема материала, подлежащего дезинтеграции.6. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что замкнутый контур выполняют из материала, обладающего сверхпроводимостью.7. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что шланговый заряд формируют из гексогена, используя в качестве высокоионизирующих добавок магний, алюминий или кремнистое (пористое) железо в виде тонкодисперсного порошка с размером частиц 5-10 мкм в количестве до 5% от общей массы заряда, внутри оболочки шлангового заряда по всей ее длине размещают электрический провод, диаметр которого существенно меньше диаметра гибкой оболочки, - лайнер, способный при пропускании по нему электрического тока вызывать детонацию гексогена за счет интенсивного разогрева, для чего лайнер подсоединяют к источнику энергии посредством электродов и инициируют от него совместно с электродетонаторами основных зарядов взрывчатых веществ, осуществляющих предварительную дезинтеграцию твердого материала.8. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что при предварительной дезинтеграции слоистых материалов магнитный диполь располагают ортогонально к слоистости.9. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что при разрушении проводящих или полупроводящих массивов горных пород в качестве элементов магнитного диполя используют элементы залегания массива (например, крылья, ядра синклинальных или антиклинальных складок), а ввод энергии осуществляют кондуктивным или индуктивным методом.10. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что генерацию импульсов электромагнитного поля осуществляют с задержкой по времени, величину которой определяют по следующей зависимости: где - время упругого механического воздействия на массив взрывов зарядов взрывчатых веществ, Е - напряженность воздействующего на массив электрического поля.11. Способ диспергации по п.1, отличающийся тем, что для электромагнитного воздействия на твердый материал в процессе предварительной дезинтеграции, используют импульсное электромагнитное поле с напряженностью электрического поля Ев>10⁵ В/см, частотой излучения f=0,5-1,5 МГц и градиентом напряженности магнитного поля grad H=10^7-8 А/м.12. Способ диспергации по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что вектор внешнего электромагнитного импульса ориентируют противоположно вектору электростатического поля внутри субмикротрещин, возникающих при предварительной дезинтеграции твердого материала.13. Способ диспергации по п.3, отличающийся тем, что удлиненные заряды взрывчатых веществ ориентируют в пределах 10-110° к горизонту при ортогональном расположении оси скважины по отношению к слоистости.14. Способ диспергации по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что обработку разрушаемого массива импульсным электромагнитным полем при предварительной дезинтеграции осуществляют с возбуждением в указанном массиве магнитогидродинамического эффекта.