Устройство для электротермомеханического разрушения горных пород Советский патент 1983 года по МПК E21C37/18 

Изобретение касается устройств для комбинированного электротермомеханического разрушения горных пород одновременным воздействием электромагнитных волн СВЧ и механического инструмента.

По основному авт. св. 569709 известно устройство для электротермо. механического разрушения горных пород одновременным воздействием электромагнитных волн и режущего инструмента, в корпусе которого расположены выходящий на его рабочую поверхность волновод для прохождения электромагнитных волн от генератора к разрушаемой породе и звено для согласования режима работы генератора с нагрузкой, при этом согласующее звено выполнено в виде сквозного канала, соединенного одним ,концом с волноводом и выходящего другим концом на рабочую поверхность корпуса устройства 1 .

Излучатель известного устройства представляет собой два излучающих канала (волновода и согласующего звена), объединенных экранирующей поверхностью, которой в данном случае служит рабочая поверхнрсть инструмента. Для такого излучателя характер распределения тепловых источников, ёозданнах в породе поглащением энергии поля, в значительной степени зависит от расстояния между раскрывами излучающих каналов (фиг. 1а) Если данное расстояние достаточно велико порядка (1-2)Дд, где Лд - длина волны в воздухе, то связь между излучающими раскрывами волноврда и

10 согласующего.звена оказывается весьма слабой и указанное излучакнцее апертур« можно рассматривать как два независимых источника. В этом случае при включении генератора под кана15лами волновода образуются две области разупрочненной породы при одинаковой конфигурации, симметрично расположенные относительно осей упомянутых каналов (фиг. 1а).Подобная

20 картина воздействия поля на породу наблюдается и в случае близкого расположения раскрывов волновода и согласующего звена (при расстоянии L 1-2 длины волн в среде).Однако это

25 будет иметь место только в том случае, если фаза электромагнитных волн, . излучаемых из упомянутых раскрывов будет одинакова. Если же фаза электромагнитной волны в одном из кана30лов смещена относительно фазы волны в другом канале, то симметричная ка тина разупрочнения породы подинстр ментом нарушается вследствие проявления эффекта взаимодействия электр магнитных полей, излучаемых из кана лов волновода и согласующего звена. Сложение полей, создаваемых отдельными излучающими раскрывамк, в зависимости от фаз этих полей, опреде ляемых длиной расстояния и разность электромагнитных волн в каналах волновода и соглусующего звена, мо,жет. привести к различному распредел нию поглатцаемой энергии под рабочей поверхностью инструмента, В частнос ти, при принятом в прототипе сдвиге фаз в каналах, равном /2, эффект взаимодействия близкорасположенных излучателей обуславливаетвозникновение области наиболее интенсивного воздействия поля на породу, смещенной в ту или иную сторону относитель но оси симметрии инструмента (фиг,16 Направление этого смещения зависит от того в каком из каналов наблюдается опережение по фазе. В результате этого интенсивность изменения свойств породы под рабочей поверхностью инстругдента становится неодинаковой, а условия ввода энергии в массив каналами волновода и согласующего звена - отличными -друг от друг Очевидно, в этом случае полная компенсация мощности отраженной от забоя, становится невозможной и К11Д ис пользования энергии в устройстве снижается. Кроме того, эффективность работы устройства в данном случае уменьшается в результате неравномерного разупрочнения породы перед механическим породоразрушающим И:нструментом. Цель изобретения - снижение энергоемкости процесса путем более равномерного воздействия на забой. Поставленная цель достигается за счет TorOf что в устройстве волневод разделен посредством металличес кой перегородки на два продольных канала, один из которых связан с каналом согласующего звена, а другой сообщен с рабочей поверхностью инструмента посредством дополнительного сквозного канала, который расположен симг етрично относительно канала согласующего звена и имеет равную eiCiy электрическую длину. Благодаря подобному выполнению устройства представляется возможным, использовав эффект взаимодействия электромагнитных полей излучаемых дополнительным сквозным каналом и питающим волноводом, в значительной степени скомпенсировать неравномерность поглощения энергии, обусловленную взаимодействием электромагнит ных полей питающего волновода и согласующего звена, и за счет этого оп химизировать процесс ввода энергии в породу и облегчить работу механического инструмента. На фиг. 1 изображен характер воздействия на породу электродинамической системы устройства-прототипа в случае синфазного (а) и несинфаэного (б) возбуждения питаклдего волновода и согласующего звена; на фиг. 2 принципиальная схема рабочего органа; На фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 по излучающей системе устройства; на фиг. 4 - распределение полглащаемой в породе электромагнитной мощности при работе предлагаемого устройства. Устройство содержит корпус 1(фиг.2), снабженный механическим исполнительным инструментом 2 и электродинамической системой 3, обеспечивающей -снижение прочности породы перед инструментом воздействия СВЧ электромагнитных волн. Электродинамическая система устройства включает питающий волновод4 (фиг. 3), энергетически связанный с СВЧ генератором (не показан) . В питающем волноводе установлена, металлическая перегородка 5, разделяющая полость волновода на две части б и 7. С каналом 7 питающего волновода связано согласующее звено 8, выполненное в виде отходящего от питающего волновода канала, выходящего на рабочую поверхность инструмента 9. Электрическая длина согласующего канала от точки 10 пересечения осей его и канала 7 волновода до поверхности 9 выбрана таким образом, что сдвиг фаз электромагнитных волн на срезе этого канала и питающего волновода был равен Ti/2. Подобное условие может быть обеспечено , например, размещением в согласующем, канале диэлектрической пластины (фазовращателя) 11. В отличие от электродинамической системы прототипа предлагаемое устройство снабжено дополнительным СКВОЗНЕЛМ каналом 12, связанным с каналом 6 питающего волновода и также выходящим на рабочую поверхность инструмента. Указанный канал расположен в корпусе инструмента симметрично каналу согласующего звена. При этом электрическая длина дополнительного канала от точки 13 пересечения его оси с осью канала 6 питающего волновода до рабочей поверхности инструмента равна аналогичной электрической длине канала согласующего звена. Устройство работает следующим образом. При включении генератора сложение электромагнитных полей, излучаемых каналами 7 и 8 волновода и согласующего звена, создает под рабочей поверхностью инструмента результирующее электромагнитное поле с интенсивностью воздействия на породу, возрастаклцей в плоскости забоя в направлении канала 7 в сторону канала согласующего звена 8 (указанное распределение показано на фиг. 4 пунктирной линией). Со своей стороны взаимодействие электромагнитных каналов 12 и б создает под рабочей поверхностью инструмента свое результирующее поле; мощность этого поля аналогична мощ- . ности поля, излучаемого каналами 7 и 8, а распределение интенсивности 0 его вдоль рабочей поверхности инструмента обратно по отношению к распределению, создаваемому каналами 7 и 8, вследствие зеркальной картины фазовых распределений в каналах 7и8, 12и 15 6. При подобном характере работы электродинамической системы несимметричность нагрева породы одной из пар каналов (7,8 или 12,6) устраняется дополнительным воздействием вто- 20 рой пары каналов. Последнее позволяет обеспечить более равномерное поглощение энергии в забое и за чет этого улучшить условия работы породоразрушающего инструмента и в значи- 25 тельной степени уменьшить рассогласование в питающем волноводе, возникающее вследствие неравномерного поглощения СВЧ энергии в забое.

Предлагаемое устройство обеспечи- ,Q вает достаточно хорошее согласование генератора с нагрузкой в условиях изменения свойств породы (последнее, как уже указывалось, возникает в результате поглощения породой энергии поля) , а также при изменении зазора

между рабочей поверхностью HHCTpyMeH та и забоем. Достигается последнее за счет того, что сдвиг фаз электромагнитного поля, отраженного от поверхности забоя, как во вновь введенных элементах - дополнительном ка нале 12 и канале б питающего волновода, так и каналах 7 и 8 составляет величину П (180), которая обеспечивает компенсацию отраженных электромагнитных волн в точках разветвления каналов.

Формула изобретения

Устройство для электротермомеханического разрушения горных пород по авт. св. ( 569709, о т л и ч а ю вд ее с я тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса путем более . равномерного воздействия на забой волновод разделен посредством метаЛлической перегородки на два продольН лх канала, один из которых связан с каналом согласующего звена а другой сообщен с рабочей поверхностью инстумента посредством дополнительного сквозного канала, который расположен симметрично относительно канала согласующего звена и имеет равную ему электрическую длину. ..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 569709, кл. Е 21 С 37/18, 1976 (прототип).