Исследование электроимпульсного пробоя разрушения гранита и бетона в воде

Основной и наиболее трудоемкой операцией при добыче и переработке полезных ископаемых является разрушение горных пород. В настоящее время существует более 40 способов разрушения горных пород. Классификация и достаточно подробные обзоры этих способов приведены в работах [1−6]. Анализируя эти работы, можно отметить, что в настоящее время практически невозможно создание универсального способа, обладающего способностью разрушать горные породы различной крепости с одинаковой достаточно высокой эффективностью. Неизбежным недостатком наиболее распространенных механических способов разрушения, как следствие применения интенсивного давления на породу, являются высокие удельные энергозатраты, малая стойкость и высокий износ разрушающего инструмента. Другой особенностью механических способов разрушения материалов является ярко выраженная зависимость показателей разрушения от крепости породы, и особенно резкое снижение эффективности разрушения по скальным породам и мерзлым грунтам. Определяя основные требования к новым перспективным методам разрушения материалов, главными можно назвать следующие:

— бездолотное разрушение горных пород, устраняющее ограничения, накладываемые стойкостью породоразрушающего инструмента, и исключающее потери энергии на трение;

— импульсное разрушение горной породы, устраняющее значительный расход энергии на пластическую деформацию, позволяющее концентрировать большие мощности при невысоких исходных количествах энергии и уменьшать объемную работу разрушения;

— отсутствие диспергирования породы во всех видах технического разрушения, кроме измельчения, т. е. обеспечение дискретного регулируемого разрушения, устраняющего затраты энергии на излишнее обнажение поверхности в продухах разрушения;

— нагружение горной породы с преобладанием напряжений разрыва и сдвига, а не сжатия, т.к. прочность на разрыв и сдвиг у горных пород существенно (в 1015 раз) ниже прочности на сжатие;

— отсутствие промежуточных преобразований энергии, связанных со значительными ее потерями;

— хорошая управляемость характером и направленностью разрушения.

Общепризнанно, что электрическая энергия является на сегодня одним из самых экономичных и универсальных видов энергии для технических применений. Поэтому к наиболее перспективным способам разрушения горных пород в настоящее время относятся электрофизические [1,2,5−9], так как они позволяют без промежуточной трансформации преобразовывать запасенную электромагнитную энергию непосредственно в работу разрушения.

Ряду сформулированных выше требований к эффективному способу разрушения твердых тел отвечает электрогидравлическое разрушение (ЭГР) [1013]. Воздействие на твердое тело осуществляется через промежуточную жидкую среду, в которой при электрическом пробое или электрическом взрыве проволочки формируются волны сжатия. Однако заметного повышения эффективности разрушения не получено, вследствие значительных энергетических затрат (разрушение происходит за счет волн сжатия) и неудовлетворительных массогабаритных параметров установок ЭГР не нашло сколько-нибудь широкого применения в горном деле, за исключением раскола негабаритов [10,11] и отдельных специфических случаев, когда решающим фактором являются технологические особенности дробления: чистота продукта дробления, регулируемость грансостава и пр. Критериям эффективного разрушения отвечают электротермические способы, в основе которых лежит разрушение материала под действием термонапряжений, возникающих при формировании перегретого участка внутри его объема [1,2,5,9]. Нагрев материала может осуществятся ВЧ и СВЧ электромагнитным полем, токами промышленной и высокой частоты, в том числе при дуговом разряде в твердом теле. Но подобные методы имеют высокие удельные энергозатраты и могут разрушать породы, имеющие высокую электропроводность [1,2].

В Томском политехническом университете предложен и разрабатывается новый способ разрушения горных пород, в котором реализуются все основные критерии эффективного разрушения. Способ основан на управляемом разрушающем действии электрического импульсного разряда в твердом диэлектрике. В основу способа положено установленное явление превышения электрической прочности жидких диэлектриков над электрической прочностью твердых диэлектриков при экспозиции напряжения 10″ 6 с и менее, которое зарегистрировано как открытие [14] (рис. 1). Способ позволяет разрушать твердые тела, например, горные породы, имеющие одну свободную поверхность, располагая на ней систему высоковольтных и заземленных электродов (наложенные электроды). При это электрический разряд с определенной степенью вероятности завершается пробоем твердого диэлектрика (рис. 2,а). Разрушение твердого тела происходит за счет суммарного действия механических напряжений, создаваемых вокруг канала электрического пробоя, вследствие высокого давления, развиваемого в канале и напряжений возникающих в среде при распространении образованных ударных волн [15]. На этом принципе возможно осуществлять различные виды технического разрушения непроводящих и полу проводящих материалов: бурение скважин сплошным и кольцевым забоем (рис. 2,в) [16−25], дробление руд (рис. 2,б) [26−29], резинотехнических изделий [30] и др., резание и обработку камня (рис. 2,а) [31−36], извлечение металлической арматуры из некондиционных железобетонных конструкций (рис. 2,г) [37−39], очистку труб от накипи [40,41], активацию буровых растворов [42], подготовку геологических проб [43], диспергирование растительного сырья [44] и т. п. Исследования, проведенные в ТПУ [15,45−47], позволили выявить ряд существенных преимуществ ЭИ способа разрушения по сравнению с применяемыми в практике: — высокая избирательность дробления и измельчения неоднородных по структуре материаловкВ.

10″ .

1 110 мм Х-" v V.

• ч.

4 6 8 10.

Рис. 1 Вольтсекундиые характеристики (ВСХ) пробоя диэлектриков [34]. 1. трансформаторное масло- 2- фторопласт- 4- 3. техническая вода.

1 2 д — — - - f ¦ - ¦ •" ¦ J ч / ^.

В) Г).

Рис. 2 Схемы разрушения твердых диэлектриков электроимпульсным способом. 1- высоковольтный электрод- 2- заземленный электрод- 3- твердый диэлектрик- 4- канал пробоя. а) откалываниеб) дроблениев) бурениег) разрушение железобетона.

— отсутствие многократной трансформации энергии из одного вида в другой позволяет выделять до 75% запасенной энергии накопителя в канале пробоя;

— скорость и энергоемкость разрушения, главным образом, определяются электрофизическими и упругими свойствами материалов и мало зависят от их твердости и абразивности;

— незначительный износ породоразрушающего инструмента, т.к. разрушение материала осуществляется электрическим разрядом в его толще;

Установки для ЭИ разрушения достаточно компактны, транспортабельны и могут изготавливаться, в основном, из элементов освоенных электротехнической промышленностью.

Кроме этого систематические исследования ЭИ способа показали, что его основные параметры поддаются регулированию в очень широком диапазоне. 4.

Так, при длительности энерговклада 10″ - 10″ с, развиваемая мощность в канале.

7 0 й 1Л пробоя достигает 10−10 Вт, давление в канале 10 -10 Па [48−50]. Такие параметры канала пробоя создают достаточные предпосылки для разрушения прочных и сверхпрочных пород, руд и искусственных материалов.

К настоящему времени проведены исследования по разрушению различных горных пород при пробое на фронте импульса напряжения (ФИН) [16,20,45,46,51−53] (рис.За) и прямоугольном импульсе с наносекундным фронтом (ПИНФ) [19,54,55] (рис.Зб). При этом:

— исследованы вольтсекундные характеристики горных пород, различных жидких сред и твердых диэлектриков в резконеоднородном поле и проведено их сопоставление;

— определены зависимости разрушения горных пород от параметров импульса напряжения и межэлектродного расстояния;

— выяснен характер выделения энергии и мощности в канале пробоя в зависимости от параметров разрядного контура. При этом выделение энергии в канале носит осциллирующий характер, а время выделения энергии достигает сотен микросекунд;

— проведены исследования вероятности внедрения разряда в горную породу и эффективности разрушения.

Эффективность ЭИ способа разрушения горных пород показана на примере бурения скважин [56] (рис.4). Видно, что удельные энергозатраты на разрушение для ЭИ способа с увеличением межэлектродного расстояния S уменьшаются по гиперболическому закону и при S= 300−400 мм составляют 10−20 Дж/см3. При таких межэлектродных расстояниях минимальный диаметр бурового наконечника составляет 1000−1200 мм и процесс бурения осуществляется с высокой эффективностью [57−59]. Для сравнения приведены удельные энергозатраты на бурение скважин диаметром 200 мм по породам средней крепости различными традиционными способами [2]. Для ЭИ способа бурения это соответствует межэлектродному расстоянию S^ 80 мм. Из рис. 4 видно, что уже при L= 20−30 мм (диаметр бурового наконечника не менее 100 мм) ЭИ способ бурения является конкурентоспособным с традиционными способами бурения. При этом стоимость установок для ЭИ бурения ниже, чем аналогичных механических машин [60].

Дальнейшее развитие ЭИ способа разрушения связано с необходимостью использовать в качестве изолирующей среды экологически безопасные и дешевые жидкости. Как показано в работах [17,19,20,33,61], использование технической воды приводит к значительному снижению себестоимости разрушения, улучшению условий эксплуатации ЭИ установок и повышению безопасности при проведении работ. Поэтому в настоящее время вопросу использования технической воды в качестве изоляционной жидкости при ЭИ разрушении горных пород (бурении, резании) уделяется большое внимание [62−64].

Однако при практическом использовании воды имеется ряд трудностей, которые не только тормозят, но и, по существу, не позволяют решит данную задачу при пробое на ФИН. Электродная система в воде имеет значительную емкость (сотнитысячи пикофарад), наличие которой приводит к увеличению длительности фронта импульса, и малую величину сопротивления (десятки-сотни Ом), что вызывает перераспределение напряжения между источником.

Рис. 3 Пробой на ФИН (а), ПИНФ (б) и СИН (в). wyj.

Дж/си3 300.

0 100 200 300 400 3, мм.

Рис. 4 Зависимость удельных энергозатрат для ЭИ разрушения горных пород от межэлектродного расстояния.

— гурбннное бурение шаоошечное.

— бур< - алмазное буре" -нне 1ие ударное бурение вращательное бурениевзрывное бурение.

1 ! ¦-ч импульсов и нагрузкой и, как следствие, снижение амплитуды напряжения на ней. Кроме этого в воде усиливаются токи растекания, что также приводит к снижению амплитуды импульса и искажению его фронта. Анализ имеющихся работ [20,33,53,55,65] показывает, что изза деформации импульса на нагрузке и потерь энергии в предпробивной стадии необходимо значительно повышать исходную амплитуду импульса напряжения и уменьшать длительность его фронта. При этом крутизна импульса напряжения должна составлять не менее А=200СМ-3000 кВ/мкс, что значительно’выше, чем при пробое в диэлектрических жидкостях (А=300^-500 кВ/мкс) [47,66]. Для решения данных проблем использовались следующие технические мероприятия:

— использование воды повышенной степени очистки (рв>104 Ом см), что значительно увеличивает сопротивление электродной системы и уменьшает токи утечки. Однако, удельное сопротивление воды понижается при контакте с горными породами и металлом электродной системы [55,67], поэтому требуется ее обессоливание в процессе работы [51,55], что повышает трудоемкость процесса;

— уменьшение длины неизолированной части электродов позволяет уменьшить токи утечки и снизить емкость электродной системы [20,33,68]. Однако на сегодняшний день не определен вид изоляции стойкой к ударным нагрузкам, характерным для ЭИ технологии и обладающей высокой электрической прочностью;

— уменьшение длительности фронта импульса напряжения, сокращает снижение амплитуды напряжения и деформацию импульса [33,68]. Однако уменьшение времени до пробоя приводит к возрастанию напряжений пробоя горных пород, следовательно, требует повышения амплитуды исходного импульса. Использование для этих целей ПИНФ позволило на 15−30% снизить пробивное напряжение горных пород по сравнению с ФИН в диапазоне времен 300−500 не и существенно повысить вероятность внедрения разряда и эффективность разрушения [19]. Исследования были проведены для малого диапазона межэлектродных расстояний (10−30 мм), что не дает возможности прогнозировать изменения пробивного напряжения для более длинных промежутков.

Однако перечисленные выше меры либо недостаточно эффективны, либо требуют сложных схемных решений. Одним из путей, позволяющих уменьшить потери напряжения и, следовательно, повысить эффективность разрушения горных пород в воде является уменьшение напряженности на электродной системе. Как установлено в ряде работ [16,46,52], увеличение пробивного напряжения в зависимости от межэлектроднсто расстояния носит нелинейный характер, а с возрастанием межэлектродного расстояния эффективность ЭИ разрушения резко возрастает (рис.4). Увеличение межэлектродного расстояния позволяет существенно снизить напряженность поля на электродах, что приводит к уменьшению снижения амплитуды напряжения. Однако, при пробое горных пород в воде на ФИН, даже в этом случае требуются значительные амплитуды напряжения (мрамор: S= 30 мм, U (, r=350 кВ [46]- гранит: S= 40 мм, Ulip=470 кВ [52]), что создает проблемы для разработки источника импульсов напряжения небольших габаритов с требуемыми параметрами и рассчитанного на длительный режим работы.

Таким образом, требуется новый подход к проблеме ЭИ разрушения горных пород в воде при приемлемых для технического исполнения параметрах источника напряжения. Поэтому, целью данной работы является поиск путей снижения требований к параметрам импульса напряжения, уменьшения пробивных напряжений горных пород, увеличения вероятности внедрения разряда и, как следствие, повышение эффективности ЭИ разрушения горных пород. Нами [62,69−71] была предложена и экспериментально подтверждена возможность осуществления пробоя горных пород в воде на спаде импульса напряжения (СИН) (рис.Зв). При этом эффективность разрушения не снижается по сравнению с пробоем на ФИН или ПИНФ при сохранении основных преимуществ.

Работа выполнялась в рамках единого госбюджетного заказнаряда НИИ ВН при ТПУ, тема 4.11.96. «Исследование и разработка высоковольтных источников для электроимпульсных технологий» (1996 г.) — контракта с фирмами KomatsuMitsui «Демонстрационные испытания макета установки по электроимпульсному бурению скважин различного диаметра» (1996;1997 г.) — контракта с фирмой Komatsu «Электроимпульсная технология обработки материалов и сред» (1997;1998 г.) — единого госбюджетного заказнаряда ТПУ, тема 1.09.104 «Исследование пробоя и разрушения изоляции в импульсных электрических полях и электрических полей и объемных зарядов в воздухе в промежутках с движущимся барьером» (1999;2000 г.). •.

Цель работы: поиск путей снижения пробивных напряжений горных пород, увеличения вероятности внедрения разряда и снижения требований к форме импульса напряжения для разрушения гранита и бетона в воде. Основные задачи работы:

1. Исследовать пробивные напряжения гранита и бетона в воде от времени воздействия напряжения, параметров воздействующего импульса, расстояния между электродами при пробое на спаде импульса с целью выбора параметров импульса, обеспечивающих максимальную вероятность внедрения разряда в разрушаемый материал и минимальные пробивные напряжения.

2. Исследовать характеристики разрушения гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжения при дециметровых межэлектродных расстояниях для определения режимов, обеспечивающих эффективное разрушение.

3. Разработать и испытать различные конструкции устройств для ЭИ разрушения горных пород в воде при дециметровых межэлектродных расстояниях, создать опытно демонстрационную установку.

Научная новизна работы: При исследовании вольтсекундных характеристик (ВСХ) гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжения для межэлектродных расстояниях 20-И 50 мм и установлено:

— вероятность внедрения разряда в гранит и бетон при пробое на СИН по сравнению с пробоем на фронте импульса увеличивается вследствие изменения характера развития разряда по границе раздела «жидкостьтвердое тело»;

— пробивное напряжение гранита при пробое на спаде импульса ниже на 40^-60% по сравнению с пробоем на фронте импульса и плоской части прямоугольного импульса вследствие изменения характера развития разряда;

— пробивное напряжение гранита возрастает при увеличении длительности фронта импульса и уменьшения длительности импульса.

— Реализовано разрушение гранита и бетона в воде при пробое межэлектродных расстояний до 300 мм и проведена оценка его эффективности.

— Предложены рекомендации по конструированию породоразрушающих устройств, разработаны устройства электродных систем и подтверждена их работоспособность для разрушения в воде гранита и бетона при дециметровых межэлектродных расстояниях. Автор защищает:

— Преимущества способа ЭИ разрушения гранита и бетона при пробое в воде не на фронте импульса, а на его спаде, что приводит к снижению пробивного напряжения и возрастанию вероятности внедрения разряда.

— Результаты исследований характеристик ЭИ пробоя и разрушения гранита и бетона в воде при межэлектродных расстояниях до 300 мм.

— Перспективность использования рассматриваемого способа пробоя и увеличения эффективности разрушения горных пород в воде.

— Техническую реализацию устройств для ЭИ разрушения гранита и бетона в воде.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована необходимым объемом экспериментальных данных, обеспечивающих статистический анализ результатов, использованием современных методик измерений и соответствующей аппаратуры, а также экспериментальным подтверждением эффективности разрушения гранита и бетона в воде при дециметровых межэлектродных расстояниях на опытнодемонстрационных устройствах.

Практическая ценность и реализация работы: 1. Установленное снижение пробивных напряжений гранита и бетона в воде на спаде импульса, по сравнению с пробоем на фронте импульса, позволяет конструировать технологические ЭИ установки с более низкими требованиями к параметрам разрушающего импульса (амплитуда и крутизна фронта импульса, время до пробоя), а, следовательно, к установке в целом.

2. В рамках контакта с фирмой Komatsu в лабораторных условиях реализовано разрушение гранита и бетона в воде при межэлектродных расстояниях 100-ь 300 мм.

3. На основании полученных результатов разработаны и созданы опытные устройства для разрушения горных пород й бетона в воде: буровой наконечник для бурения скважин диаметром 300 ммэлектродные системы для снятия поверхностных слоев бетона с дециметровыми межэлектродными расстояниями.

4. Результаты исследований могут быть использованы при разработке промышленных устройств для ЭИ разрушения горных пород в воде.

Апробация работы:

Основные положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на И и 12 IEEE International Pulsed Power Conferences (Балтимор 1997, Монтерей 1999 г., США), первой, второй, третьей и четвертой Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых им. М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 1997,1998,1999,2000 г.), четвертой и пятой областных научнотехнических конференциях молодежи и студентов «Современные техника и технологии» (Томск, 1998,1999 г.), Международном семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск,.

1999 г.), пятом Всероссийском научнотехническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999 г.), шестой Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2000 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы» (УланУдэ,.

2000 г.), на научнопрактической конференции по горным ударам (Таштагол, 2000 г.), на юбилейной научнопрактической конференции «Проблемы и пути эффективного освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири и Дальнего Востока» (Томск, 2000).

Объем и структура работы: Диссертационная работа изложена на 124 страницах основного текста, содержит 58 рисунков, 11 таблицсостоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографии, включающей 139 источников, 4 приложений на 18 страницах. Общий объем диссертации 142 страницы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. При нахождении электродов в шпурах можно производить не только раскол блоков породы ограниченных размеров, но и отрывать куски породы от массива при многократном импульсном воздействии.

2. Потери энергии в предпробивной стадии определяются, главным образом, напряженностью электрического поля на электродах. Для снижения потерь необходимо изготавливать нерабочие части с конфигурацией, позволяющей снизить напряженность на их поверхности для снижения потерь энергии в предпробивной стадии.

3. Величину снижения амплитуды напряжения можно уменьшить до 15-г20% при соблюдении соотношения RHarp/ZrMH>(4⁵), что позволяет при имеющихся ГИН с сопротивлением 10−20 Ом разрушать горные породы в воде электродными системами с сопротивлением в пределах 50−5-80 Ом.

4. Впервые обнаружено, что перекрытие полимерных твердых диэлектриков в воде связано с их гидрофобностью. Поэтому рекомендуется изготавливать изоляцию из гидрофильных твердых диэлектриков. Для исключения развития разряда по поверхности полимерной изоляции необходимо или производить экранировку изоляции, путем изменения формы электрода или изготавливать потенциальный электрод с размерами, которые бы исключали зажигание разряда на его поверхности, т. е. напряженность на электроде должна быть меньше, чем напряженность зажигания разряда в «тройной точке».

5. Разработаны, изготовлены и испытаны устройства для ЭИ разрушения гранита и бетона в воде: устройство для разрушения поверхностного слоя и резания щелей в бетонах при непрерывном перемещении электродов вдоль его поверхностибуровой наконечник диаметром 270 мм для бурения гранита в воде.

Ill.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Электроимпульсный способ, разрабатываемый в Томском политехническом университете, является одним из перспективных электрофизических способов разрушения крепких горных пород при бурении скважин, резании природного камня, дроблении и измельчении руд и т. д.

Данная работа посвящена исследованию пробоя и разрушения гранита и бетона в воде. Целью работы являлся поиск путей снижения пробивных напряжений горных пород, увеличения вероятности внедрения разряда и снижения требований к форме импульса напряжения для разрушения гранита и бетона в воде. В связи с этим в работе решены следующие основные задачи:

1. Впервые предложена, апробирована и разработана методика внедрения канала разряда в твердые диэлектрики в воде на спаде импульса напряжения.

2. Исследованы закономерности изменения пробивных напряжений гранита и бетона в зависимости от различных факторов при пробое на спаде импульса напряжения.

3. Исследованы характеристики разрушения гранита и бетона в воде при пробое на спаде импульса напряжения при расстояниях между электродами до 300 мм.

4. Разработаны различные конструкции устройств для ЭИ разрушения с расстояниями между электродами до 100 мм и проведены их испытания в лабораторных условиях для разрушения гранита и бетона в воде.

Решение указанных задач осуществлялось путем измерения параметров разрушения гранита и бетона с синхронной осциллографической записью процессов их пробоя. Экспериментальное оборудование позволяло получать импульсы напряжения с амплитудой 50−700 кВ, длительностью фронта на нагрузке не менее 0,25 мкс и энергией в импульсе до 45 кДж. Для регистрации напряжение на нагрузке и тока в канале пробоя использовались омические делители напряжения, токовый шунт и пояс Роговского. Синхронная запись напряжения и тока позволяла осуществлять контроль за процессом пробоя.

Результаты проведенных исследований по пробою гранита и бетона в воде на спаде импульса напряжения могут быть сведены к следующему:

1. Использование пробоя гранита и бетона в воде на СИН позволило расширить в сторону больших времен временной диапазон, при котором происходит внедрение разряда в горную породу.

2. Установлено, что пробивное напряжение гранита при пробое на СИН на 55+60% ниже, чем на ФИН и 38+40% ниже, чем на ПИНФ. Это обусловлено тем, что формирование разряда на СИН представляет собой комбинацию формирования разряда при действии ФИН и ПИНФ. Эффект снижения пробивного напряжения положен в основу разработки устройств для разрушения гранита и бетона при использовании дециметровых расстояний между электродами.

3. Установлено, что увеличение длительности фронта и уменьшение длительности импульса приводит к возрастанию пробивного напряжения для гранита. Так, при увеличении длительности фронта импульса с 0,25 до 0,75 мкс пробивное напряжения гранита возросло примерно в 1,6 раза.

4. На основании полученных результатов и литературных данных впервые показано, что при пробое гранита имеет место длительность фронта (0,1+0,2 мкс), при которой пробивное напряжение минимальное.

5. Предложена гипотеза, объясняющая снижение пробивного напряжения и возрастание вероятности внедрения разряда при пробоя на СИН по сравнению с ФИН.

Закономерности, установленные при пробое гранита и бетона послужили исходными данными для проведения исследований по определению эффективности разрушения гранита и бетона на СИН. На основе выполненных в настоящей работе исследований и анализа известных литературных данных по разрушению гранита и бетона можно сделать следующие выводы:

1. Предложенный способ пробоя на спаде импульса напряжения позволяется добиться 100% вероятности внедрения разряда в горные породы в воде.

2. В стадии формирования канала пробоя эффективность разрушения определяется вероятностью внедрения разряда в горную породу. Установлено, что при пробое на СИН максимальное время, при котором еще происходит 100% внедрение разряда в гранит и бетон (критическая экспозиция напряжения), линейно возрастание с увеличением межэлектродного расстояния.

3. Установлено, что при многоимпульсном воздействии на горную породу при неизменном положении электродов, характер изменения удельных энергозатрат на разрушение от числа импульсов имеет минимум, наблюдающийся при воздействии 2+5 импульсов.

4. Экспериментально установлено, что при изменении межэлектродного расстояния с 10 до 300 мм характер изменения основных зависимостей ЭИ разрушения: удельной производительности импульса и удельных энергозатрат аналогичен имеющимся данными на ФИН и ПИНФ в трансформаторном масле.

5. Установлено, что эффективность разрушения на СИН в воде не снижается по сравнению с разрушением на ФИН в трансформаторном масле.

6. Впервые проведено разрушение гранита и бетона в воде при межэлектродных расстояниях до 300 мм.

Исследование закономерностей разрушения гранита и бетона в воде позволили разработать практические рекомендации для проектирования породоразрушающих устройств. Испытания разработанных устройств в лабораторных условиях при разрушении гранита и бетона в воде выявили высокую эффективность их работы, что позволило сделать важные практические и научные выводы:

1. Предложены рекомендации по изготовлению электродных систем для повышения эффективности их работы в воде, позволяющие снизить потери энергии в предпробивной стадии за счет изготовления не рабочих частей электродов конфигурацией, позволяющей снизить напряженность на их поверхности для снижения потерь энергии в предпробивной стадии.

2. Разработанные конструкции электродных систем с расстояниями между электродами до 100 мм позволяют производить эффективное разрушение поверхностных слоев бетона при перемещении электродов вдоль поверхности с низкими энергозатратами, причем с увеличением числа электродов эффективность разрушения возрастает. Подобными конструкциями можно также проводить резание щелей, при этом эффективность разрушения существенно возрастает по сравнению со стержневыми или пластинчатыми резаками.

3. Установлено, что при соотношении сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению ГИН в пределах 4+5 можно добиться уменьшения снижения амплитуды импульса напряжения до 15+20%, что позволяет при современных конструкциях ГИН с волновым сопротивлением 10-н 15 Ом, использовать электродные системы сопротивлением 40+60 Ом для эффективного разрушения горных пород.

4. Показано практическая возможность отрыва породы от массива при использовании шпуров, что приводит к возрастания производительности разрушения по сравнению с системой наложенных электродов.

5. Снижение надежности полиэтиленовой изоляции в вроде связано с гидро-фобностью его поверхности, что облегчает развитие разряда в нижней части изолятора. Для повышения надежности работы изоляции предложено использовать материалы, имеющие гидрофильную поверхность (например резину) или изготавливать электроды, контактирующие с изоляцией увеличенного диаметра, для снижения на них напряженности электрического поля.

6. На основании проведенных исследований был разработан буровой наконечник диаметром 270 мм для бурения горных пород в воде, который показывает высокую надежность работы.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н, профессору Каляцкому И. И., к.т.н. доценту Бажову В. Ф. за научное руководство, консультации и постоянное внимание при выполнении работы, сотрудникам НИИ высоких напряжений к.т.н. Муратову В. М., с.н.с. Пельцману С. С., д.ф.-м.н, Боеву С. Г., с.н.с. Левченко Б. С., к.т.н. Адаму A.M., а также сотрудникам кафедры ТЭВН за оказанную помощь, ценные советы и консультации в процессе выполнения и написания работы.