Научно-техническое обоснование параметров и создание безопасных способов и средств разупрочнения мерзлых горных пород СВЧ электромагнитной энергией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.04, доктор технических наук Рябец, Николай Иванович

• Рябец, Николай Иванович
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Рябец, Николай Иванович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОХОДКИ ОТКРЫТЫХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК

1.1. Общие сведения

1.2. Техника и технология проходки поверхностных горных выработок

1.2.1 Траншейный способ разведки

1.2.2 Техника и технология проходки геологоразведочных канав

1.3. Техника и технология проходки геологоразведочных скважин

1.3;. Колонковое бурение

1.3 1 Ударно-канатное бурение

1.3 Техника и технология проходки скважин большого диаметра и комбинированного бурения

1.4. Техника и технология проходки геологоразведочных шурфов

1.5. Применение СВЧ энергии для подготовки мерзлых пород к выемке при проходке горных выработок

1.6. Цель, задачи и методы исследований

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

УТЕЧЕК СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО БЕЗОПАСНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВЧ УСТАНОВОК

2.1. Экспериментальные исследования утечек электромагнитного поля, возникающих при вводе СВЧ энергии в породу с помощью открытых излучающих систем

2.1.1. Вводные замечания

2.1.2. Методика и аппаратура исследований

2.1.3. Обсуждение результатов измерений

2.1.4. Прогнозная оценка электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ устройств, использующих открытые излучающие системы

2.1.5. Определение коэффициента утечек СВЧ энергии из призабойной зоны

2.2. Разработка устройств снижения утечек СВЧ энергии из технологической зоны и оценка их эффективности

2.2.1. Экспериментальное определение электромагнитного поля в зоне обслуживания СВЧ установки ЭВИК-1

2.2.2. Обоснование и выбор типов заграждающих структур для снижения утечек энергии и технологического зазора

2.2.3. Методика и аппаратура для определения эффективности заграждающих структур

2.3. Результаты экспериментальных исследований. Оценка эффективности заграждающих структур

2.3.1. Поле излучения в задней полуплоскости пирамидального рупора

2.3.2. Защитное устройство компенсационного типа

2.3.3. Заграждающее устройство контактного типа

2.4. Экспериментальная проверка эффективности заграждающих структур и оценка электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установки ЭВИК-1

2.4.1. Постановка задачи

2.4.2. Оборудование, аппаратура, методика измерений

2.4.3. Результаты измерений электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установки ЭВИК-1

Выводы

Глава 3. Теоретическое исследование нагрева массива мерзлой породы СВЧ полем с учетом начального рас-' пределения температуры и влажности

3.1. В в одные замечания

3.2. Постановка задачи. Определение тепловых

ж очников в массиве породы

3.3. Нагрев массива мерзлой породы до начала образования в нем фазового перехода

3.4. Оттаивание в СВЧ электромагнитном поле мерзлых пород с естественным градиентом температуры и влажности

Выводы

Глава 4. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СВЧ ЭНЕРГЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ СВЧ ЭНЕРГИИ В МАССИВ МЕРЗЛОЙ ПОРОДЫ

Г

4.1. Экспериментальные исследования коробчатого рупора возбуждаемого волно водно-щелевым излучателем

4.1.1. Постановка задачи

4.1.2. Методика и аппаратура эксперимента

4.1.3. Температурное поле коробчатого ру-* пора, возбуждаемого волно водно-

щелевыми антеннами с продольными щелями

4.2. Экспериментальные исследования электродинамических характеристик коробчатого рупора

4.2.1. Постановка задачи

f 4.2.2. Методика и аппаратура эксперимента

4.2.3. Коробчатый рупор с двумя волновод-но-щелевыми решетками взаимно-ортогональной поляризации

4.2.4. Коробчатый рупор с двумя волновод-но-щелевыми решетками взаимно-

ортогональной поляризации

ВЫВОДЫ

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВВОДА

* СВЧ ЭНЕРГИИ В МЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ (МАССИВОВ)

5.1. Излучатели СВЧ энергии для комбинированной проходки шурфов и котлованов

5.1 Л. Электродинамические параметры излучателей

5Л .2. Методика экспериментальных иссле-

* дований

5.1.3. Формирование температурных полей в мерзлом массиве

5.1.4. Конструкция СВЧ излучателей на

частоте 460 МГц

5.2. Нагрузочные характеристики открытых резонансных систем

* 5.2.1. Особенности ввода СВЧ энергии в

мерзлую породу

5.2.2. Методика исследований

5.2.3. Влияние фазовых переходов в массиве породы на характеристики рупор-но-щелевых излучателей

5.3. Влияние конструкции излучающей системы

* на уровень утечек из технологической зоны

5.3.1. Вводные замечания

5.3.2. Аппаратура и методика измерений

5.3.3. Влияние конструкции излучателя и элементов заграждающих структур на уровень поля утечек

f Выводы

б

Глава 6. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С МЕРЗЛЫМ МАССИВОМ. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ОТКРЫТЫХ ГОРНО-РАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК

6.1. Разработка методики и аппаратуры для исследования СВЧ нагрева мерзлых пород на частоте 430 МГц

6.1.1. Вводные замечания

6.1.2. Методика и аппаратура эксперимента

6.1.3. Разработка коаксиально-волновод-ного перехода на частоте 430 МГц..

* 6.2. Экспериментальное исследование СВЧ нагре-

ва мерзлых пород на частоте 430 МГц

6.2.1. Постановка задачи

6.2.2. Условия проведения эксперимента

6.3. Температурные поля в мерзлой породе после СВЧ воздействия на частоте 430 МГц

6.3.1. Песок крупнозернистый

* 6.3.2. Супесь

6.3.3. Суглинок

6.3.4. Характеристика оттайки мерзлых пород на частоте 430 МГц

6.4. Оценка энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ электромагнитного поля частотой 430 МГц с мерзлой

* породой

6.5. Технология разработки и требования к излучающим системам СВЧ установок

Выводы

Глава 7. Исследование диэлектрических свойств мерзлых

горных пород

Выводы

* ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-техническое обоснование параметров и создание безопасных способов и средств разупрочнения мерзлых горных пород СВЧ электромагнитной энергией»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие горнодобывающей промышленности и строительства в районах Крайнего Севера и Северо-Востока России сопряжено с необходимостью решения проблемы повышения эффективности разработки мно-голетнемерзлых и мерзлых дисперсных горных пород (массивов).

Наиболее трудоемкими и дорогостоящими являются работы, связанные с проходкой горных выработок сравнительно небольшого объема (котлованов, разведочных траншей, канав и шурфов), так как производство этих работ связано с разрушением пород, обладающих наибольшей начальной отрицательной температурой и, как показывает практика, высокой прочностью и абразивностью.

Применяемые в настоящее время традиционные способы подготовки мерзлых пород к выемке (электрооттайка, гидро- или парооттаивание, буровзрывные работы) отличаются многооперационностью, высокой опасностью, сравнительно низкой производительностью. В связи с этим поиск новых способов (методов) подготовки мерзлых пород к выемке представляет собой актуальную научную и практическую проблему.

Перспективным способом подготовки мерзлых пород к выемке, обладающем на современном уровне развития науки и техники наибольшей безопасностью, является воздействие на мерзлую породу электромагнитной энергии сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ), позволяющее в отличие от других способов реализовать снижение прочности породы в ее объеме с высокой эффективностью. Однако, разработка СВЧ установок, экономически целесообразно реализующих данный способ подготовки мерзлых пород к выемке, сдерживается недостаточной изученностью закономерностей снижения прочности многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых горных пород под воздействием СВЧ излучения и отсутствием научно-обоснованных методик выбора безопасных оптимальных параметров СВЧ установок и технологий.

В настоящее время проходка открытых горных выработок ограниченного объема в условиях Северо-Востока в основном ведется после предварительной подготовки, буровзрывным способом или с помощью тепловой энергии. Однако, это приводит к излишнему увеличению объемов проходки, осложняет и в ряде случаев исключает проведение работ в естественных городских условиях, не обеспечивает требуемой производительности (при проведении аварийно-спасательных работ) снижает при проведении горно-разведочных работ качество и достоверность опробования.

Реальную основу для интенсификации проходки открытых горных выработок ограниченного объема создают методы подготовки, основанные на объемном нагреве (разупрочнении) мерзлых пород СВЧ электромагнитной энергии.

В 1982-1995 гг. в ИГДС ЯФ СО АН СССР при непосредственном участии и научном руководстве автора созданы ряд СВЧ установок для экстренного вскрытия зон аварий в мерзлых массивах на базе генератора выходной мощностью 25-50 кВт, и рабочей частотой 460-915 МГц.

Испытания установок в условиях г. Якутска, г. Омска и г. Магадана показали, что предварительная подготовка мерзлых пород к выемке с помощью метода СВЧ нагрева позволяет увеличить производительность разработки котлована в 2-2,5 раза, себестоимость работ при этом снизилась. Положительные результаты испытаний СВЧ установок показали на целесообразность дальнейшего развития работ по применению СВЧ энергии для повышения эффективности и безопасности разработки мерзлых пород в условиях Крайнего Севера и Северо-Востока.

Проблемам взаимодействия СВЧ-электромагнитного поля с мерзлыми горными породами (массивами) и электрофизическими способами разрушения крепких пород посвящен ряд работ отечественных и зарубежных ученых - академика В.В.Ржевского|, проф. Ю.И.Протасова, проф. Г.Я.Новика, проф. Ю.М.Мисник], проф. А.Н.Москалева, проф.

A.С.Гончарова, проф. А.П.Дмитриева, д.т.н. А.В.Варзина, д.т.н.

B.С.Кравченко, инж. С.С.Красновского, д.т.н. А.Д.Долголаптева, д.т.н. Ю.Н.Захарова, д.н.т. Л.Б.Некрасова, проф. А.В.Нетушила, к.т.н. А.П.Образцова, к.т.н., доц. В.А.Хоминского, к.т.н. Л.Э.Рикенглаза, к.т.н. О.Б.Шонина, к.т.н. Килькеева и др.

Однако, эти результаты базируются на предположении равномерного по глубине распределения электрических и теплофизических свойств, температур и влажности в горной породе и массиве, и поэтому полученные результаты с полным правом могут быть отнесены только к случаю разработки мерзлых пород и массивов в подземных условиях, где начальная температура ( 7') и влажность ( W ) распределены в толще породы (массиве) примерно равномерно. Для многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых пород естественного сложения, в которых осуществляется проходка открытых горных, разведочных и строительных выработок влажность и температура многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых пород (массивов) с глубиной непрерывно изменяются, при этом изменение этих параметров в пределах глубины проникновения СВЧ электромагнитного поля в мерзлую породу (массив) достигает больших величин. Вследствие этого разупрочнение (оттаивание) массива мерзлой породы СВЧ полем в условиях открытых горных работ существенно отличается, как в качественном, так и в количественном отношении от разупрочнения (оттаивания) горных пород с рав-

номерно распределенными в массиве свойствами. Поэтому для обоснованного выбора безопасных энергетических и технологических параметров, безопасных параметров СВЧ устройств и технологии проходки открытых горных, разведочных и строительных выработок в мерзлых породах необходимо было детально изучить закономерности взаимодействия массива мерзлых пород с СВЧ излучением (СВЧ полями) с учетом реальных физико-механических и теплофизических свойств мерзлых пород (массивов) естественного залегания и создать безопасные способы и средства разупрочнения (оттаивания)мерзлых горных пород СВЧ электромагнитными полями.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований подтверждают возможность успешного применения ЭМП СВЧ диапазона для интенсификации технологических процессов в геологоразведке, горном деле и строительстве в условиях распростанения многолетней и сезонно-мерзлой мерзлоты. Эти результаты позволили создать, с участием и под руководством автора, первые СВЧ устройства с рабочей частотой 915, 430 и 460 МГц для разрушения, разупрочнения и оттаивания мерзлых пород.

В настоящей работе впервые предпринято научно-технически обосновать параметры и создать безопасные способы и средства разупрочнения мерзлых горных пород СВЧ электромагнитной энергией, установить количественные и качественные зависимости взаимодействия массива мерзлых пород с СВЧ излучением с учетом реальных физико-механических свойств мерзлых пород естественного залегания, разработать и обосновать безопасную технологию проведения открытых горных и строительных выработок в мерзлых породах воздействием СВЧ энергии с целью интенсификации их разработки (экскавации).

Исследования по данной проблеме выполнены автором в течении 1982-1997 гг. и входят в комплекс работ, выполняемых в рамках научно-тематических планов Института горного дела Севера ЯФ СО АН СССР по Постановлению Сибирского отделения АН СССР №40 от 06.02.81 г., № Государственной регистрации 01830078357 и № Государственной регистрации 01840024532, по комплексной целевой Государственной программе «Сибирь», подпрограмме Южно-Якутский ТПК, по Постановлениям Государственного Комитета по науке и технике СССР и АН СССР № 395/96 от13.07.84 и №422 от 17.09.86., по Общесоюзной программе Государственного значения «Горнодобывающая и строительно-дорожная техника для Севера», а также в рамках научно-тематических планов ИГД им. A.A. Скочинского - тема: «Разработать методику изучения физико-технических свойств углепородного массива, как разрушаемой среды с природными и техногенными зонами предразрушениями», № Гос. Регистрации 011009064010, 1997 г.

Научно-техническому обоснованию, экспериментальной проверке безопасных параметров и созданию безопасных способов и технических средств, обеспечивающих высокую эффективность разработки мерзлых пород (массивов) при проведении открытых горно-геологических и строительных выработок, на основе изучения прочности и разрушения мерзлых пород (массивов) воздействием СВЧ энергией, посвящена настоящая работа.

В первой главе рассматриваются существующие методы подготовки мерзлых пород к разработке, анализируются способы и техника проходки открытых горно-разведочных выработок и шурфов в мерзлых породах Северо-Востока, России, анализируется современное состояние исследований в области применения СВЧ энергии при разработке мерзлых пород.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований утечек СВЧ электромагнитного поля из технологической зоны воздействия и рекомендации по безопасным условиям эксплуатации СВЧ установок.

В третьей главе приводятся результаты теоретических исследований и численный расчет по определению основных характеристик разупрочнения и оттаивания мерзлых пород СВЧ ЭМП с учетом особенностей этого процесса, проявляющихся в условиях проведения открытых горноразведочных и строительных выработок - поверхностного теплообмена, начального распределения температуры влажности ¥/(■/) по глубине.

В четвертой главе решаются задачи по разработке безопасных технических средств СВЧ энергетики и оптимизации процесса передачи СВЧ энергии в массив мерзлой породы.

В пятой главе приводятся результаты по экспериментальной отработке безопасных оптимальных параметров процесса ввода СВЧ энергии в массивы мерзлых пород.

Шестая глава посвящена оценке безопасных энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ электромагнитных полей с мерзлым массивом, технологии разработки мерзлых пород и требования к изучающим системам.

В седьмой главе приводятся результаты измерений электрических свойств мерзлых дисперсных пород, слагающих деятельный слой в районе г. Якутска и отобранных из многолетнемерзлой толщи на россыпных месторождениях приисков «Экспериментальный» (ПО «СВЗ») и «Кулар» (ПО «Якутзолото»),

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- Экспериментально установлено влияние температуры, влажности и частоты СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические свойства мерзлых дисперсных пород, характерных для региона г. Якутска, и мерзлых пород, слагающих продуктивный слой россыпных месторождений Северо-Востока (на примере приисков Кулар ПО Якутзолото и Экспериментальный ПО Северовостокзолото).

- Впервые выявлены закономерности разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород в СВЧ электромагнитном поле (ЭМП) с рабочими частотами 2375, 915, 430 и 460 МГц с учетом естественного начального распределения температуры и влажности по глубине мерзлого массива, а также зависимости электрических свойств от температуры и влажности пород на частоте ЭМП 915 МГц.

- Разработаны экспериментальные методы и аппаратура для исследования процессов разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород СВЧ энергией в условиях естественного залегания, защищенные авторскими свидетельствами.

- Установлены основные закономерности разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород в СВЧ ЭМП: динамики развития талой зоны, зависимость глубины талого слоя от времени воздействия; выход массы оттаявшей породы от мощности излучения и времени воздействия; скорость движения фазового фронта от физико-механических свойств мерзлых пород; влияние частоты СВЧ ЭМП на глубину эффективного проникновения в мерзлую толщу СВЧ поля. Впервые определены предельные оптимальные глубины разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород в зависимости от мощности излучения (плотности потока излучения), рабочей частоты источника СВЧ энергии, исходного физико-механического состояния мерзлого массива и гранулометрического состава мерзлых пород.

- Впервые установлено влияние поверхностного и кондуктивного теплообмена на разупрочнение и оттаивание массива многолетнемерзлых пород в СВЧ электромагнитном поле.

- Установлены зависимости глубины и энергоемкости разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород естественного залегания от электрических и теплофизических свойств породы в массиве, его исходного состояния и параметров электромагнитного воздействия СВЧ поля.

- Определены геометрия и динамика развития талых зон при излучении СВЧ энергии из апертурных излучателей; предложена методика расчета и обоснования безопасных параметров СВЧ установок для интенсификации проведения открытых горно-разведочных и строительных выработок; установлена зависимость производительности подготовки мерзлого

массива к выемке в схеме локального оттаивания от мощности источника СВЧ-энергии.

- Предложена безопасная технология проведения открытых горно-разведочных и строительных выработок (котлованов, траншей, разведочных канав, шурфов и т.д.) на основе послойного разупрочнения и оттаивания мерзлых пород СВЧ энергией.

- Впервые разработан типоряд СВЧ установок с рабочими частотами ЭМП 2375, 915, 430 и 460 МГц для экстренного вскрытия подземных инженерных коммуникаций в мерзлых породах - типа ЭВИК, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами.

- Впервые предложен способ контроля разупрочнения и нагрева мерзлых пород СВЧ энергией, новизна которого подтверждена авторским свидетельством; разработано устройство для измерения температурных полей в массиве мерзлых пород, новизна которого подтверждена авторским свидетельством.

- Разработаны рекомендации по СВЧ безопасности установок типа ЭВИК использующих открытые апертурные излучатели для ввода электромагнитной энергии в массив мерзлых горных пород.

- Впервые разработана и испытана СВЧ установка, на основе магни-трона "Хребет" (М-137), выходной мощностью 50 кВт с рабочей частотой 460 МГц на новой элементной базе для экстренного разупрочнения мерзлых пород "ЭВИК-2Р" применительно к проходке котлованов, траншей, разведочных канав, шурфов.

- Разработаны и предложены методические указания по способам оценки и прогнозирования электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установок типа "ЭВИК".

- Впервые определены оптимальные энергетические параметры СВЧ генератора "Хребет" с выходной мощностью 50 кВт, рабочей частотой 460 МГц, обеспечивающие высокую надежность и безопасность работы генератора и источника СВЧ энергии в условиях холодной климатической зоны.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается: В установлении закономерностей, количественных и качественных зависимостей взаимодействия СВЧ электромагнитных полей с многолетнемерзлыми горными породами (массивами) естественного залегания с начальным градиентом температуры и влажности по глубине, развивающих существующее представление о разупрочнении и оттаивании мерзлых массивов (пород) СВЧ энергией, а также имеющих большое значение для развития науки о физических процессах горного производства и для изучения в целом проблемы электрофизических способов разрушения горных пород (массивов). В научно-техническом обосновании безопасных энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ ЭМП с мерзлыми горными породами (массивами), в исследовании, обосновании и разработке безопасных

СВЧ технических средств и экологически чистых технологий разупрочнения (снижения прочности) многолет-немерзлых и сезонномерзлых пород при их экскавации, что вносит значительный вклад в изучение научного направления "Промышленная безопасность".

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит: В обосновании безопасной технологии проходки открытых горно-разведочных и строительных выработок в условиях Северо-Востока РФ с предварительным разупрочнением и оттаиванием много-летнемерзлых и сезонномерзлых пород СВЧ энергией, основанной на принципе послойного локального разупрочнения и оттаивания и на принципе единичного воздействия по всему периметру и заданной глубине выработки (забоя). Даны рекомендации по расчету, обоснованию и выбору безопасных параметров СВЧ установок технологических и энергетических параметров для разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых и сезонномерзлых пород в процессе проведения открытых горных и строительных выработок (траншеи, канавы, котлованы, шурфы и т.д.).

В разработке и апробации ряда СВЧ установок для экстренного разупрочнения мерзлых горных пород в условиях многолетней мерзлоты ЭВИК 1, ЭВИК-2Р и ЭВИК-ЗР.

Разработана методика расчета и выбора оптимальных параметров СВЧ устройств для разупрочнения и оттаивания мерзлых горных пород при проходке открытых горно-разведочных и строительных выработок. Методика использована для обоснования безопасных параметров опытно-промышленных установок для проходки котлованов, траншей, шурфов. Разработаны основные технические требования к конструированию безопасных, экологически чистых СВЧ устройств для послойного разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород (подготовки к экскавации). Разработаны исходные технические требования и ТЗ для конструирования новых отечественных генераторов непрерывного действия и источников СВЧ энергии. Доказана возможность использования и надежная работа СВЧ устройств для подготовки мерзлых пород к выемке в условиях Крайнего Севера и Северо-Востока Российской Федерации.

В разработке, обосновании и испытании конструкций согласующих устройств контактного и дроссельного типов, использование которых в СВЧ установках типа "ЭВИК", для подавления утечек излучающей СВЧ энергии из технологической зоны, позволяет снизить интенсивность ЭМП в рабочей зоне обслуживающего персонала до безопасного уровня.

Разработаны и переданы для практического использования:

а) Методические указания по способам оценки прогнозирования электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установок;

б) Инструкция по технике безопасности по СВЧ утечкам при работе на СВЧ установках типа "ЭВИК";

в) Инструкция по общей технике безопасности при эксплуатации СВЧ установок для разупрочнения мерзлых горных пород (массивов).

Установлено, что наиболее безопасной схемой для работы по разупрочнению мерзлых пород при их экскавации является модульная, в которой генератор, электромагнит, накальный трансформатор и излучающая система выделены в отдельный блок (тележку - манипулятор), а источник питания СВЧ энергии размещается, в зависимости от решаемой проблемы, на базовой машине.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ЗАЩИЩАЕМЫЕ В РАБОТЕ:

- Предварительное разупрочнение и оттаивание многолетнемерзлых пород СВЧ энергией является эффективным направлением интенсификации проходки открытых горно-разведочных и строительных выработок в условиях Северо-Востока России.

- Воздействие СВЧ электромагнитного поля на многолетнемерзлые породы с естественным начальным распределением температуры по глубине приводит к более равномерному разупрочнению и оттаиванию породы по сравнению с условием, когда исходное температурное поле в породе однородно.

- Влияние теплообмена на границе мерзлого массива на динамику нагрева мерзлого массива СВЧ электромагнитным полем при максимальных координатах теплообмена, характерных для условий проведения открытых горных и строительных работ на Северо-Востоке, проявляется в пределах незначительной глубины, не превышающей (2-4%) от глубины эффективного проникновения электромагнитного поля в породу.

- Результирующее температурное поле при СВЧ нагреве мерзлого массива с начальным естественным распределением температуры содержит минимум, который в процессе нагрева перемещается вглубь по логарифмическому закону, уменьшаясь по абсолютной величине. Скорость нагрева СВЧ энергией мерзлых пород естественного залегания в пределах глубины эффективного проникновения СВЧ электромагнитного поля остается постоянной и линейно зависит от мощности СВЧ-поля.

- Разупрочнение и оттаивание в СВЧ ЭМП мерзлых пород естественного залегания при заметном уменьшении влажности по глубине и сравнительно большой длине волны электромагнитного поля может происходить не с поверхности, а на некоторой предельной глубине, при этом фронт фазового перехода может двигаться как из глубины в сторону поверхности мерзлого массива, так и в глубь массива.

- Уменьшение влажности в мерзлом массиве по глубине приведет к возрастанию скорости продвижения фронта фазового перехода вглубь мае-

сива по сравнению со случаем равномерного распределения влажности по глубине.

- С увеличением длины электромагнитной волны СВЧ-поля глубина разупрочнения и оттаивания мерзлых пород с начальным естественным распределением температуры и влажности возрастает, при этом энергоемкость разупрочнения и оттаивания имеет минимум, который с увеличением длины волны СВЧ электромагнитного поля смещается в сторону больших глубин.

- Разработана методика расчета и выбора безопасных энергетических и технологических параметров взаимодействия СВЧ-поля с массивом, содержащая новый способ контроля разупрочнения и нагрева мерзлых пород СВЧ энергией, и экологически чистую технологию послойного разупрочнения, обеспечивающая эффективные экстренные вскрытия подземных инженерных коммуникаций в мерзлых породах установками типа ЭВИК с надежной защитой от облучения СВЧ энергией.

- Распределение плотности потока мощности (ППМ) электромагнитного поля в задней полуплоскости апертурных излучателей при различных условиях ввода СВЧ энергии в мерзлую породу (массив) и анализ поляризационных характеристик позволяет оценить безопасную электромагнитную обстановку в зоне обслуживания СВЧ установок.

- Оценка эффективности действия заграждающих структур показывает, что защитное устройство компенсационного типа подавляет в основном горизонтальную составляющую ППМ - в (5-7) раз и обеспечивает снижение коэффициента утечек в 2 раза, а коэффициент утечек СВЧ энергии рупорного излучателя с заграждающими устройствами контактного, либо экранирующего типа не превышает - 0,1%.

- В условиях проходки открытых горных выработок в мерзлых породах теплообмен между нагреваемым СВЧ полем объемом породы и окружающей средой при низких температурах воздуха (до -30° С и ниже) не влияет на скорость разупрочнения породы (массива). —

- Частотные зависимости коэффициента отражения, коэффициента связи, распределение температурного поля в породе позволяют выбирать безопасные параметры излучающих систем, обеспечивающие ввод СВЧ энергии с минимальным КСВН и задуманным коэффициентом использования площади раскрыва излучателя.

- В наибольшей степени эффективным и безопасным условиям проходки котлованов, траншей в мерзлых породах при единичном воздействии СВЧ поля в пределах контура выработки (забоя), удовлетворяет рупорный излучатель, возбуждаемый решеткой наклонных щелей выполняемых на узкой стенке волновода.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПОДТВЕРЖДЕНЫ:

- сходимостью (с точностью не ниже 10%) результатов теоретических расчетов по нагреву мерзлых пород СВЧ энергией с данными натурных экспериментов, выполненных с применением стандартных измерительных средств и устройств;

- применением фундаментальных положений теории электромагнитного поля и теплопроводности физики диэлектриков;

- обработкой экспериментальных результатов методами математической статистики;

положительными результатами создания и внедрения ряда СВЧ установок для осуществления горных и строительных работ.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

- Рекомендации, разработанные автором использованы на предприятиях ПО "Контакт", НПО "Исток" при доработке и совершенствовании безопасных ком-плексированных источников СВЧ энергии и мощных СВЧ генераторов для разупрочнения мерзлых горных пород СВЧ электромагнитными полями (Приложение ).

- Рекомендации по безопасной, экологически чистой технологии проходке открытых горных и строительных выработок СВЧ методом приняты ТЦУМС-18 Министерства связи РФ к практическому использованию (Приложение ).

- Рекомендации по эффективному применению СВЧ установки ЭВИК-1 приняты РЭУ Якутскэнерго к практическому использованию (Приложение ).

- Созданная СВЧ установка для экстренного вскрытия подземных инженерных коммуникаций в мерзлых породах ЭВИК-1 прошла опытно-промышленные, приемочные испытания и передана в постоянную эксплуатацию в ЦЭС РЭУ Якутскэнерго Минтопэнерго РФ.

Для широкого внедрения безопасных способов и средств разупрочнения и оттаивания мерзлых пород СВЧ энергией на основании выполненных в данной работе исследований и опытно-промышленной эксплуатации СВЧ установок разработаны и внедрены:

- техническое задание на проектирование опытно-промышленного образца "Специализированный источник СВЧ энергии для разупрочнения и оттаивания многолетнемерзлых пород в условиях Севера" - "Хазар-50С", включено ПО "Контакт" г. Саратов в тематический план ОКР, освоено производством и изготавливается серийно;

- техническое задание на проектирование сверхвысокочастотной установки для проходки шурфов, котлованов, траншей в мерзлых породах, внедрено в ТЦУМС-18 Минсвязи РФ с экономическим эффектом;

- техническое задание на проектирование генерирующего прибора М-типа выходной мощностью 50 кВт, рабочей частотой 460 МГц (изделие "Хребет"), принято НПО "Исток", освоено производством и выпускается серийно.

На производственном объединении "Контакт" г. Саратов, НПО "Исток" и ПЭП "Омсккоммунэлектро" г. Омск внедрены и используются предприятиями следующие научно-технические результаты и разработки полученные автором в процессе выполнения работы (Приложения №1,2, 3).

- Методика и созданное устройство для замера падающей и отраженной мощности СВЧ излучателя, позволяющее непосредственно в процессе работы установки контролировать характер безопасного воздействия мощного СВЧ поля на объект.

- Технические и конструкторские решения (документация) по конструкциям тележки - манипулятора и СВЧ генераторного блока СВЧ установки для разупрочнения мерзлых горных пород - "ЭВИК - ЗР" применительно к проходке котлованов, траншей, шурфов и т.д.

- Техническая документация на безопасные излучатели СВЧ энергии коробчатого типа с щелевой антенной и центральной штырьевой антенной возбуждения с раскрывом на полный контур выработки применительно к проходке котлованов, шурфов в мерзлых породах.

- Технические и конструкторские решения по компоновке безопасных систем и узлов СВЧ установки "ЭВИК - ЗР" в привязке с разработанной технологией СВЧ разупрочнения мерзлых горных пород для проведения открытых горно-разведочных выработок.

- Технологический регламент, инструкции по эксплуатации и общей техники безопасности работы СВЧ установок типа "ЭВИК".

- Оптимальные параметры работы установки "ЭВИК - 2Р" в привязке с технологическими и энергетическими параметрами и физико-механическими свойствами мерзлых горных пород.

- Методические указания по способам прогнозирования безопасной электромагнитной обстановки в зоне обслуживания СВЧ установок типа "ЭВИК - 2Р, ЗР", использующих излучающие апертурные системы для ввода СВЧ энергии в мерзлый массив (Приложение № 4).

- Рекомендации по СВЧ безопасности СВЧ установок типа "ЭВИК", использующих открытые апертурные излучатели для ввода электромагнитной энергии в массив мерзлых пород (Приложение № 5).

- Инструкция по безопасности и биологической защите от СВЧ излучения (СВЧ утечкам) из технологической зоны при эксплуатации СВЧ установок типа "ЭВИК" (Приложение № 6).

- Разработанные и созданные СВЧ излучающие системы, СВЧ генераторный блок, тележка - манипулятор и в целом СВЧ установка "ЭВИК-2Р", на новой элементной базе, прошли опытно-промышленные испытания и переданы к практическому использованию (эксплуатации) (Приложение № 3).

Разработаны и созданы устройства подавления утечек СВЧ излучения из технологической зоны, обеспечивающие безопасность и защиту обслуживающего персонала (Приложение № 3).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований доложены и обсуждены на Всесоюзном совещании по применению энергии сверхвысоких частот в технологических процессах (г. Якутск, 1982 г.); на четвертой Всесоюзной научно-технической конференции "Применение СВЧ энергетики в народном хозяйстве для исследовательских целей и интенсификации технологических процессов (г. Саратов, 1983 г.); на научно-технической конференции МЦМ СССР "Производительность труда и научно-технический прогресс на горнодобывающих предприятиях цветной металлургии" (г. Якутск, 1983 г.); на втором и третьем Всесоюзных семинарах по горной геофизике (г. Сухуми, 1983 г.; г. Батуми, 1985 г.); на IV Международной конференции по мерзлотоведению (г. Фербенкс, США, 1983 г.); на Всесоюзной научно-практической конференции "Комплексное развитие производительных сил Магаданской области до 2005 года" (г. Магадан, 1984 г.), на пятой и шестой научно-технической конференции "Применение СВЧ энергии в энергосберегающих процессах" (г. Саратов, 1986, 1990 гг.); на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г. С-Петербург, 1993 г.); на Международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (г. С-Петербург, 1994 г.); и на многочисленных научных семинарах и конференциях в России - ИГДС СО РАН, ИГД им А. А. Скочинского, ИГД СО РАН, ВНИИ-1, ЛГИ им. Г.В. Плеханова и за рубежом, а также на Ученых советах ИГДС СО РАН, ЛГИ им. Г.В. Плеханова, ВНИИ-1, ПО "Контакт", НПО "Исток", Научно-технических советах (НТС) Мин-связи РФ, Минэлектронпрома, Минсред-маша, Миноборонпрома (1985 - 1997 гг.

_Автор выражает глубокую признательность академикам РАН |Н.В

Черскому! и Е.И.Шемякину, профессору В.Н.Скубе, к.т.н. А.П.Пиденко, к.т.н. И.В.Соколову за научные советы и консультации при выполнении исследований; к.т.н доценту В.А.Хоминскому, к.ф.-м.н.

Л.Э.Рикенглазу, к.т.н. О.Б.Шонину, В.С.Петрову, Н.В.Соколовой, О.А.Стручкову - за оказанную помощь в проведении теоретических и экспериментальных исследований.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты проведенных исследований, включающие научные положения, выводы и рекомендации автора содержатся в 59 опубликованных печатных работах, в том числе в 1 -й монографии и 8 авторских свидетельствах на изобретения.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Рябец, Николай Иванович, 1998 год

Литература

1. Н.И. Рябец, Мисник Ю.М. и др. Разработка и исследование свойств СВЧ энергетики для разупрочнения мерзлых пород электромагнитным полем частотой 430 мГц. Промежуточный отчет н/з №57, 1986. '

2. Н.И. Рябец, Мисник Ю.М. и др. Разработка рекомендаций

по безопасным условиям эксплуатации СДО установок для разрушения мерзлых пород. Промежуточный отчет н/з №57, 1987.