Научный руководитель: Важов Владислав Федорович, к.т.н.
Соавторы: Журков Михаил Юрьевич

В Томском политехническом университете предложен и разрабатывается новый - электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения горных пород, основанный на разрушающем действии электрического импульсного разряда при пробое твердого диэлектрика. В основу способа положено установленное явление превышения электрической прочности жидких диэлектриков и воды над электрической прочностью твердых диэлектриков при экспозиции напряжения 10^-6 с и менее, которое зарегистрировано как открытие [1] (рис. 1). Способ позволяет разрушать твердые тела, например, горные породы, имеющие одну свободную поверхность, располагая на ней систему высоковольтных и заземленных электродов (наложенные электроды).

К настоящему времени определены основные зависимости пробоя горных пород как на фронте косоугольного импульса напряжения (ФИН) микросекундной длительности, так и на прямоугольном импульсе с наносекундным фронтом (ПИН) в диапазоне времен 10^-8-10^-5 с. Для пробоя (внедрения разряда) горных пород, помещенных в жидкость, требуется выполнение достаточно жестких условий, предъявляемых к параметрам импульса напряжения: крутизна, длительность фронта импульса, время до пробоя и т.д. Пробивное напряжение горных пород не зависит от вида окружающей жидкости, но при пробое горных пород в воде на ФИН требуются крутизны импульса напряжения на порядок большие (А= 2000¸ 3000 кВ/мкс), чем в диэлектрических жидкостях (А=100¸ 500 кВ/мкс), что приводит к возрастанию требуемой амплитуды импульса напряжения. Высокие амплитуды рабочих напряжений и жесткие требования к параметрам импульса являются сдерживающим фактором для внедрения ЭИ технологии в производство, в частности для бурения скважин и резания камня. Изучение механизма пробоя твердых диэлектриков показало, что напряжение зажигания разряда в твердом теле U_з в 2,5¸ 3 раза ниже, чем при пробое на ФИН [2]. В этой связи нами предложена методика пробоя твердых диэлектриков (и горных пород в том числе) в системе наложенных электродов на спаде косоугольного импульса напряжения (СИН). При этом следует ожидать, что амплитуда импульса не должна превышать статистического U_з, а канал разряда будет формироваться за время спада импульса напряжения. Это позволит значительно снизить пробивные (рабочие) напряжения.

Исследования проводились в воде с удельным сопротивлением r =(3¸ 4)^.10³ Ом^.см на граните с прочностью на сжатие s _сж=233 МПа. Получены ВСХ для различных расстояний между электродами и параметров импульса напряжения (длительности фронта и длительности импульса). На рис.2 приведены зависимости изменения пробивного напряжения гранита от расстояния между электродами для различных методик пробоя из которого следует, что при пробое на СИН пробивные напряжения снизились в 1,7¸ 2,6 раза по сравнению с пробоем на ФИН и 1,5¸ 2 раза на ПИН. Кроме этого установлено, следующее:

1. Существует оптимальная длительность фронта импульса, при которой величина пробивного напряжения горной породы минимальна. Для S=30 мм эта величина находится в пределах t_ф=(0,1¸ 0,25)^.10^-6 с.