Макеев С.Ю., Осенний В.Я., Рыжов Г.А., Холявик О.В. Теоретическое обоснование передачи энергии плазмы в горный массив

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ПЛАЗМЫ В ГОРНЫЙ МАССИВ

Макеев С.Ю., Осенний В.Я., Рыжов Г.А., Холявик О.В.

Макеев С.Ю., канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

Осенний В.Я., магистр,

Рыжов Г.А., магистр,

Осенняя Н.В., магистр

(ИГТМ НАН Украины)

Холявик О.В., канд. техн. наук, доцент

(Национальный технический университет Украины «КПИ им. И. Сикорского»)

UDC 533:622.01.18

Язык статьи: Английский

 

Аннотация. Статья посвящена проблеме термодинамического разрушения крепких руд, в частности железистых кварцитов с применением новых экологических ресурсосберегающих технологий ведения взрывных работ в Криворожском бассейне. Для подземных условий до настоящего времени не разработано более эффективных методов образования котловых полостей для размещения в нем взрывчатых веществ, чем плазменный. Актуальной является проблема управления термодинамикой плазменного факела. Благодаря этому можно создавать котловые полости различных конфигураций для размещения взрывчатых веществ. В статье приведены результаты теоретических исследований плазменного воздействия на железорудный массив. Получены зависимости распределения температурной нагрузки, нормальных и тангенциальных напряжений в горной породе от времени и по координате. Установлено, что величина растягивающих напряжений для магнетитовых кварцитов при плазменной обработке в десять раз больше величины сжимающих напряжений. Учет в расчетах горного давления, конвективного и лучистого теплообмена от плазменной струи позволил существенно уточнить геометрию распределения напряжений, время их распространения, плотность теплового поля в поверхностной зоне скважины. Научная новизна  приведенных результатов заключается в обосновании моделей воздействия плазменных потоков на железорудный массив в зоне предразрушения при расширении скважины. Приведенные результаты могут быть использованы в технологических процессах отбойки крепких руд на камеру, при проходке восстающих выработок, при сооружении отрезных щелей и других выработок хозяйственного назначения.

Ключевые слова: котловая полость, плазма, температурная нагрузка, напряжения.

Анотація. Стаття присвячена проблемі термодинамічного руйнування міцних руд, зокрема залізистих кварцитів із застосуванням нових екологічних ресурсозберігаючих технологій ведення підривних робіт у Криворізькому басейні. Для підземних умов до теперішнього часу не розроблено більш ефективних методів утворення котлових порожнин для розміщення в них вибухових речовин, ніж плазмовий. Актуальною є проблема управління термодинамікою плазмового факела. Завдяки цьому можна створювати котлові порожнини різних конфігурацій для розміщення вибухових речовин. У статті наведено результати теоретичних досліджень плазмового впливу на залізорудний масив. Отримані залежності розподілу температурного навантаження, нормальних і тангенціальних напружень у гірській породі від часу і по координаті. Встановлено, що величина розтягувальних  напружень для магнетитових кварцитів при плазмовій обробці в десять разів більше величини стискуючих напружень. Облік в розрахунках гірського тиску, конвективного і променистого теплообміну від плазмового струменя дозволив істотно уточнити геометрію розподілу напружень, час їх поширення, щільність теплового поля в поверхневій зоні свердловини. Наукова новизна наведених результатів полягає в обґрунтуванні моделей впливу плазмових потоків на залізорудний масив в зоні передруйнування при розширенні свердловини. Наведені результати можуть бути використані в технологічних процесах відбивання міцних руд на камеру, при проходці підняттєвих виробок, при спорудженні відрізних щілин та інших виробок господарського призначення.

Ключові слова: котлова порожнина, плазма, температурне навантаження, напруження

Abstract. The article is devoted to the problem of hard ores, in particular of ferruginous quartzites, thermodynamic destruction with the help of new environmentally friendly and saving-resource technologies of blasting operations in the Kryvyi Rih basin. Until now, no more effective methods have been developed for making underground chambers for explosive substances, than the plasma method, though control of plasma torch thermodynamics remains a live problem. This method allows making chambers of any configurations. The article presents results of theoretical studies of how plasma impacts on the iron ore mass. The dependencies of distribution of temperature loads and normal and tangential stresses in the rock on time and coordinate are specified.  It is stated that tensile stresses of magnetic quartzites being treated by plasma is ten times greater than compressive stresses. Calculations, which take into account rock pressure, convective and radiant heat transfer from the plasma  jet  specify  essentially  more  exactly geometry of stress distribution, time of  stress diffusion, density of thermal field in the surface sector of the borehole. Scientific novelty of the presented results lies in justification of models of plasma-flow impact on the iron ore mass in the pre-fracture zone at the borehole expansion. The results can be used in technological processes of breaking hard ores into the camera, during sinking the raise workings and during construction of the cutting slots and other workings for domestic purposes.

Keywords: chamber cavity, plasma, temperature loads, tensions.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булат, А.Ф. Деформирование и разрушение твердых тел в плазменных технологиях / А.Ф. Булат, В.Я. Осенний // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. ХVІІ Межд. науч. школы 17-23 сентября 2007 г. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2007. – С. 61-65.

2. Zreris, R. Characterization of coatings by laser-assisted atmospheric plasma spraying / R. Zreris, // Proc. of Thermal Spray Conf. – 2003. – Orlando: USA, 2003. – pp. 567-572.

3. Anshakov, A. Plasma welding of thin-wall tubes / A. Anchakov // Progress in Plasma Processing of Materials. Eds. P. Fauchais and J. Amoroux. - N.Y.: Begell House, Inc., 1999. – pp. 501-505.

4. Bulat, A. Control of the heat flux distribution at the anode of a transferred arc argon stabilized and flowing in air / A. Bulat, P. Bulany, V. Osenniy // Progress in Plasma Processing of Materials. Eds. P. Fauchais. Begell House. - N.Y.: Wallingford, 2003. – pp. 211-218.

5. Осінний, В.Я. Термодинамічні навантаження та пластичні деформації в зоні різання при обробці конусів дробарок / В.Я. Осінний, Н.В. Осіння, О.В. Холявік // Інноваційний розвиток гірничодобувної галузі: Матеріали Міжнародної науково-технічної інтернет - конференції, 14 грудня 2016 р. - Кривий Ріг: ДВНЗ Криворізький національний університет, 2016. – С. 263.

6. Sasaki, S. Laser assisted plasma spray coating method for surface modification of tribo-materials / S. Sasaki, H. Shimura, Y. Kawakami, A. Shahzad // Proc. of ITSC'95 -  Kobe, May, 1995 - Vol. 1. – pp. 267-271.

7. Bulat, A. Sublimation and combustion of coal particles in the erosion laser torch / A. Bulat, V. Shumrikov, V. Osenniy // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High Technology Plasma Processes. – 2005. – Vol. 9. – pp.443-452.

8. Осенний, В.Я. Электродуговой плазмотрон – рабочий орган горных машин нового поколения / В.Я. Осенний // УСИВ. – 2015. – № 2. – С.16-21.

9. Булат, А.Ф. Повышение эффективности буровзрывных работ в крепких рудах / А.Ф. Булат, В.А. Никифорова, В.Я. Осенний // Вісник КДПУ. – 2006. – Вип. 2/2006(37). – С.93-94.

REFERENCES

1. Bulat, A.F. and Osenniy, V.Ya. (2007), «The deforming and destruction of solid bodies in the plasma technology», Materialy XVII Mezhdunarodnoy nauchnoy shkoly 17 sentyabrya 2007 g. [Materials of ХVIІ International Scientific School], Deformirovaniye i razrusheniye materialov s defektami i dinamicheskiye yavleniya v gornykh porodakh i vyrabotkakh [The deforming and destruction of materials with troubles and dynamic phenomena in rocks and excavations], . – Simferopol, UA, 17.09.2007, pp. 61–65.

2. Zreris, R., Nowotny, S., Bergel, k.-V., Hambold, L. and Beyer, E. (2003), «Characterization of coatings by laser-assisted atmospheric plasma spraying», Proc. of Thermal Spray Conf, Orlando, USA, pp. 567-572.

3. Anshakov, A. (1999), «Plasma welding of thin-wall tubes», Progress in Plasma Processing of Materials. Eds. P. Fauchais and J. Amoroux. N.Y,  Begell House, Inc., pp. 501-505.

4. Bulat, A.F., P. V. Bulany, and V.Ya. Osenniy (2003), «Control of the heat flux distribution at the anode of a transferred arc argon stabilized and flowing in air», Progress in Plasma Processing of Materials. Eds. P. Fauchais, Begell House. N.Y. Wallingford, pp. 211-218.

5. Osenniy V.Ya., Osіnnja, N.V. and Holyavik, O.V/ (2016), «Thermodynamic loads and plastic deformation in the cutting zone during processing of the cones crushers», Materialy Mizhnarodnoyi naukovo-tekhnichnoyi internet-konferentsiyi, 14 grudnya 2016 r. [Proceedings of the International Scientific and Technical Internet-conference], Innovatsiyniy rozvytok girnychodobuvnoy galuzi [Innovative Development of the Mining Industry], Kryvyi Rih, UA, 14.12.2016, pp. 263.

6. Sasaki S., Shimura, H., H., Kawakami, Y. and Shahzad, A. (1995), «Laser assisted plasma spray coating method for surface modification of tribo-materials», Proc. of ITSC'95, Kobe, Japan, May, 1995, Vol. 1, pp. 267-271.

7. Bulat, A., Shumrikov, V. and Osenniy, V. (2005), «Sublimation and combustion of coal particles in the erosion laser torch», High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High Technology Plasma Processes, Vol.9, pp.443-452.

8. Osenniy, V.Ya. (2015), «Electric-arc plasmatron is a device for mining machines of a new generation», UUEE, no. 2, pp.16-21.

9. Bulat, A.F., Nikiforova, V.A. and Osenniy, V.Ya. (2006), «Improving the efficiency of drilling and blasting operations in the hard ores», Visnik KSPI, Vol. 2/2006(37), pp. 93-94.

–––––––––––––––––––––––––––––––

About the authors

Makeyev Sergey Jurievich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher, Senior Researcher in Department of Mineral Mining at Great Depths, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnipropetrovsk, Ukraine, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Osinniy Valentin Yakovlevich, Master of Science (M.S), Researcher in Department of Mineral Mining at Great Depths, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnipropetrovsk, Ukraine, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Ryzhov Gennadiy Aleksandrovich, Master of Science (M.S), Junior Researcher in Department of Mineral Mining at Great Depths, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnipropetrovsk, Ukraine, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Osinnyaya Nataliya Volodymyrivna, Master of Science (M.S), Junior Researcher in Department of Elastomeric Component Mechanics in Mining Machines, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnipropetrovsk, Ukraine, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Holyavik Olga Vitaliyvna, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Associate Professor, Associate Professor of Department of Mechanics Plasticity of Materials and Resource-Saving Processes, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnical Institute", Institute of Mechanical Engineering (I. Sikorsky KPI), Kyiv, Ukraine, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Об авторах

Макеев Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник в отделе проблем разработки месторождений на больших глубинах, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Осенний Валентин Яковлевич, научный сотрудник в отделе проблем разработки месторождений на больших глубинах, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Рыжов Геннадий Александрович, младший научный сотрудник в отделе проблем разработки месторождений на больших глубинах, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Осенняя Наталья Владимировна, младший научный сотрудник в отделе механики эластомерных конструкций горных машин, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск, Украина, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Холявик Ольга Витальевна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механики пластичности материалов и ресурсосберегающих процессов, Национальный технический университет Украины Киевский политехнический институт им. И. Сикорского, Механико-машиностроительный институт («КПИ им. И. Сикорского»), Киев, Украина, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.