Theoretical consideration of plasma energy transfer to the rock mass

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.

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.

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.