Технические науки/10. Горное дело
К.т.н.
Чебан А.Ю, к.т.н. Хрунина Н.П., к.т.н. Леоненко Н.А.
Федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела
Дальневосточного отделения Российской академии наук, Россия
К вопросу интегрирования оптоволоконных лазеров
в технологии горного производства
В настоящее время изучение быстропротекающих
процессов при взаимодействии энергетических потоков с веществом обеспечивает
возможность создания инновационных технологий [1-2]. Большой интерес представляют
эффекты, происходящие в горных породах, минеральных средах в нелинейной области
воздействия мощных потоков энергии, таких как электромагнитные, особенно,
лазерные. С появлением современных оптоволоконных
лазерных устройств с КПД до 30 % расширяются возможности исследования лазерной макротехнологии
обработки горных пород и минеральных сред. Проводимые исследования показывают возможность успешного применения лазерного
излучения в горном производстве [3-5].
Сотрудниками Института проблем лазерных и информационных
технологий РАН (ИПЛИТ РАН) проведен анализ моделей глубокого проникновения
лазерного излучения в различные материалы: конструкционные стали, алюминий,
титан, медь, композиты («фиберглас»), кварц, бетон [2], однако, теория
лазерного воздействия на минеральные среды и горные породы требует своего
развития [6-7]. Немногие
экспериментальные данные, полученные до сих пор, дают приблизительные
представления о возникающих процессах при лазерном воздействии. Расширение
исследований в этой области позволит более обоснованно подходить к выбору
лазерного оборудования и режимов его работы применительно к конкретным горным
породам, а в дальнейшем – с развитием новых технических решений, и к горно-геологическим
условиям.
Авторами выполнены
исследования по резанию горных пород с использованием волоконного иттербиевого лазера ЛС-06
(НТО "ИРЭ-Полюс" г.Фрязино) с выходной мощностью 600 Вт. В процессе
испытаний лазер работал в режиме непрерывного излучения с длиной волны 1070 нм,
мощность излучения варьировалась пошагово
– 150; 300; 450 и 570 Вт [4]. Эксперименты проводились на
образцах известняка и доломита розового. Скорость подачи образцов при резке
лазерным излучением составляла соответственно 2,0; 1,0 и 0,5 мм/с. Установлены
глубина резания образцов, площади резов, энергоемкость процесса в зависимости
от мощности лазерного излучения. С увеличением мощности лазерного излучения
глубина реза карбонатных пород возрастает по зависимости близкой к линейной. Установлено,
что удельная энергоемкость резания исследуемых горных пород зависит как от
скорости резания, так и от мощности излучения. С увеличением скорости резания
удельная энергоемкость процесса снижается. При одинаковых режимах резания
удельная энергоемкость резания образца доломита больше, чем известняка [3- 4].
Полученный эффект по ослаблению и
разрушению прочных горных пород лазерным излучением может быть использован для
подготовки массива горных пород или прочных пропластков к выемке
карьерными комбайнами, так как без предварительной подготовки массива рабочий
орган, приводы и металлоконструкция комбайнов испытывают предельные нагрузки,
которые отрицательно влияют на надежность и долговечность машин, многократно
возрастает расход резцов и время на их замену, а производительность комбайнов
снижается многократно.
Авторами разработана принципиальная схема
лазерного автоматизированного комплекса для оснащения карьерных комбайнов при
технологической подготовке к выемке скальных пород [5]. Автоматизированный
комплекс, включающий лазерный прибор с возможностью продольного
перемещения, снабжен демпфирующей платформой, размещаемой на раме карьерного
комбайна и шарнирно связанной с рамой лазерного прибора. Комплекс формирует в
прочных прослоях горного массива перекрытия энергетических зон, обеспечивающих
высокую концентрацию напряжений, знакопеременные нагрузки и деформацию при
обработке значительной поверхности. Учитывая тот факт, что после работы
лазерной установки нет необходимости в реализации значительных усилий на
исполнительном органе, комбайн будет иметь облегченную конструкцию и небольшие
габариты.
Проведенный анализ интегрирования лазерных
макротехнологий в горное производство и экспериментальные исследования [3-4] обосновывают
возможность практического использования предлагаемого способа [5] применительно
к горно-геологическим условиям при разработке полезных ископаемых.
Статья
подготовлена по гранту Российского фонда фундаментальных исследований №
13-05-00586 ”Исследование нелинейных эффектов при взаимодействии лазерного
излучения с горными породами и минеральными средами с целью интегрирования
волоконных лазеров в технологии горного производства”.
Литература
1. Панченко В. Я. Лазерные технологии обработки материалов:
современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок.
– М. : Физматлит, 2009. – 664 с.
2.
Голубев, В. С. Лазерные макротехнологии: современное состояние и тенденции
развития. // Перспективные материалы, 2005. № 1. С.5-12.
3. Leonenko,
N.A., Sekisov, G.V., Cheban, A.Yu., Kuzmenko, A.P., Shemyakin, S.A., Silyutin,
I.V. Rock
failure under laser radiation // Leonenko N.A., Sekisov G.V., Cheban A.Yu.,
KuzMenko A.P., Shemyakin S.A., Silyutin I.V. Journal of Mining Science. 2013.–
Т. 49. № 5. P. 749-756.
4. Чебан, А.Ю.
Результаты экспериментальных исследований по резанию карбонатных горных пород
мощным лазерным излучением / А.Ю. Чебан, Н.П. Хрунина, Н.А. Леоненко //
Прикладная физика. 2014. - № 5. - С. 34-36.
5. Пат. 2527445
Российская Федерация, МПК Е21С 41/26; Е21 С 37/16. Способ подготовки к выемке
скальных пород с использованием лазерного воздействия и автоматизированный
комплекс для его осуществления / Чебан А.Ю., Леоненко Н.А., Хрунина Н.П.;
заявитель и патентообладатель Федеральное гос. бюдж. учреждение науки Ин-т
горного дела ДВО РАН. - № 2013133220/03 ; заявл. 16.07.2013 ; опубл.
27.08.2014, Бюл. № 24. – 9 с. : ил.
6. Leonenko, N. A., Vanina, E. A., Veselova, E. M., Kapustina, G. G.
Nonlinear effects of laser radiation and physical model of laser agglomeration
process. / Russian Journal of General Chemistry. December 2013, Volume 83,
Issue 13, pp 2759-2764. DOI: 10.1134/S1070363213130240
7. Ванина, Е.А.,
Веселова, Е.М., Леоненко, Н.А. Математическая модель процесса лазерной
агломерации, основанная на распределении температурного поля в облучаемом
образце // Вестник Амурского государственного университета: Благовещенск. 2012.
Вып. 59. С. 51-54.