способ разрушения горных пород

Формула изобретения

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, подачу в шпуры сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, отличающийся тем, что до подачи сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, шпуры заполняют неньютоновской жидкостью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, заполняют участок длиною в 2 - 3 диаметра шпура.

3. Способ по п.1. отличающийся тем, что вязкость неньютоновской жидкости по мере заполнения шпуров увеличивают.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что шпуры неньютоновской жидкостью заполняют многократно.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве неньютоновской жидкости используют смесь глины и отработанных смазочных материалов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня.

Известен способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, размещение в шпурах клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку с интервалом между каждым предыдущим и последующим нагружением, равным 0,4-2 ч (авторское свидетельство СССР N 1270325, кл. E 21 C 37/02).

В этом способе силы действуют на горную породу в отдельных точках, в которых концентрируются высокие напряжения, способные образовывать микротрещины произвольной ориентации, что влияет на характер разрушения и качество получаемых поверхностей. Для недопущения запредельных напряжений в нем, используя эффект релаксации напряжений во времени, делают большие перерывы между нагружениями, что существенно снижает производительность.

В качестве прототипа принят способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, подачу в шпуры сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку (заявка - 94032787/03/ от 8.09.94. Решение о выдаче патента на изобретение от 06.02.96).

В этом способе силовое воздействие осуществляется лишь на стенки шпуров. Поэтому размеры разрыва от каждого из шпуров, а следовательно. и эффективность разрушения горной породы оказываются сравнительно небольшими.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышение эффективности разрушения горной породы путем увеличения размеров разрыва от каждого из шпуров.

Поставленная задача решается тем, что согласно прототипу, включающему бурение шпуров, подачу в шпуры сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, до подачи сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, шпуры заполняют неньютоновской жидкостью.

В результате периодической ударной нагрузки на клин в зоне контакта сыпучего материала со стенками шпура возникает и начинает развиваться начальная трещина. В эту трещину из шпура выдавливается неньютоновская жидкость, для которой из-за очень высокой вязкости (например, как у пластилина) легче раздвигать поверхности трещины, чем проникать в нее. Поэтому начальная трещина продолжает развиваться не только за счет растягивающих сил, действующих в зоне сыпучего материала, но и проникновением в нее неньютоновской жидкости. По мере роста трещины роль неньютоновской жидкости в разрушении горной породы увеличивается и становится определяющей.

Поверхность контакта неньютоновской жидкости с горной породой очевидно больше площади поперечного сечения шпура. Следовательно шпур, клин с сыпучим материалом (поршень), трещина и контактирующая с ними неньютоновская жидкость образуют систему, способную выполнять функцию гидроусилителя. Прикладываемая сила (нагрузка) передается неньютоновской жидкостью горной породе многократно увеличенной. Поэтому разрушение горной породы происходит при сравнительно низких внешних нагрузках.

Сыпучий материал выполняет две функции. Первая (как в прототипе) заключается в обеспечении направленного воздействия на стенки шпура с целью образования в горной породе трещины с заданной ориентацией. Вторая - в образовании такого поршня, боковые поверхности которого плотно прилегают к горной породе и тогда, когда форма и размеры поперечного сечения шпура меняются в результате возникновения и раскрытия трещины. Размеры участка шпура, который заполняют сыпучим материалом, способным последовательно выполнять отмеченные функции, подбирают экспериментально. Для большинства используемых в качестве строительного материала горных пород (ракушечник, мрамор, гранит) длина этого участка составляет 2-3 диаметра шпура.

Неньютоновская жидкость должна обладать такой вязкостью, чтобы, с одной стороны, проникать в трещину на возможно большую глубину, а с другой, несмотря на наличие выходящей на свободную поверхность трещины, обеспечивать необходимое для разрыва горной породы давление. Неньютоновская жидкость заполняет трещину неполностью. Давление в ней распределяется неравномерно. На фронте (границе) оно равно нулю и максимально у истока (на контакте неньютоновской жидкости с сыпучим материалом либо клином). Давление у истока при прочих равных условиях зависит от вязкости неньютоновской жидкости и расстояния до свободной поверхности, которое с удалением от устья шпура увеличивается. Последнее обстоятельство дает возможность в направлении забоя шпура снижать вязкость неньютоновской жидкости, способствуя тем самым ее более глубокому проникновению в трещину, а следовательно, получению сравнительно больших неискривленных поверхностей разрыва горной породы. Если при одноразовой заправке шпура объема неньютоновской жидкости оказывается недостаточным для достижения требуемых размеров создаваемой трещины, шпур заполняют многократно.

Основой для выбора состава неньютоновской жидкости является доступность компонентов и экономическая целесообразность.

На фиг. 1 показана схема разрушения горной породы; на фиг. 2 - разрез А-А.

В горной породе 1 (фиг. 1) бурят шпур 2, который сперва заполняют неньютоновской жидкостью 3, а затем - сыпучим материалом 4. В сыпучий материал внедряют клин 5 с твердосплавными вставками 6 (фиг. 2), которые на стенках шпура образуют бороздки. Под действием растягивающих сил со стороны сходящихся поверхностей внедряющегося клина 5 в бороздках концентрируются и возрастают напряжения до разрыва горной породы с образованием начальной трещины 7.

Клин 5 закреплен на торце штанги 8. По мере внедрения клина 5 торец штанги 8 и сыпучий материал 4 образуют плотный контакт. С этого момента сыпучий материал 4 начинает передавать нагрузку не столько в направлении от сходящихся поверхностей клина 5 горной породе, сколько от торца штанги 8 неньютоновской жидкости 3, т.е. становится поршнем. Отметим, что здесь сыпучий материал 4 может выполнять функцию поршня потому, что поверхности шпура из-за роста трещины 7 расходятся и эффекта заклинивания, как это наблюдалось бы, например, в жестких трубах, не возникает.

В трещину 7 из шпура 2 выдавливается неньютоновская жидкость 3, которая, обладая высокой вязкостью, движется по трещине с большим сопротивлением. Вязкость неньютоновской жидкости 3 выбирают такой, чтобы при заданном усилии подачи штанги 8, несмотря на наличие выходящей на свободную поверхность трещины, создавалось необходимое для разрыва горной породы давление. Когда клин 5 достигает забоя, его вместе со штангой 8 извлекают из шпура 2. Затем шпур 2 вновь заполняют неньютоновской жидкостью 3 и сыпучим материалом 4. В сыпучий материал 4 внедряют клин 5 и начинают второй цикл. Количество циклов доводят до величины, при которой образуется трещина требуемых размеров либо горная порода раскалывается на отдельные части.

К штанге 8 прикладывают периодическую ударную и статическую нагрузки. Периодическая ударная нагрузка имеет решающее значение до возникновения трещины 7, когда клин 5 через сыпучий материал 4 жестко связан со стенками шпура 2, а внедрение клина в статическом режиме с достаточной для разрыва горной породы силой представляет известные технические трудности. После возникновения трещины 7 с подвижными поверхностями стенки шпура приобретают способность расходиться и сходиться. Клин 5 оказывается в контакте уже не с жесткой системой, а с упругим элементом. При этом коэффициент передачи энергии удара, а следовательно, и эффективность ударной нагрузки резко падают. В подобных случаях принимают меры, обеспечивающие возможность перемещения клина лишь в направлении действия удара. В способе его осуществляют дополнительной статической нагрузкой, обеспечивающей также плавное выдавливание из шпура 2 в трещину 7 неньютоновской жидкости 3.

При технической реализации способа штангу 8 с клином 5 используют в качестве навесного приспособления к существующим самоходным машинам, в которых имеются пневмо- или гидроударные элементы. Штанга 8 к стреле самоходной машины крепится с помощью кольцевого паза 9.

Особые требования в способе предъявляются к неньютоновской жидкости. Остановимся лишь на тех, без выполнения которых нельзя достигнуть поставленной цели. Жидкость по трещине 7 может вытекать на свободную поверхность. Если вязкость жидкости низкая (например, как у воды), то создать в ней достаточное для разрыва горной породы давление можно лишь ударным нагружением большой мощности. Однако в этом случае образуется не одна, а серия сравнительно небольших трещин с произвольной ориентацией, что не только малоэффективно, но во многих случаях недопустимо, в частности при добыче строительного камня. В статическом режиме нагнетания в низковязкой жидкости при наличии выходящей на свободную поверхность трещины создать требуемое давление, как показали эксперименты, практически невозможно. Вязкость жидкости должна быть такой, чтобы возникал эффект внедряющегося клина, когда, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещины при подаче в нее жидкости раздвигались. Вместе с этим желательно, чтобы жидкость проникала в трещину на возможно большую глубину, ибо тогда увеличивается площадь ее контакта с горной породой, а следовательно, и сила, раздвигающая поверхности разрыва.

Жидкости, удовлетворяющие отмеченным требованиям, были найдены в ходе специальных исследований. Ими оказались пластические массы (неньютоновские жидкости). Среди них следует отметить пластилин, вязкость которого можно изменять в больших пределах изменением температуры или добавлением в него масла. Приведем несколько примеров разрыва блоков горных пород с применением пластилина. Блок малопрочного ракушечника поперечным сечением 100х74 см, с высокой пористостью (около 20%) и широким распространением макропор, или точнее каверн извилистой формы, объем каждой из которых достигал 0,5-1,0 см³, был разорван в заданной плоскости 150 см³ пластилина. Блок мрамора, обладающего повышенной вязкостью и средней прочностью, площадью поперечного сечения 4 м² был разорван поперек ярко выраженной слоистости 300 см пластилина. Для разрыва блока, представленного более прочным, но хрупким материалом, например гранитом, требуется еще меньший объем пластилина. Вместе с этим, учитывая относительно высокую стоимость пластилина, предложены близкие по механическим свойствам к пластилину, но менее дорогие неньютоновские жидкости, представляющие собой смесь глины и отработанных смазочных материалов.

Изменение вязкости неньютоновской жидкости вдоль шпура имеет значение лишь для шпуров большой протяженности (5-10 м). В этом случае жидкость подают в шпур порциями. В первой порции вязкость жидкости самая низкая, в последней - самая высокая. В случае применения длинных шпуров штангу 8 при необходимости делают составной.

Предлагаемым способом технически реализуется идея повышения эффективности направленного разрушения горной породы путем подачи в формируемую трещину неньютоновской жидкости из шпура, что позволяет совместить операции образования начального разрыва и последующего его развития, а также обойтись без создания специальных нагнетателей пластических масс высокого давления. Способ может применяться на любых горных предприятиях без создания специальных технических средств.