способ разрушения горных пород и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение скважин, размещение в них виброисточников колебаний, возбуждение в горном массиве колебаний и разрушение горных пород, отличающийся тем, что в стенки скважин внедряют связанные с вибратором закалывающие клинья и используют их в качестве виброисточников, при этом закалывающие клинья внедряют в параллельных свободной поверхности горного массива плоскостях, а колебание закалывающих клиньев осуществляют вдоль оси, перпендикулярной плоскостям их внедрения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрушение горных пород осуществляют последовательным формированием трещин, начиная от свободной поверхности вглубь горного массива.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что к закалывающим клиньям дополнительно прикладывают статическое усилие, направленное в сторону отбойки горной породы.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что горную породу разрушают одновременно из нескольких скважин, при этом осуществляют синхронное колебание закалывающих клиньев.

5. Устройство для разрушения горных пород, включающее силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным концом, пропущенный сквозь силовой цилиндр с возможностью продольного перемещения, цангу с лепестками, на которых установлены закалывающие клинья, надетую на шток и связанную с силовым цилиндром, отличающееся тем, что оно снабжено вибратором, установленным на цанге.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на распорном конце штока выполнены кольцевые выступы с выпуклыми поверхностями, сопряженными с боковой поверхностью штока, под которые на внутренних поверхностях лепестков цанги выполнены углубления, а закалывающие клинья на лепестках цанги установлены в параллельных плоскостях.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что кольцевые выступы на штоке и углубления на внутренних поверхностях лепестков цанги расположены таким образом, что максимальное усилие вначале создается закалывающими клиньями, расположенными ближе к свободному от лепестков концу цанги, а по мере втягивания конца штока в цангу смещается в направлении свободного конца устройства.

8. Устройство по любому из пп.5-7, отличающееся тем, что цанга связана с тяговым механизмом.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при проходке горных выработок, добыче кристаллического сырья и руды.

Известен способ безвзрывного разрушения крепких трещиноватых горных пород по авт.св. СССР № 1680979, кл. Е21С 37/00, опубл. в БИ № 36, 1991 г., включающий резонансное вибровоздействие на массив горных пород, синхронизацию и корректировку амплитудно-частотных параметров вибрации в зависимости от энергоемкости разрушения горных пород. Разрушаемый участок горных пород предварительно насыщают раствором поверхностно-активных веществ (ПАВ). Вибровоздействие осуществляют ударами с одинаковой частотой в двух точках по обнаженной поверхности участка. Синхронизацию параметров вибрации производят регулированием расстояния между точками нанесения ударов до приведения к одной фазе поперечных волн встречного направления в промежутке между этими точками. Частоту ударов принимают равной значению резонансной циклической частоты структурного элемента массива со среднестатистической на разрушаемом участке массой. Корректировку параметров вибрации производят периодическим изменением частоты ударов с вариацией, равной половине коэффициента вариации масс структурных элементов.

В этом способе воздействие на массив горных пород осуществляют ударными нагрузками, направленными от свободной поверхности в глубь горного массива. Следовательно, разрушение горных пород происходит преимущественно сжимающими усилиями, из-за чего способ имеет относительно высокую трудоемкость, ибо прочность горных пород на сжатие в среднем на порядок выше их прочности на растяжение. В нем не учитывают естественное поле напряжений, способствующее при определенной ориентации ударных нагрузок существенному снижению энергоемкости разрушения. Поэтому этот метод неэффективен.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрушения горных пород по авт.св. СССР № 1691522, кл. Е21С 37/00, опубл. в БИ № 42, 1991 г., включающий бурение группы скважин, размещение в них в упруговязком теле виброисточников колебаний, возбуждение в горном массиве колебаний с одновременным нагнетанием в горный массив технологического раствора с ПАВ и последующее разрушение горного массива в забое горной выработки. Возбуждение колебаний в горном массиве осуществляют на расстоянии от места разрушения не более пяти длин волн, излучаемых в горный массив в группе скважин, пробуренных в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения. Нагнетание технологического раствора в горный массив осуществляют при возбуждении колебаний в последнем с частотой 60÷4500 Гц и с амплитудой для обеспечения напряжения в горном массиве, равного половине разрушающих напряжений в этом горном массиве. После изменения в горном массиве забоя горной выработки деформации сжатия на деформацию растяжения возбуждение колебаний с помощью виброисточников в скважинах прекращают. При разрушении горного массива в забое горной выработки в направлении проходки производят вибровоздействие на горный массив с частотой, равной частоте вращения шарошечного разрушающего органа.

В этом способе предварительно необходимо определять поле напряжений и главные векторы в породном массиве, в котором требуется ослабить напряжения посредством мощных вибрационных колебаний. Нужно контролировать работу группы виброисточников геомеханическими методами исследований: методом разгрузки с использованием тензодатчиков, ультразвуковыми методами, с использованием методов сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии. Для отбойки горных пород дополнительно требуются разрушающие механизмы (шарошечные разрушающие органы). Кроме этого, виброисточники располагают на значительном расстоянии от места непосредственного разрушения горной породы. Следовательно, вибрационному воздействию необходимо подвергать большую область горного массива с энергией, достаточной для изменения прочностных свойств горных пород до требуемого значения. Все это обуславливает высокую трудоемкость и неоправданно большой расход удельной энергии разрушения. Поэтому этот способ неэффективен, особенно для селективной выемки кристаллического сырья.

Известно устройство для направленного разрушения монолитных объектов по патенту РФ № 2007569, кл. Е21С 37/00, опубл. в БИ № 3, 1994 г., включающее силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр и поршень и имеющий не менее одного бурта для упора в него поршня, инденторы с поперечными относительно продольной оси силового цилиндра лезвиями и лепестки инденторов, упругосвязанные с силовым цилиндром и установленные с охватом распорного клинового конца штока, механизм нанесения ударов по торцу штока, противоположному распорному клиновому концу. Устройство снабжено направляющей, одним концом соединенной с силовым цилиндром и имеющей на этом конце продольные канавки, а на другом - сквозные прорези с боковыми гнездами и инденторами с продольными относительно продольной оси силового цилиндра лезвиями. Лепестки инденторов размещены в сквозных прорезях и выполнены с буртиками, размещенными в боковых гнездах, а упругие связи одними концами размещены в продольных канавках и жестко соединены с направляющей, а другими размещены в сквозных прорезях и прижаты к лепесткам инденторов.

Это устройство имеет сложную конструкцию. Разрушение объекта на отдельные части продольными лезвиями возможно только при условии, когда объект имеет малые размеры и уже отделен от горного массива (например, негабарит). Для отделения горной породы от горного массива требуется, чтобы формируемая трещина по всему периметру выходила на свободную поверхность. Такие требования продольными лезвиями не обеспечиваются. Поэтому устройство обладает относительно низкой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для направленного разрушения монолитных объектов по авт.св. СССР № 1488476, кл. Е21С 37/02, опубл. в БИ № 23, 1989 г. Оно включает силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным клиновым концом, пропущенный с возможностью продольного перемещения сквозь силовой цилиндр и поршень и имеющий, по крайней мере, один бурт для упора в него поршня, распорные цанги, охватывающие распорный клиновой конец штока и связанные с силовым цилиндром, механизм нанесения ударов по торцу штока, оппозитному распорному клиновому концу. Механизм нанесения ударов по торцу штока выполнен в виде цилиндрического корпуса с поршнем-бойком и узлом создания импульсного перепада давлений по обе стороны поршня-бойка. Цилиндрический корпус жестко связан с поршнем силового цилиндра.

Это устройство может применяться при условии, когда объект разрушается распорными элементами на отдельные части (формируемая трещина выходит на свободную поверхность по всему периметру). Такие условия возникают только в случае, если разрушаемый объект является хрупким и формируемая трещина расположена в непосредственной близости от свободной поверхности. Устройство не обеспечивает формирование нескольких параллельных трещин одновременно. Поэтому его применение неэффективно, особенно для отделения от горного массива горной породы, обладающей повышенной вязкостью (слюдосодержащие породы, серосодержащие руды).

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет совмещения разрушающих усилий, обусловленных естественным полем напряжений, возбуждением колебаний и расклиниванием горных пород и повышении эффективности устройства за счет разрушения горных пород растягивающими усилиями и в колебательном режиме.

Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение скважин, размещение в них виброисточников колебаний, возбуждение в горном массиве колебаний и разрушение горных пород, согласно техническому решению в стенки скважин внедряют связанные с вибратором закалывающие клинья и используют их в качестве виброисточников, при этом закалывающие клинья внедряют в параллельных свободной поверхности горного массива плоскостях, а колебание закалывающих клиньев осуществляют вдоль оси, перпендикулярной плоскостям их внедрения.

Внедрение в стенки скважин связанных с вибратором закалывающих клиньев и использование их в качестве виброисточников позволяет совмещать операции создания искусственных концентраторов напряжений и возбуждения колебаний в горном массиве. Внедрение закалывающих клиньев в параллельных свободной поверхности горного массива плоскостях обеспечивает совмещение усилий, обусловленных естественным полем напряжений и внедрением в горную породу закалывающих клиньев. Колебание закалывающих клиньев вдоль оси, перпендикулярной плоскостям их внедрения, позволяет совмещать усилия, обусловленные колебаниями закалывающих клиньев и их внедрением в стенки скважин. В результате по линиям формирования трещин концентрируются напряжения, суммируются усилия, обусловленные естественным полем напряжений, колебаниями закалывающих клиньев и их внедрением в стенки скважин, а горная порода разрушается растягивающими силами. Таким образом, существенно повышается эффективность способа.

Целесообразно разрушение горных пород осуществлять последовательным формированием трещин, начиная от свободной поверхности в глубь горного массива. В этом случае одна из поверхностей предыдущей трещины выполняет функцию свободной поверхности для последующей трещины. Приближение формируемой трещины к свободной поверхности облегчает разрушение горной породы из-за уменьшения толщины отделяемого от горного массива слоя. В результате значительно возрастает производительность отбойки горной породы от горного массива (за счет отбойки по нескольким слоям) без существенного повышения усилий и энергоемкости ее разрушения. Это повышает эффективность способа.

Целесообразно к закалывающим клиньям дополнительно прикладывать статическое усилие, направленное в сторону отбойки горной породы. Это усиливает направленность разрушения и обеспечивает полное отделение горной породы от горного массива вне зависимости от ее вязкости.

Целесообразно горную породу разрушать одновременно из нескольких скважин, при этом осуществлять синхронное колебание закалывающих клиньев. Это позволяет объединять отдельные трещины от закалывающих клиньев в сплошные поверхности разрыва и, следовательно, отделять горную породу от горного массива в больших объемах. В результате повышается эффективность способа за счет увеличения его производительности.

Задача решается также тем, что устройство для разрушения горных пород, включающее силовой цилиндр с поршнем, шток с распорным концом, пропущенный сквозь силовой цилиндр с возможностью продольного перемещения, цангу с лепестками, на которых установлены закалывающие клинья, надетую на шток и связанную с силовым цилиндром, согласно техническому решению снабжено вибратором, установленным на цанге.

Установка на цанге вибратора позволяет использовать закалывающие клинья в качестве виброисточников, что обеспечивает совмещение операций возбуждения колебаний и внедрения закалывающих клиньев в стенки скважин. При этом возбуждение колебаний происходит на контакте закалывающих клиньев и горной породы, от чего горная порода разрушается растягивающими усилиями и в колебательном режиме. Это существенно повышает эффективность устройства.

Целесообразно на распорном конце штока выполнить кольцевые выступы с выпуклыми поверхностями, сопряженными с боковой поверхностью штока, под которые на внутренних поверхностях лепестков цанги выполнить углубления, а закалывающие клинья на лепестках цанги установить в нескольких параллельных плоскостях. Это позволяет формировать трещины, параллельные свободной поверхности горного массива, при одноразовой подаче устройства в скважину, что повышает эффективность разрушения горной породы.

Целесообразно кольцевые выступы на штоке и углубления на внутренних поверхностях лепестков цанги расположить таким образом, чтобы максимальное усилие вначале создавалось закалывающими клиньями, расположенными ближе к свободному от лепестков концу цанги, а по мере втягивания конца штока в цангу смещалось в направлении свободного конца устройства. Это обеспечивает последовательное возникновение трещин, начиная от свободной поверхности горного массива, что повышает эффективность устройства, ибо снижаются усилия, требуемые для разрушения горной породы.

Целесообразно цангу связать с тяговым механизмом. Это позволяет прикладывать к закалывающим клиньям статическое усилие, направленное в сторону отбойки горной породы от горного массива, что повышает эффективность устройства, ибо усиливает направленность разрушения и обеспечивает полное отделение горной породы от массива вне зависимости от ее вязкости.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа, конкретным исполнением устройства и чертежами.

На фиг.1 показана схема разрушения горной породы до образования трещин, продольный разрез, вид сверху; на фиг.2 - то же, во время формирования трещин.

Способ разрушения горных пород реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.

В горном массиве бурят скважину 1 (фиг.1) и размещают в ней устройство, состоящее из силового цилиндра 2 (далее - цилиндр 2) с поршнем 3 и штоком 4 с распорным концом 5. На одном конце цилиндра 2 установлена цанга 6 с лепестками 7, на внешней поверхности которых установлены закалывающие клинья 8 (далее - клинья 8). Устройство снабжено вибратором 9, установленным на цанге 6. На распорном конце 5 штока 4 выполнены кольцевые выступы 10 (далее - выступы 10) с выпуклыми боковыми поверхностями, сопряженными с боковой поверхностью штока 4, под которые на внутренних поверхностях лепестков 7 цанги 6 выполнены углубления 11. Клинья 8 на лепестках 7 цанги 6 установлены в параллельных плоскостях. Выступы 10 и углубления 11 расположены таким образом, что максимальное усилие вначале создается клиньями 8, расположенными ближе к свободному от лепестков 7 концу цанги 6, а по мере втягивания распорного конца 5 штока 4 в цангу 6 оно смещается в направлении свободного конца устройства. Цанга 6 через цилиндр 2 связана с тяговым механизмом (не показан), который подсоединен к свободному от цанги 6 концу 12 цилиндра 2. На цилиндре 2 установлены штуцеры 13 и 14 для его подключения к гидравлической системе высокого давления. Через штуцер 13 внутрь цилиндра 2 подают жидкость под давлением, от чего шток 4 под действием установленного на его торце поршня 3 перемещается в направлении, при котором клинья 8 распираются в стенки скважины 1. После этого включают вибратор 9 и с помощью тягового механизма к концу 12 цилиндра 2 прикладывают статическое усилие, направленное в сторону отбойки горной породы. При работающем вибраторе клинья 8 становятся по отношению горного массива виброисточником, колебания которого ориентированы вдоль оси, перпендикулярной плоскостям их внедрения, т.е. они по направлению воздействия совпадают со всеми разрушающими горную породу силами и поэтому суммируются с ними. В результате в горном массиве, начиная от его свободной поверхности, возникают, развиваются и выходят на свободную поверхность трещины 15 (фиг.2), обуславливающие отбойку горной породы. Зависшую на цанге 6 отбитую горную породу вместе с устройством (например, с помощью стрелы) перемещают в сторону от свободной поверхности горного массива. Затем устройство ориентируют вертикально цангой 6 вниз, давление жидкости, подаваемой через штуцер 13 в цилиндр 2, сбрасывают, а через штуцер 14 - поднимают. От этого шток 4 с поршнем 3 возвращаются в исходное состояние, лепестки 7 цанги 6 складываются и с них под действием собственного веса слетает отбитая горная порода. Далее цикл отбойки горной породы повторяют.

Внедрение клиньев 8 в стенки скважины 1 осуществляют с помощью выступов 10, которые в исходном состоянии находятся в углублениях 11. При продольном перемещении штока 4 с распорным концом 5 относительно цанги 6 выступы 10 выходят из углублений 11 и распирают лепестки 7, от чего клинья 8 стремятся внедриться в горную породу. Форма поверхности выступов 10 может быть различной, например в виде конуса, эллипсоида и т.д. В настоящем устройстве поверхность выступов 10 выполнена в виде сферы. Форма углублений 11 также не является принципиальной. Важным является очередность выхода выступов 10 из углублений 11. Там, где один из выступов 10 начинает выходить из соответствующего углубления 11 первым, создается максимальное распорное усилие, которое обуславливает возникновение в стенках скважины 1 первой трещины 15. По мере роста первой трещины 15 в нее входят клинья 8 и распорное усилие в этом месте падает. Затем максимальное значение распорного усилия перемещается туда, где один из выступов 10 начинает выходить из соответствующего углубления 11 вторым и т.д. Очередность выхода каждого выступа 10 из углубления 11 (очередность возникновения трещин 15) задается его расстоянием до места контакта с поверхностью углубления 11. В настоящем устройстве это расстояние увеличивается в направлении свободного конца цанги 6. Поэтому трещины возникают и развиваются последовательно, начиная от свободной поверхности в глубь горного массива.

При разрушении горных пород с повышенной вязкостью образование трещин даже сравнительно больших размеров еще не означает ее отделение от горного массива. В настоящем способе к клиньям 8 дополнительно прикладывают статическое усилие, направленное в сторону отбойки горной породы. Вначале это усилие способствует разрушению горного массива, ибо оно добавляется ко всем разрушающим силам, а затем обеспечивает полное отделение от него горной породы. Усилие создают тяговым механизмом, в качестве которого можно использовать стрелу самоходной машины.

Способ дает возможность создавать большие разрывы объединением трещин, формируемых через множество скважин 1. Подобные разрывы дезинтегрируют горную породу в относительно больших объемах, и, следовательно, повышают производительность ее отбойки. Чтобы создаваемые разрывы достигали максимальных размеров, колебания клиньев 8, установленных в различных скважинах 1, синхронизируют, что обеспечивает суммирование всех усилий, действующих на горный массив.

Отметим, что способ можно использовать совместно с другими известными техническими решениями, например пропиткой горных пород различными растворами, снижающими их прочностные характеристики, установкой клиньев 8 в плоскостях естественных ослаблений, резонансным возбуждением горного массива и т.д.