УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДРЕЗАНИЯ БЛОКОВ ГОРНЫХ ПОРОД ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ РАЗРЯДАМИ
DEVICE TO CUT ROCK SLABS WITH HIGH-VOLTAGE DISCHARGES

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной областям промышленности. Оно предназначено для подрезания больших блоков горных пород при их добыче на карьерах. Работа устройства основана на электроимпульсном способе разрушения диэлектрических материалов, в т.ч. горных пород, при котором высоковольтные разряды развиваются непосредственно в диэлектрическом материале и разрушают его без каких-либо других видов воздействия.
Известно устройство для подрезания блоков горных пород высоковольтными импульсными разрядами (патент на изобретение RU №2427711, МПК Е21С 37/18 (2006.01), опубл. 27.08.2011. Бюл. №24), которое содержит расположенные в одной плоскости и скрепленные верхним и нижним держателями чередующиеся высоковольтные и заземленные стержневые электроды, причем верхний держатель выполнен с возможностью перемещения по направляющим вдоль электродов, а нижний держатель выполнен клинообразным с наклонными направляющими электродными каналами со шламовыми окнами между этими каналами и с забойными опорами, при этом обнаженные части электродов выполнены в виде шарнирно соединенных секций, а верхний держатель выполнен с возможностью перемещения по направляющим вдоль электродов. Предусмотрено также выполнение наклонных направляющих электродных каналов в нижнем держателе с двух противоположных его сторон, а призабойных секций электродов из токопроводящих тросиков.
Основные недостатки этого устройства следующие. Во-первых, ширина подрезной щели ограничена шириной устройства, и для получения протяженной подрезной щели необходимы многократные прекращения процесса подрезания, перестановки устройства, включения его в работу, что приводит к дополнительным затратам времени. Во-вторых, при подрезании блоков в неоднородных по свойствам горных породах ограничена глубина образующейся подрезной щели, т.к. в подобных условиях эффективность разрушения горной породы между каждой парой соседних разнополярных электродов различна, в результате чего призабойные концы одних электродов сближаются, а расстояния между концами других электродов увеличиваются, и электрические разряды развиваются только между сблизившимися электродами. Из-за этого процесс подрезания прекращается. Например, в крупнозернистом граните это произошло при глубине подрезной щели 760 мм.
Наиболее близким к предложенному устройству по числу общих существенных признаков является выбранный за прототип электрогидравлический линейный бур первого типа (Л.А. Юткин «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Изд-во «Машиностроение». Ленинградское отделение. 1986 г., с.174-176), основными элементами которого являются диэлектрический плоский корпус с центральным каналом для подачи воды через внутреннюю полость положительного (высоковольтного) электрода в зазор между пластинчатым нижним (призабойным) концом этого электрода и пластинчатым отрицательным (заземленным) электродом, прикрепленным к диэлектрическому корпусу на расстоянии в пределах 10 мм от пластинчатого нижнего положительного электрода.
Одним из основных недостатков устройства-прототипа является отсутствие возможности его применения для подрезания блоков горных пород из узких вертикальных щелей. Другой недостаток, как и у устройства-аналога, заключается в том, что оно неприменимо для непрерывной проходки протяженных подрезных щелей, т.к. предназначено для проходки за одну установку подрезной щели, длина которой близка к ширине линейного бура.
Техническим результатом предложенного решения является то, что устройство позволяет вести подрезание блоков горных пород из узких (не более 100 мм) вертикальных щелей с образованием протяженных подрезных щелей, т.е. таких, длина которых многократно больше ширины самого устройства, причем оно позволяет вести этот процесс непрерывно, без остановок для многократных перестановок устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для подрезания блоков горных пород высоковольтными разрядами, имеющем трубчатый канал для подачи промывочной жидкости в зазор между высоковольтным и заземленным электродами, выполненными в виде параллельных пластин, разделенных изолятором, согласно предложенному решению, высоковольтный и заземленный электроды расположены горизонтально, и сверху к одному из концов верхнего электрода прикреплена труба поворота и перемещения устройства, а в зазоре между электродами размещена надзабойная диэлектрическая трубка, выполненная с промывочными окнами, обращенными в сторону призабойных частей электродов.
Кроме того, труба поворота и перемещения устройства выполнена заземленной, и внутри нее коаксиально размещена высоковольтная труба, отделенная межтрубным изолятором, причем внутренний промывочный канал высоковольтной трубы соединен с внутренней полостью надзабойной диэлектрической трубки, а высоковольтная труба электрически подключена к нижнему электроду.
Кроме того, поперечное сечение надзабойной диэлектрической трубки прямоугольное или эллипсообразное.
Целесообразно промывочные окна надзабойной диэлектрической трубки, расположенные ближе к трубе поворота и перемещения устройства, выполнять меньших размеров, чем удаленные от нее.
Целесообразно также высоковольтный и заземленный электроды снабжать призабойными электродными ребрами, которые обращены в сторону электродов противоположной полярности и равноудалены от них и друг от друга.
Кроме того, целесообразно каждое призабойное электродное ребро выполнять длиной не менее расстояния между наружными поверхностями высоковольтного и заземленного электродов, а над концами призабойных электродных ребер в этих двух электродах сделать выемки арочной или П-образной формы.
1
1
Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован шестью рисунками. На фиг.1 приведен вид устройства спереди; на фиг.2 представлен его разрез А-А; на фиг.3 показан вид сверху на устройство, помещенное в вертикальную щель, расположенную вдоль одной из стенок подрезаемого блока горной породы, и схема перемещения устройства при его повороте и перемещении в процессе подрезания блока; на фиг.4 это устройство изображено с удлиненными электродными ребрами, а на фиг.5 и фиг.6 приведены его вид сверху и разрез A-A (по фиг.4).
1
2
3
4
4
Одними из основных элементов устройства (фиг.1 и фиг.2) являются расположенные горизонтально высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды, выполненные в виде параллельных пластин, концы которых разделены изолятором 3, причем первый электрод снабжен призабойными электродными ребрами 4, а второй призабойными электродными ребрами 5. Электродные ребра 4 и 5 обращены в сторону электродов противоположной полярности и равноудалены от них и друг от друга, т.е., как показано на фиг.1: S=S=S=18 мм. В зазоре между высоковольтным электродом 1 и заземленным 2 продольно размещена надзабойная диэлектрическая трубка 6 (фиг.1 и фиг.2), выполненная с промывочными окнами 7, обращенными в сторону призабойных частей электродов 1 и 2, причем поперечное сечение надзабойной диэлектрической трубки 6 прямоугольное или эллипсообразное. Сверху (фиг.1) к одному из концов заземленного электрода 2 прикреплена (электросваркой) заземляемая труба поворота и перемещения устройства 8. Внутри нее коаксиально размещена высоковольтная труба 9, отделенная межтрубным изолятором 10 и электрически соединенная с высоковольтным (нижним) электродом 1. Для надежного механического присоединения высоковольтного электрода 1 к высоковольтной трубе 9 в нижний ее конец плотно вставлена пробка 11. Над пробкой 11 в высоковольтной трубе 9 сделано выходное отверстие 12, соединяющее внутренний промывочный канал высоковольтной трубы 9 с внутренней полостью надзабойной диэлектрической трубки 6. Промывочные окна 7 надзабойной диэлектрической трубки 6, расположенные ближе к трубе поворота и перемещения устройства 8, выполнены меньших размеров, чем удаленные от нее, чтобы основная часть промывочной жидкости вытекала не через первые, а равномерно через все промывочные окна. Для предупреждения подклиниваний устройства шламом оно выполнено (фиг.1 и фиг.2) с промывочными отверстиями высоковольтного электрода 13 и промывочными отверстиями заземленного электрода 14. Дополнительно увеличить количество высоковольтных разрядов, внедряющихся в крепкую горную породу, позволяет выполнение всех призабойных электродных ребер удлиненными так, чтобы длина каждого из них была равна расстоянию между наружными поверхностями заземленного и высоковольтного электродов или несколько превышала это расстояние (фиг.4÷6). На этих трех фигурах видно, что концы призабойных электродных ребер 4 высоковольтного электрода 1 проходят под выемками арочной формы 15 заземленного электрода 2, а концы призабойных электродных ребер 5 заземленного электрода 2 под такими же выемками 16 высоковольтного электрода 1 с зазорами в выемках большими, чем S, показанное на фиг.4 (S - расстояние между каждой парой соседних призабойных ребер 4 и 5).
Как отмечено выше, на фиг.3 показан вид сверху на устройство (конструктивно оно представлено на фиг.1 и фиг.2), помещенное на забой предварительно пройденной на карьере вертикальной щели 17. С другой стороны подрезаемого блока 18 расположена противоположная вертикальная щель 19.
Работа рассматриваемого устройства осуществляется следующим образом. Предварительно на карьере для добычи блоков горной породы проходят вертикальную щель 17 (фиг.3), например, с помощью электроразрядного резака, подобного приведенному в статье Бажов В.Ф., Журков М.Ю., Лопатин В.В., Муратов В.М. «Электроразрядное резание горных пород», журнал «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых», 2008, №2, с.71, рис.1, б. Предложенное устройство устанавливают на забой вертикальной щели 17. Сверху в высоковольтную трубу 9 подают диэлектрическую промывочную жидкость (дизельное топливо), которая через выходное отверстие 12 (фиг.1) попадает во внутреннюю полость надзабойной диэлектрической трубки 6, а оттуда через промывочные окна 7 (фиг.1 и фиг.2) в пространство между заземленным электродом 2 и высоковольтным электродом 1. Когда уровень промывочной жидкости поднимается выше заземленного электрода 2, на высоковольтную трубу 9 подают импульсы высокого напряжения (не менее 250 кВ), а заземленную трубу поворота и перемещения устройства 8 через фрикционную передачу подключают к механизму поворота и перемещения устройства (эти передача и механизм на фиг.1÷3 не показаны). При подаче импульсов высокого напряжения между разнополярными призабойными электродными ребрами 4 и 5, между электродными ребрами 4 высоковольтного электрода 1 и заземленным электродом 2, между электродными ребрами 5 заземленного электрода 2 и высоковольтным электродом 1 в горной породе развиваются электрические разряды, которые отрывают от массива кусочки горной породы, превращая их в шлам. Образующийся шлам удаляется с забоя подрезной щели промывочной жидкостью, поступающей на забой через промывочные окна 7. Основная его часть покидает призабойную зону (фиг.2) через зазор между надзабойной диэлектрической трубкой 6 и высоковольтным электродом 1. Частично мелкий шлам выносится через промывочные отверстия заземленного электрода 14 и промывочные отверстия высоковольтного электрода 13. Окончательное удаление накопившегося шлама осуществляется с помощью всасывающего насоса (на фиг.1÷6 не показан).
2
2
Процесс подрезания на первом этапе выполняют до поворота (фиг.3) горизонтальной (электродной) части устройства по часовой стрелке, т.е. в направлении стрелки F, на 90°. В результате эта часть устройства принимает положение е'б'бе, а первая часть подрезной щели под блоком горной породы 18 имеет вид сверху абб'е'. Затем, на втором этапе подрезания, механизм поворота и перемещения переводят в режим перемещения устройства вдоль вертикальной щели 17, и процесс подрезания идет в направлении стрелки Р с образованием второй части подрезной щели под блоком 18: гвб'е'. Для выполнения третьего этапа: подрезания оставшегося участка адб - устройство помещают в противоположную вертикальную щель 19 и поворачивают по стрелке Z на 90°. При длине подрезной щели аг до 2 м, глубине гв 0,9 м и частоте подачи импульсов высокого напряжения 7,0 имп/с скорость подрезания в граните составляет 0,33 м/ч, а в песчанике на известковом цементе, при частоте подачи импульсов 8,4 имп/с, скорость подрезания - 1,09 м/ч.
Как видно из вышеизложенного, предложенное устройство позволяет вести процесс подрезания из узких вертикальных щелей, а длина подрезной щели ограничена в основном лишь длиной вертикальной щели.
2
2
Следует отметить, что имеются пути увеличения скорости подрезания блоков горных пород предложенным устройством в несколько раз. Так, в работе (Адам A.M. Исследование и разработка технических средств и технологии электроимпульсного колонкового бурения скважин. Дисс. канд. техн. наук/ Томск, 1968, с.67-70) показано, что при достаточном количестве промывочной жидкости скорость электроимпульсного бурения возрастает пропорционально повышению частоты подачи импульсов до 26 имп/с, т.е. реально увеличение скорости подрезания блоков в граните более 1 м/ч, а в песчанике более 3 м/ч только за счет регулирования частоты подачи импульсов высокого напряжения. Упомянутое бурение велось в таком же песчанике, какой использован при испытаниях предложенного устройства; при бурении применялся колонковый электроимпульсный бур (патент на изобретение SU №699836, МПК 5 Е21С 37/18, опубл. 30.10.1993, приоритет от 16.06.1964).