УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН В СКВАЖИНАХ

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения монолитов природного камня от массива, разделки монолитов на блоки, раскалывания негабаритов и в других подобных технологиях.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2168018, кл. Е21С 37/06, опубл. в БИ №15, 2001 г., включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности, при этом в корпусе выполнена, по крайней мере, одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром большим, чем диаметр скважины. Устройство снабжено ударным механизмом, который установлен на его торце.
Недостатком рассматриваемого устройства является его неспособность создавать трещины в скважинах по пути наибольшего сопротивления разрыву породы, например, по диагонали блока. Это обусловлено тем, что созданные упругим кольцом устройства концентраторы напряжений (бороздки) на стенках скважины способствуют только зарождению трещины вдоль заданного направления, а дальнейшее ее развитие происходит по пути наименьшего сопротивления, как подтверждено экспериментально. Кроме того, устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, его работа предопределяет износ упругого кольца, взаимодействующего со стенками скважины. Все это обуславливает неэффективность и относительно низкую надежность работы устройства.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования направленных трещин в скважинах по первому варианту патента РФ №2276262, кл. Е21С 37/06, 37/02, опубл. 10.05.2006 г., включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом, снабженный ударным механизмом, установленным на торце цилиндрического корпуса, свободный конец которого выполнен заостренным. Заостренный конец цилиндрического корпуса представляет собой двузубый клин с углом зуба α, V-образной режущей кромкой и двумя V-образными вертикальными пазами, противоположно выполненными по разные стороны от V-образной режущей кромки. Каждый указанный паз образован двумя плоскостями, расположенными под углом β<180° и образующими рабочие грани двузубого клина.
Недостатком рассматриваемого устройства является повышенная энергоемкость разрыва каменного массива при его использовании. Это обусловлено тем, что данное устройство передает разрывные усилия на стенки скважины в массиве не прямым воздействием, а через пластичное вещество в скважине и тем самым затрачивает сравнительно большую долю энергии единичных ударов на внутреннее трение пластичного вещество при его сжатии в скважине, прежде чем возникнет направленная трещина при достижении соответствующего давления пластичного вещества на стенки скважины. Это, в свою очередь, требует применения более мощного ударного механизма, что увеличивает затраты на изготовление и на эксплуатацию устройства, связанные с необходимостью применения более мощных грузоподъемных механизмов по перестановке устройства. При этом устройство имеет относительно сложную конструкцию двузубого клина, что также повышает себестоимость изготовления устройства.
Все это обуславливает неэффективность и низкую надежность работы устройства, высокую стоимость изготовления и эксплуатации устройства.
Техническими задачами предлагаемого решения являются повышение эффективности его работы за счет обеспечения им пониженной энергоемкости образования трещины, повышение эффективности изготовления и эксплуатации устройства за счет снижения стоимости его изготовления и эксплуатации, а также повышение надежности работы устройства по образованию направленной трещины за счет обеспечения направленных усилий на стенки скважины непосредственным воздействием устройства, исключая передачу и распределение ударной нагрузки на стенки скважины через пластичное вещество, как в прототипе.
a
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее корпус с кольцевым выступом, образующим ступени, снабженный ударным механизмом, установленным на торце корпуса, противолежащий конец которого свободный. Согласно техническому решению кольцевой выступ корпуса выполнен в виде усеченного конуса с углом 2 при вершине полного конуса, из которого образован этот усеченный конус, имеющий диаметр основания с меньшей площадью, равный диаметру d1 свободного конца корпуса и диаметру проходного сечения скважины. Диаметр основания усеченного конуса с большей площадью равен диаметру d2 прилегающей к нему ступени корпуса. Разность диаметров d2-d1≤2б, где 2б - предельная величина раздвига берегов направленной трещины из скважины, а высота L2 усеченного конуса составляет L2≤5·d1.
Указанная совокупность признаков позволяет разрывать массив из скважины при ударном внедрении устройства и обеспечивает в технологии добычи блочного камня образование и развитие магистральной трещины вдоль строчки шпуров с меньшими энергозатратами, чем у прототипа, и исключает выход трещины на свободную поверхность (уступ), параллельную плоскости отделения блока от массива. При этом такое исполнение устройства снижает стоимость его изготовления и эксплуатации.
Образование и развитие магистральной трещины с меньшими энергозатратами достигается за счет прямого воздействия устройства на стенки скважины, исключая сравнительно большую долю затрат энергии единичных ударов на внутреннее трение пластичного вещество при его сжатии в скважине, прежде чем возникнет направленная трещина, как в прототипе.
a
Развитие магистральной трещины вдоль строчки шпуров достигается за счет выполнения кольцевого выступа корпуса в виде усеченного конуса с углом 2 при вершине полного конуса, из которого образован этот усеченный конус, и разностью диаметров d2-d1≤2б, где 2б - предельная величина раздвига берегов направленной трещины из скважины, а высота L2 усеченного конуса составляет L2≤5·d1.
Все это позволяет повысить, в сравнении с прототипом, эффективность работы, изготовления и эксплуатации устройства.
в
Целесообразно при этом на поверхности усеченного конуса и поверхности прилегающей к ней ступени корпуса с диаметром d2 выполнить два скоса в виде плоскостей, расположенных симметрично относительно продольной оси корпуса под углом между плоскостями 2.
Это дает возможность повысить надежность работы устройства по образованию направленной трещины за счет обеспечения устройством направленных усилий на стенки скважины непосредственным воздействием устройства.
Кроме того, целесообразно корпус снабдить дополнительным кольцевым выступом, выполненным в виде усеченного конуса и расположенным между ударным механизмом и кольцевым выступом на расстоянии от кольцевого выступа L3≤0,75·H, где H - высота отделяемого блока от массива, при этом диаметр основания усеченного конуса с меньшей площадью у дополнительного кольцевого выступа равен диаметру d2 основания усеченного конуса с большей площадью у кольцевого выступа, а диаметр основания усеченного конуса с большей площадью у дополнительного кольцевого выступа равен диаметру d3 прилегающей к нему ступени корпуса, торец которой служит торцом корпуса. Это дает возможность повысить эффективность работы устройства по отделению блоков от массива, обеспечивая при полном заглублении корпуса в скважину после образования магистральной направленной трещины на всю площадь отделения блока его отодвигание от массива на величину d3-d1. Это позволяет цеплять блоки канатом к крюкам грузоподъемных или тяговых механизмов для последующей их транспортировки или для опрокидывания крупноразмерного блока с целью последующей его разделки на более мелкие блоки и т.д.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-7. На фиг.1 представлен общий вид устройства для образования направленных трещин в скважинах; фиг.2 - вид А на фиг.1; фиг.3-место I на фиг.1 в увеличенном масштабе (2:1); фиг.4 - разрез В-В на фиг.3 в период образования и развития трещины; фиг.5 - схема установки устройства перед началом ударного внедрения в скважину до образования начальной трещины в массиве; фиг.6 - схема заглубления устройства в скважину при образовании магистральной трещины на всю площадь отделения блока; фиг.7 - схема заглубления устройства в скважину при полном отодвигании блока от массива.
a
Устройство для образования направленных трещин в скважинах (фиг.1) состоит из корпуса 1 с кольцевым выступом (поз не обозначен), образующим ступени, ударного механизма 2, установленного на торце корпуса 1 с противолежащим свободным концом 3. Кольцевой выступ корпуса 1 выполнен в виде усеченного конуса 4 с углом 2 при вершине полного конуса, из которого образован этот усеченный конус 4. Усеченный конус 4 имеет диаметр основания 5 с меньшей площадью, равный диаметру d1 свободного конца 3 корпуса 1 и диаметру проходного сечения скважины 6. При этом диаметр основания 7 усеченного конуса 4 с большей площадью равен диаметру d2 прилегающей к нему цилиндрической ступени корпуса 1. Причем разность размеров d2-d1≤2б, где 2б - предельная величина раздвига берегов направленной трещины 8 (фиг.4,) из скважины 6, а высота L2 (фиг.1) усеченного конуса составляет L2≤5·d1.
в
На поверхности (поз. не обозначена) усеченного конуса 4 и поверхности прилегающей к ней ступени корпуса 1 с диаметром d2 выполнены два скоса (поз. не обозначены) в виде плоскостей 9 (фиг.1-3), расположенных симметрично относительно продольной оси корпуса 1 под углом 2 между плоскостями 9.
Корпус 1 (фиг.1) может быть снабжен дополнительным кольцевым выступом (поз. не обозначен), выполненным в виде усеченного конуса 10 и расположенным между ударным механизмом 2 и кольцевым выступом в виде усеченного конуса 4 на расстоянии от этого кольцевого выступа L3≤0,75·H, где H - высота отделяемого блока 11 от массива 12 (фиг.5), при этом диаметр основания 13 (фиг.1) усеченного конуса 10 с меньшей площадью у дополнительного кольцевого выступа равен диаметру d2 основания 7 усеченного конуса 4 с большей площадью у кольцевого выступа, а диаметр основания 14 усеченного конуса 10 с большей площадью у дополнительного кольцевого выступа равен диаметру d3 прилегающей к нему ступени корпуса 1, на которой установлен ударный механизм 2. На фиг.4 позицией 15 указана заданная плоскость отделения блока 11, на фиг.5, 6 позицией 16 указана горизонтальная (постельная) трещина природного или техногенного происхождения.
max
Устройство работает следующим образом. После подачи устройства (фиг.1-7) со стороны свободного конца 3 корпуса 1 в скважину 6 на величину L1 таким образом, чтобы ось х, изображенная на фиг.4, была перпендикулярна заданной плоскости 15 отделения блока 11 (фиг.5), включают ударный механизм 2 (фиг.1). В качестве ударного механизма 2 в устройстве могут использоваться любые ударные машины для забивания в грунт стержневых элементов. Под действием ударных импульсов происходит внедрение свободного конца 3 корпуса 1 в скважину 6, при этом поверхности (поз. не обозначены), образующие усеченный конус 4 и расположенные между плоскостями 9 скосов, воздействуют на стенки скважины 6 горизонтальными результирующими усилиями F1 и F2 (далее - усилия F1 и F2), направленными диаметрально противоположно относительно друг друга в заданной плоскости 15 отделения блока 11 (фиг.5) от массива 12. При этом в массиве 12 возникают растягивающие напряжения, действие которых вызывает развитие его микродефектов. Объединяясь, они образуют трещину 8 (фиг.4), направленную вдоль заданной плоскости 15. Дальнейшее развитие трещины 8 обеспечивается погружением кольцевого выступа в виде усеченного конуса 4 на глубину скважины 6, равную длине L3, и тем самым происходит расклинивание массива 12 вдоль скважины 6 усилиями F1 и F2 на величину 2б (фиг.3), как показано на фиг.6.
mpi
i
i
i
mpi
бл
бл
В результате в заданной плоскости 15 (фиг.4) образуется магистральная трещина 8 с площадью, равной S≈H·2l, где 2l - длина линии трещины 8 на горизонтальной поверхности по обе стороны скважины 6, при соответствующей величине (2б) раздвига берегов трещины 8 из скважины 6. Если площадь S≈S, где S - площадь плоскости 15 отделения блока 11 от массива 12, то с помощью ударной нагрузки в скважину 6 погружают и дополнительный кольцевой выступ в виде усеченного конуса 10 на глубину больше, чем L4, но меньше, чем L5 (фиг.7). При этом происходит отодвигание отделяемого блока 11 от массива 12 и процесс отделения данным устройством заканчивается.
mpi
бл
бл/
mpi
Если площадь S<<S, то следует одновременно использовать несколько устройств для образования направленных трещин в скважинах, а ударный механизм 2 (фиг.1) целесообразно переустанавливать с корпуса 1 одного устройства на корпус 1 другого устройства, подлежащего внедрению в скважину 6 (фиг.5) на глубину, равную сумме (L1+L2+L3). Затем после внедрения корпусов 1 всех устройств на глубину, равную сумме (L1+L2+L3), производят последовательно погружение дополнительного кольцевого выступа в виде усеченного конуса 10 (фиг.1) каждого корпуса 1 на глубину больше, чем L4, но меньше, чем L5, до тех пор, пока не произойдет отодвигание блока 11 от заданной плоскости 15 (фиг.4) на соответствующую величину, равную (d3-d1), по всей длине блока 11 (фиг.7). Причем количество необходимых устройств для отделения блока 11 соответствующих размеров определяется величиной к≈SS.
max
i
i
i
i
бл
трi
Экспериментальные исследования подтверждают получаемый эффект. Образование магистральной трещины 8 (фиг.6) при отделении гранитного блока 11 от массива 12 происходит вдоль строчки шпуров путем ударного внедрения корпуса 1 (фиг.5) устройства в скважину 6. При соотношении 2б/В≈0,006, где В - ширина блока 11 (расстояние от строчки шпуров до фронтальной плоскости обнажения блока 11), соотношение раздвига 2б трещины к ее длине 2l составляет 2δ/2l≈0,0025, а линия трещины 8 не выходит на свободную поверхность. Затем после проведения аналогичных операций (перестановка ударного механизма 2 на корпус 1 другого устройства, ударное внедрение в скважину 6, образование магистральной трещины 8 - фиг.6) на соседних участках породы, подлежащих разрыву, образовалась в заданной плоскости магистральная трещина 8 с площадью S≈S. Далее, заглубив в скважину 6 (фиг.7) дополнительный кольцевой выступ в виде усеченного конуса 10, произошло полное отделение и отодвигание блока 11 от массива 12. Эксперимент проводился на модели массива 12 из гранитного негабарита в масштабе 1:5 по отношению к промышленным объектам. Эксперимент показал, что энергоемкость образования направленной трещины 8 (фиг.6) данным устройством снижается более, чем в 3 раза по сравнению с прототипом.
Тем самым экспериментальные исследования подтвердили, что предлагаемое устройство позволяет создавать направленные трещины 8 (фиг.4) в скважинах 6 с пониженной энергоемкостью, а также обеспечивает повышение надежности работы устройства по образованию направленных трещин 8 за счет обеспечения направленных усилий на стенки скважины 6 непосредственным воздействием его корпуса 1.