ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РЕЗАНИЯ БЛОКОВ ГОРНЫХ ПОРОД
ELECTRIC PULSE METHOD OF ROCK SLABS CUTTING

Изобретение относится к области обработки (резания) блоков из природного камня и токонепроводящих искусственных материалов (бетона, керамики и др.) импульсами высокого напряжения и может найти применение в строительной промышленности и горном деле для резания крупных блоков горных пород и изделий из искусственных материалов на блоки меньших размеров.
Известен электроимпульсный способ резания (разрушения) горных пород перемещающимся двухстержневым электродным устройством (патент на изобретение RU №2232271, МПК 7 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 10.07.2004, Бюл. №19), по которому шаг перемещения электродов устройства между двумя электрическими импульсами выбирают из следующего условия:
причем
з
где W - энергия, запасаемая источником импульсов высокого напряжения, Дж;
L - межэлектродный промежуток, мм;
опт
W - оптимальная энергия разрушения за один импульс для горной породы категории крепости по шкале М.М. Протодьяконова, равной 5, Дж;
n - число импульсов между высоковольтным и заземленным электродами.
Основные недостатки этого устройства заключаются в том, что для выноса разрушенной породы (шлама) из прорезаемой щели необходим промывочный узел и что эффективность резания сравнительно низка, т.к. при реализации способа нет возможности оптимально учитывать конкретные условия для перемещения двухстержневого электродного устройства, поскольку по этому способу устройство необходимо перемещать обязательно с постоянно выбранным шагом независимо от того, внедрился или не внедрился разряд в горную породу, каков результат воздействия на горную породу электрических разрядов.
Второй недостаток устранен в способе-прототипе, по которому работает известное устройство для резания горных пород (патент на изобретение RU №2393349, МПК 8 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 27.06.2010, Бюл. №18). Согласно этому способу разрезаемый блок погружают в жидкость, на него устанавливают двухэлектродное устройство, снабженное высоковольтным и заземленным электродами, в межэлектродный промежуток с помощью промывочного узла подают промывочную жидкость, к высоковольтному электроду подводят импульсы высокого напряжения, и одновременно устройство перемещают по блоку горной породы в одну сторону, до края блока, а затем в обратном направлении. Операции перемещения электродов повторяют многократно.
Основной недостаток способа-прототипа связан с необходимостью в промывочной системе для удаления продуктов разрушения, образующихся между электродами. При этом процесс удаления продуктов разрушения по способу-прототипу осложняется тем, что призабойные концы электродов существенно перекрывают образующуюся щель, препятствуя прокачке промывочной жидкости, обогащенной шламом, вдоль реза. Удаление шлама из межэлектродного промежутка путем отсасывания (вверх) еще больше усложняет процесс и систему промывки.
Основным техническим результатом предложенного решения является упрощение и удешевление способа. Он позволяет вести весь процесс резания без применения какой-либо промывочной системы, т.к. образующиеся при резании продукты разрушения выпадают из щели вниз под действием собственного веса.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном способе резания блоков горных пород путем подачи импульсов высокого напряжения на перемещаемое по блоку, погруженному в жидкость, двухэлектродное устройство с высоковольтным и заземленным электродами, согласно предложенному решению, перед подачей импульсов высокого напряжения на высоковольтный электрод под нижнюю поверхность приподнятого блока подводят заземленный электрод, а высоковольтный электрод устанавливают на боковую поверхность блока на выбранном расстоянии от заземленного электрода, после чего, подавая импульсы высокого напряжения на высоковольтный электрод, по мере разрушения горной породы над заземленным электродом электродное устройство поднимают на высоту блока, затем опускают в исходное положение и операции повторяют до образования необходимого реза.
Нецелесообразно процесс резания блоков этим устройством вести сверху вниз, перевернув устройство на 180° и установив его заземленный электрод на верхнюю поверхность блока. При таком варианте изоляционное покрытие высоковольтного электрода препятствует удалению шлама из прорезаемой щели за счет воздействия на него электрического разряда, да и при межэлектродном промежутке более 10-15 мм нет гарантии полного удаления шлама из щели без подачи в нее промывочной жидкости даже при отсутствии такого препятствия.
Пример конкретного выполнения предложенного способа осуществляют с помощью двухэлектродного устройства, изображенного на фиг.1 и 2. На фиг.1 приведено продольное сечение этого устройства, вертикально установленного в заполненном водой баке, в который помещен блок горной породы, а на фиг.2 представлен поперечный разрез устройства в горизонтальной плоскости. Двухэлектродное устройство содержит высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды, призабойные концы которых выполнены в виде заостренных пластин. Высоковольтный электрод 1 снабжен изоляционным (полиэтиленовым) покрытием 3, к нижнему концу которого прикреплен диэлектрический держатель 4 заземленного электрода 2, имеющий Г-образную форму. Верхний конец высоковольтного электрода 1 с изоляционным покрытием 3 пропущен через центральные продольные прорезы нижней направляющей 5 и верхней направляющей 6, через каретку 7, перемещающуюся по верхней направляющей 6, а также через узел периодических подъемов и спусков 8 двухэлектродного устройства. Направляющие 5 и 6, а также диэлектрический держатель 4 выполнены из стеклотекстолита. Концы направляющих 5 и 6 заведены в винипластовые швеллеры 9, которые прикрепляют в вертикальном положении к противоположным стенкам полиэтиленового бака 10 напротив предполагаемого реза. В баке 10 на продольные бетонные опоры 11 кладут блок горной породы 12, при этом опоры располагают так, что предполагаемый рез блока горной породы находится между этими блоками. Верхний конец высоковольтного электрода 1 электрически соединен с источником импульсов высокого напряжения 13, а электрод 2 заземлен с помощью заземляющего проводника 14, изготовленного из оплетки кабеля. Для обеспечения развития каналов электрических разрядов 15 в горной породе и предупреждения перекрытий разрядов по поверхности блока горной породы 12 бак 10 заполняют водой 16 до уровня выше этого блока.
Способ осуществляют следующим образом. На дно бака 10 кладут бетонные опоры 11, располагая их так, чтобы между ними был продольный зазор для прохождения заземленного электрода 2 и его диэлектрического держателя 4. На эти опоры 11 устанавливают блок горной породы 12 из песчаника на известковом цементе и бак 10 заполняют водой 16. Под нижнюю поверхность блока горной породы 12 подводят заземленный электрод 2; одновременно высоковольтный электрод 1 устанавливают призабойным концом на боковую поверхность блока 12 на расстоянии от заземленного электрода, выбранном для конкретной горной породы с учетом параметров импульсов высокого напряжения. Затем на высоковольтный электрод 1 от источника 13 подают импульсы высокого напряжения. Между призабойными концами электродов 1 и 2 непосредственно в горной породе происходят электрические разряды, отрывающие кусочки горной породы (шлам) от блока 12 на высоту h (фиг.1). Высота h имеет переменное значение и если h=0, т.е. отрыва горной породы над заземленным электродом 2 не происходит, например, когда энергии одного электрического разряда недостаточно для отрыва породы, то заземленный электрод препятствует подъему двухэлектродного устройства вверх. По мере разрушения горной породы над заземленным электродом 2 узел периодических подъемов и спусков 8 поднимает двухэлектродное устройство на высоту блока 12 через продольные прорезы нижней и верхней направляющих 5 и 6. После этого двухэлектродное устройство с помощью узла 8 опускают в нижнее положение, а с помощью каретки 7 перемещают в направлении прорезаемой в блоке горной породы 12 щели, и операции повторяют до разрезания этого блока на две части или до образования щели заданной глубины.
Таким образом, предложенный способ значительно проще существующих способов, т.к. позволяет вести резание блоков без прокачки промывочной жидкости, и дешевле, т.к. не требует промывочной системы. Кроме того, в предложенном способе электроды не стоят на пути выхода (выноса) шлама из межэлектродного зазора, поэтому в нем нет затрат энергии на переизмельчение шлама. Так, при расстоянии между высоковольтным 1 и заземленным 2 электродами 14-16 мм объем шлама песчаника фракции более 7 мм увеличился по сравнению со способом-прототипом почти на 80%.