СПОСОБ РАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ROCK BURST METHOD, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для отрыва блоков от массива при проходке туннелей, добыче строительного камня, ликвидации зависаний горной массы.
Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ №2131032, кл. E21C 37/02, опубл. в БИ №15, 1999 г., 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. До подачи сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, шпуры заполняют неньютоновской жидкостью.
В этом способе разрушение горной породы происходит в обе стороны относительно шпура, а форма образуемой трещины оказывается овальной, что обуславливает необходимость делать ее площадь большей площади грани отрываемого от массива блока. Из-за этого в массиве после отрыва от него блока остаются техногенные трещины, которые при проходке туннеля снижают его устойчивость, а при добыче строительного камня уменьшают выход готовой продукции. Поэтому способ малоэффективен.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрыва горных пород по авт. свид. СССР №1686159, кл. E21C 37/00, 39/00, опубл. в БИ №39, 1991 г., включающий бурение шпуров в плоскости предполагаемого разрыва, создание в шпурах разрывающей статической нагрузки. Шпуры бурят пересекающимися, их устья герметизируют, а статическую нагрузку создают путем подачи в шпуры флюида под давлением.
Разрыв горной породы в этом способе возможен только в плоскости расположения шпуров. Он начинается с места пересечения шпуров и вначале развивается в каком-нибудь одном ограниченном шпурами секторе условного круга с центром в точке пересечения осей шпуров, а затем распространяется и на другие секторы. Его форма оказывается сложной и заранее неопределенной. Из-за этого образовать трещину, совпадающую по форме с формой грани отделяемого от массива блока, не представляется возможным. Следовательно, в этом способе также необходимо создавать трещину большей площади, чем площадь грани отделяемого от массива блока, что обуславливает затрату существенно большей энергии на разрыв горной породы и оставление в массиве ненужных техногенных трещин. Поэтому способ обладает относительно низкой эффективностью.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2182968, кл. E21C 37/12, опубл. в БИ №15, 2002 г., включающее трубу, выполненную с кольцевым упором на торце и продольными прорезями, и шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения. Труба заполнена неньютоновской жидкостью, а на ее торце со стороны кольцевого упора установлена тарельчатая пружина с вершиной, обращенной к штоку. В штоке выполнено поперечное отверстие, в котором установлен стержень, проходящий через продольные прорези.
Это устройство способно образовывать только начальную трещину поперек шпура. Поэтому для реализации способа требуется бурение еще одного дополнительного (третьего) шпура перпендикулярно плоскости отрыва блока от массива, что повышает трудоемкость разрыва горной породы, из-за чего устройство оказывается неэффективным.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2383735, кл. E21C 37/00, E21B 43/26, опубл. в БИ №7, 2010 г., включающее трубчатую оболочку, заполненную пластичным веществом, при этом в одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукояткой. В трубчатой оболочке выполнены продольные прорези, а между ее внутренней поверхностью и пластичным веществом установлена трубка с продольными прорезями таким образом, что продольные прорези трубчатой оболочки и трубки совпадают в плоскости формирования трещины и не совпадают в других местах. На трубчатую оболочку надета эластичная оболочка.
Это устройство имеет относительно сложную конструкцию. Оно разрывает горную породу в обе стороны относительно скважины и нагнетанием пластичного вещества только в статическом режиме, включая образование начальной трещины, на что требуется существенно большее давление, чем на ее развитие. Форма разрыва не совпадает с формой грани отрываемого от массива блока, что обуславливает неизбежность возникновения в массиве ненужных техногенных трещин, усложняющих технологию последующих разрывов. Поэтому использование этого устройства для реализации способа малоэффективно.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет создания трещины с заданными границами и в повышении эффективности устройства за счет образования трещины в пределах ограниченной шпурами зоны.
Задача решается тем, что в способе разрыва горных пород, включающем бурение в плоскости предполагаемого разрыва шпуров, герметизацию их устья, создание в шпурах разрывающей статической нагрузки путем подачи в них пластичного вещества под давлением, согласно техническому решению шпуры бурят до пересечения их осей и размещают в них заполненные пластичным веществом трубки с одной продольной прорезью и внешним диаметром, равным диаметру шпуров, при этом прорезь каждой трубки направляют в сторону предполагаемого разрыва.
Такое техническое решение ограничивает зону образования формируемой трещины и существенно снижает влияние естественных трещин на ориентацию разрыва. Обусловлено это тем, что бурение шпуров до пересечения их осей исключает с одной стороны проникновение пластичного вещества за пределы ограниченной шпурами зоны и, следовательно, там не создаются условия для возникновения начальной трещины, а с другой стороны устраняет возможность выхода фронта формируемой трещины из указанной зоны. При этом пластичное вещество, обладая свойством герметика, не проникает в естественные трещины через зазоры между трубками и стенками шпуров и, следовательно, не развивает их. В зоне сопряжения шпуров расстояние между прорезями двух трубок оказывается наименьшим, из-за чего согласно принципу суперпозиций в указанной зоне концентрируются напряжения, образующие начальную трещину в плоскости расположения прорезей. Далее начальная трещина развивается под действием давления проникающего в нее пластичного вещества и распространяется вдоль шпуров до выхода на свободную поверхность. Трубки с диаметром шпура образуют минимальный зазор между ними и стенками шпуров, что снижает вероятность проникновения пластичного вещества в естественные трещины. Направление прорези каждой трубки в сторону предполагаемого разрыва обеспечивает формирование трещины в зоне, ограниченной шпурами. В результате образуется трещина с заданными границами, что повышает эффективность способа.
Целесообразно до создания в шпурах разрывающей статической нагрузки образовать начальную трещину в плоскости предполагаемого разрыва горной породы воздействием на пластичное вещество ударной нагрузкой. При ударной нагрузке пластичное вещество проявляет свойство твердого тела и внедряется в разрываемую им среду в виде клина за короткое время и на малом участке. Из-за этого сравнительно небольшая энергия ударной нагрузки обеспечивает создание напряжений, достаточных для образования начальной трещины в горной породе практически любой прочности. Вместе с этим для распространения ударной нагрузки в пластичном веществе необходимо затрачивать много энергии и поэтому передавать ее на значительное расстояние неэффективно. При статическом режиме нагнетания пластичного вещества и малом его расходе проявляется эффект гидравлического усиления, из-за чего малым усилием нагнетания можно создать огромное (на несколько порядков большее) разрывающее горную породу усилие. Особенность разрушения горной породы разрывом пластичным веществом состоит также в том, что на образование начальной трещины требуется давление существенно (более, чем в десять раз) большее, чем на ее дальнейшее развитие. Поэтому сочетание особенностей разрушения горной породы пластичным веществом и передачи через него давления обуславливает целесообразность создания начальной трещины ударной нагрузкой, а ее развития в статическом режиме, что приводит к снижению энергетических затрат на формирование трещины и в результате - к повышению эффективности способа.
Целесообразно в пластичном веществе до воздействия на него ударной нагрузкой создать начальное статическое давление. Это повышает жесткость пластичного вещества за счет его уплотнения и выдавливания из него воздушных включений, от чего увеличивается коэффициент передачи ударной энергии и, следовательно, повышается эффективность способа.
Задача решается также тем, что устройство для разрыва горных пород, включающее первую трубку с продольной прорезью, заполненную пластичным веществом, в одном конце которой установлена первая заглушка, а на другой ее конец навинчен первый стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукояткой, согласно техническому решению снабжено второй трубкой с продольной прорезью, заполненной пластичным веществом, в одном конце которой установлена вторая заглушка, а на другой ее конец навинчен второй стакан, имеющий центральное отверстие, во вторую трубку вставлен стержень со ступенчатым утончением, выходящим из второй трубки через центральное отверстие во втором стакане, при этом первая и вторая трубки не скреплены между собой.
Такое техническое решение позволяет устанавливать первую и вторую трубки в разные шпуры таким образом, чтобы их прорези оказывались направленными в сторону предполагаемого разрыва. Винт, связанный с первым стаканом резьбовым соединением, обеспечивает нагнетание пластичного вещества из первой трубки через ее прорезь в зону разрыва. Стержень со ступенчатым утончением, выходящим из второй трубки через центральное отверстие во втором стакане, предназначен для передачи внешней ударной нагрузки пластичному веществу. Ступенчатое утончение стержня исключает выталкивание его из второй трубки давлением пластичного вещества, нагнетаемым в формируемую трещину из первой трубки. Второй стакан путем его навинчивания на вторую трубку позволяет принудительно перемещать стержень в сторону второй заглушки и, тем самым, также повышать давление в пластичном веществе. Первая и вторая заглушки компенсируют усилие выталкивания соответственно первой и второй трубок из шпуров давлением пластичного вещества. Из-за того что первая и вторая трубки не скреплены, их можно размещать в разных шпурах, под любым углом друг к другу, и ориентировать их прорези в любом направлении. Таким образом, устройство обеспечивает образование трещины в пределах ограниченной шпурами зоны, повышение давления в пластичном веществе, создание начальной трещины через прорезь второй трубки внешней ударной нагрузкой и развитие начальной трещины нагнетанием в нее пластичного вещества в статическом режиме через прорезь первой трубки. В результате повышается эффективность устройства.
Целесообразно на поверхности первой и второй трубок нанести слой эластичного материала. Это снижает требования к свойству пластичного вещества как герметику и к качеству бурения шпуров, что расширяет область применения устройства и, следовательно, эффективность его работы.
Сущность технического решения поясняется примером реализации способа, конкретным исполнением устройства и чертежом, на котором показана схема способа разрыва горных пород и устройство для его осуществления, продольный разрез.
Способ разрушения горных пород реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В горной породе бурят в плоскости предполагаемого разрыва два шпура 1 до пересечения их осей. В них размещают заполненные пластичным веществом 2 первую трубку 3 (далее - трубка 3) с прорезью 4 и вторую трубку 5 (далее - трубка 5) с прорезью 6. Внешний диаметр трубок 3 и 5 равен диаметру шпуров 1. Прорези 4 и 6 направляют в сторону предполагаемого разрыва 7. В одном конце трубки 3 установлена первая заглушка 8 (далее - заглушка 8), а на другой ее конец навинчен первый стакан 9 (далее - стакан 9), имеющий центральное отверстие 10 с резьбой (на чертеже не показана), куда ввинчен винт 11 с рукояткой 12. В одном конце трубки 5 установлена вторая заглушка 13 (далее - заглушка 13), а на другой ее конец навинчен второй стакан 14 (далее - стакан 14), имеющий центральное отверстие 15. В трубку 5 вставлен стержень 16 со ступенчатым утончением 17, выходящим из трубки 5 через центральное отверстие 15 в стакане 14. Навинчиванием стакана 14 на трубку 5 перемещают стержень 16 в сторону заглушки 13 и таким образом создают начальное статическое давление пластичного вещества 2 в трубке 5. Прикладыванием к ступенчатому утончению 17 ударной нагрузки, которая через стержень 16 и пластичное вещество 2 воздействует на горную породу, образуют начальную трещину 18 (граница трещины вне контакта со стенками шпуров показана пунктирной линией). Вращением винта 11 рукояткой 12 нагнетают пластичное вещество 2 из трубки 3 в начальную трещину 18 и, создавая в ней разрывающую статическую нагрузку, развивают ее до выхода на свободную поверхность. При этом пластичное вещество 2 занимает лишь часть 19 разрыва 7. На поверхности трубок 3 и 5 может быть нанесен слой эластичного материала (на чертеже не показан).
Техническое решение является одной из реализаций закономерностей, установленных в ходе исследований взаимодействия хрупкой среды с внедряющимся в нее пластичным веществом. Внедрение пластичного вещества в горную породу происходит подобно клину, который обуславливает симметрирование трещины относительно места приложения нагрузки. Клин из пластичного вещества адаптируется под параметры формируемой трещины. Способность пластичного вещества относительно легко изменять свою форму приводит к тому, что его поверхность приобретает форму поверхности формируемой трещины. Поэтому на контакте пластичного вещества с горной породой очагов концентрации напряжений, в которых могли бы зарождаться микротрещины с произвольной ориентацией, не возникает. Кроме этого, фронт пластичного вещества следует за фронтом формируемой трещины, из-за чего снижается искривление поверхностей разрыва. В результате трещина развивается с малой энергоемкостью, так как не расходуется энергия на образование побочных микротрещин, симметрично месту нагнетания пластичного вещества, а ее поверхности оказываются ровными. Характер разрыва горной породы существенно зависит от режима воздействия на нее пластичным веществом. При ударной нагрузке пластичное вещество воздействует на горную породу только в месте его контакта с нагружающим элементом и проявляет свойство твердого тела, концентрирующего напряжения в малой зоне, от чего даже при сравнительно небольшой энергии удара возникает начальная трещина. При статическом нагнетании и малом расходе пластичное вещество подобно жидкости проявляет эффект гидравлического усиления, за счет которого можно отрывать от массива блоки практически любых размеров.
Способ в основном предназначен для отрыва блоком от массива по заданным плоскостям и их границам. В примере его реализации показан отрыв от массива блока только по одной из его граней. Отрыв блока по другим граням осуществляют аналогичным образом. При этом следует учитывать, что из одного шпура разрыв горной породы можно осуществлять по нескольким направлениям. Например, при формировании трещины, перпендикулярной плоскости чертежа, трубку 3 нужно повернуть на 90°, пробурить перпендикулярный чертежу шпур и установить в нем трубку 4 соответствующим образом. При повороте трубка 3 внешней поверхностью перекрывает ранее созданную трещину. Нанесенный на поверхности трубок 3 и 5 слой эластичного материала нейтрализует неровности поверхности горной породы и надежно герметизирует шпуры 1 даже при их небольшой деформации, обусловленной, например, ранее образованными через них трещинами.