Устройство для разрушения горных пород
DEVICE FOR BREAKING ROCKS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для отбойки блоков от породного массива, проходки дорог в гористой местности, добычи строительного камня и кристаллического сырья.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2202040, кл. Е 21 С 37⁄06, опубл. в БИ № 10, 2003 г., включающее цилиндрический корпус и клинья, при этом корпус выполнен в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья.
Общим у аналога с предлагаемым устройством является наличие цилиндрического корпуса из упругого материала.
В этом устройстве ударная нагрузка прикладывается за пределами скважины и передается корпусу через штангу, обладающую сравнительно большой массой и, следовательно, высокой инерционностью. Если при одноразовой подаче устройства в скважину не происходит отделение горной породы от массива, то на извлечение его из скважины затрачивается значительная энергия. Поэтому устройство имеет относительно низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для разрушения горных пород по патенту РФ № 2307934, кл. E21C37/12, E21B43/26, E21F7/00 опубл. в БИ 28, 2007 г., включающее рабочий орган, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки.  Оно снабжено направляющей трубой, в которую с возможностью продольного перемещения вставлено средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги. Рабочий орган выполнен в виде поршня, установленного соосно с направляющей трубой с возможностью контакта с торцом штанги.
Общим у прототипа с предлагаемым устройством является наличие рабочего орган в виде поршня, размещенного в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга.
В этом устройстве не предусмотрена возможность изменения размеров и формы поперечного сечения поршня. Поэтому в случае расхождения стенок шпура, например, за счёт раскрытия трещин, формируемых неньютоновской жидкостью, возникает зазор между поршнем и стенками шпура. От этого часть неньютоновской жидкости из шпура вытесняется не в формируемые трещины, а через указанный зазор в свободное пространство шпура за пределы верхнего конца поршня. Этот недостаток возрастает с увеличением количества раз заполнения шпура неньютоновской жидкостью, например, при формировании трещин больших размеров (с большим раскрытием в местах их примыкания к стенкам шпура). Поэтому работа этого устройства после однократного вытеснения неньютоновской жидкости из шпура в формируемые трещины становится сравнительно малоэффективной.
Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности работы устройства за счёт изменения размеров и формы поперечного сечения поршня под размеры и форму шпура, меняющиеся в результате раскрытия примыкающих к его стенкам формируемых трещин.
Проблема решается тем, что в устройстве для разрушения горных пород, включающем рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга, согласно техническому решению поршень выполнен в виде стакана, в который вставлена контактирующая с его стенками втулка, в стенках стакана и втулки выполнены сквозные продольные прорези, при этом стакан и втулка выполнены из упругого материала, сквозные продольные  прорези в стенках стакана не совпадают со сквозными продольными прорезями во втулке, а основание стакана обращено в сторону штанги.
Такое техническое решение обеспечивает адаптацию боковой поверхности поршня к стенкам шпура, размеры и форма поперечного сечения которого меняются с раскрытием формируемых трещин. Обусловлено это тем, что после опускания стакана в шпур до заполнения его неньютоновской жидкостью в начальный момент воздействия штанги на стакан со стороны его основания в виде ударной нагрузки максимальное давление создаётся на контакте дна стакана и находящейся в нём неньютоновской жидкости, т. е. внутри стакана. Благодаря сквозным продольным прорезям в стенках стакана и упругости материала, из которого он выполнен, стенки стакана могут под действием давления через боковые поверхности втулки находящейся в нём неньютоновской жидкости расходиться, изменяя тем самым их размеры и форму. Таким же образом может изменять свои размеры и форму находящаяся в стакане втулка. Из-за того, что сквозные продольные прорези стакана и втулки не совпадают, неньютоновская жидкость не может выдавливаться из стакана через его сквозные продольные прорези. В результате создаваемое неньютоновской жидкостью давление внутри стакана придавливает его стенки к стенкам шпура. Далее в период действия ударной нагрузки давление в стакане оказывается всегда выше, чем за его пределами. Поэтому неньютоновская жидкость, находящаяся  ниже стакана, не в состоянии преодолевать усилие прижатия стенок стакана к стенкам шпура и может вытесняться из шпура только в формируемые трещины. Таким образом,  повышается эффективности работы устройства за счёт изменения размеров и формы поперечного сечения поршня под размеры и форму шпура, меняющиеся в результате раскрытия примыкающих к его стенкам формируемых трещин.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для разрушения горных пород и чертежами фиг. 1 - 2. На фиг. 1 показан общий вид примыкающей к шпуру 1 части устройства для разрушения горных пород ,  продольный разрез; на фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1.
Устройство для разрушения горных пород (фиг. 1)  включает  рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре 1, заполненном неньютоновской жидкостью 2 (далее – жидкость 2), и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы 3 (далее – труба 3), в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга 4. Поршень выполнен в виде стакана 5, в который вставлена контактирующая с его стенками втулка 6. В стенках стакана 5 и втулки 6 (фиг. 2) выполнены сквозные продольные прорези 7 и 8 (далее – прорези 7 и 8) соответственно. Стакан 5 и втулка 6 выполнены из упругого материала. Прорези 7 не совпадают с прорезями 8. Основание стакана 5 обращено в сторону штанги 4. В стенках шпура 1 сформированы трещины 9.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В шпур 1, заполненный жидкостью 2, подают стакан 5 таким образом, чтобы его  основание было направлено в сторону штанги 4. В устье шпура 1 устанавливают трубу 3 и размещают в ней штангу 4. Затем штангу 4 поднимают на заданную высоту и отпускают. Под действием силы тяжести штанга 4 разгоняется в режиме свободного падения и соударяется с основанием стакана 5. Под действием ударной нагрузки стакан 5 внедряется в жидкость 2, заполняется ею и далее стремится вытеснить жидкость 2 из шпура 1. Таким образом, в жидкости 2 внутри стакана 5 и под ним создаётся давление. При этом внутри стакана 5 давление жидкости 2 из-за её более близкого расположения  к месту приложения ударной нагрузки со стороны штанги 4 оказывается всегда больше, чем под стаканом 5.  Поэтому жидкость 5 не может продавливаться между стаканом 5 и стенками шпура 1.  Далее давление жидкости 2 под стаканом 5 во время действия ударной нагрузки со стороны штанги 4 возрастает до предела прочности горной породы на растяжение и в стенках шпура 1 возникают и формируются трещины 9. При этом размеры стакана 5 адаптируются под поперечное сечение шпура 1, которое изменяется в результате раскрытия в его стенках формируемых трещин 9. Затем многократным подъёмом и сбрасыванием штанги 4 перемещают стакан 5 вдоль шпура 1 до упора в его забой, вытесняя всю находящуюся в шпуре 1 жидкость 2 в формируемые трещины 9. Во многих случаях для формирования трещин 9 требуемых размеров заполнение шпура 1 жидкостью 2 с последующим её вытеснением в трещины 9 выполняют многократно. Размеры трещин 9 доводят до полного разрушения горной породы, т.е. до её отделения от породного массива. После этого из шпуров 1 (кусков разрушенной горной породы) извлекают стаканы 5 для дальнейшего их использования.
Устройство можно использовать в различных разновидностях технологий разрушения горных пород. В технологии добычи блочного камня, где требуется разборка породного массива по заданным плоскостям, вначале предполагается создавать инициирующие трещины 9 с нужной ориентацией, например, с использованием принятого прототипа, а затем развитие этих трещин 9 до требуемых размеров осуществлять предлагаемым устройством. В технологиях добычи кристаллического сырья, строительства дорог в гористой местности, разборки прочных сооружений предлагаемое устройство предполагают использовать без предварительного создания в стенках шпура 1 инициирующих трещин 9.
Отметим, что во всех технологиях разрушения горных пород с помощью предлагаемого устройства предполагается использовать природные или искусственно созданные известными способами горизонтальные трещины, до поверхности которых пробуривают шпуры 1. Это существенно облегчает полное отделение горных пород от породного массива.