СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DESTRUCTION OF ROCKS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Технические решения относятся к горному делу и могут быть использованы для отбойки блоков от массива, проходки дорог в гористой местности, добычи строительного камня и кристаллического сырья.
Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ №2131032, кл. E21C 37/02, опубл. 27.05.1999 г., включающий бурение шпуров, которые сперва заполняют неньютоновской жидкостью, а затем - сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку.
В этом способе перемещение элементов, контактирующих с сыпучим материалом и неньютоновской жидкостью, сопровождается большим трением о стенки шпуров, на преодоление которого затрачивается значительная часть усилия от ударной нагрузки. В длинных шпурах ударная нагрузка передается горной породе через элементы со сравнительно большой суммарной массой, обладающей значительной инерционностью. Если после перемещения клиньев до забоя шпуров не происходит отделения горной породы от массива, то извлечение зажатых с обеих сторон клиньев из шпуров связано с известными трудностями. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность способа.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрушения горных пород по патенту РФ №2307934, кл. E21C 37/12, E21B 43/26, E21F 7/00, опубл. 10.10.2007 г., включающий бурение шпуров, заполнение их неньютоновской жидкостью, подачу в шпуры рабочих органов, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. В качестве рабочих органов используют поршни, а периодическую ударную нагрузку создают нанесением по ним ударов разгоняемой штангой.
В этом способе не учитывается способность неньютоновской жидкости передавать гидростатическое давление, обуславливающее при увеличении времени силового воздействия на нее проявления эффекта гидравлического усиления, из-за которого при прочих равных условиях возрастает усилие разрыва горной породы. Кроме этого, периодичность ударного воздействия не согласована с характером реакции на него массива горных пород, в котором формируют трещину, изменяющую по мере своего развития параметры вмещающей среды. Все это обуславливает относительно низкую эффективность способа.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2202040, кл. E21C 37/06, опубл. 10.04.2003 г., включающее цилиндрический корпус и клинья, при этом корпус выполнен в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья.
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 отделения горной породы от массива, то на извлечения 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. E21C 37/12, E21B 43/26, E21F 7/00, опубл. 10.10.2007 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.
Устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, содержащую большое количество деталей, что снижает его надежность. В нем не учитываются изменения условий его работы, связанные с ростом формируемой трещины. Оно неспособно увеличивать продолжительность ударного импульса с целью обеспечения возможности передачи давления в неньютоновской жидкости для проявления эффекта гидравлического усиления. Все это обуславливает относительно низкую эффективность устройства.
Решаемые технические задачи заключаются в повышении эффективности разрушения горной породы за счет воздействия на неньютоновскую жидкость нарастающей нагрузкой, обеспечивающей проявление жидкостью эффекта гидравлического усиления, существенно увеличивающего усилие разрыва горной породы, согласование периодичности прикладывания нагрузки с реакцией на нее массива с формируемой трещиной, а также в повышении надежности работы устройства за счет упрощения его конструкции.
Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпура, заполнение его неньютоновской жидкостью, подачу в шпур рабочего органа, нанесение по нему ударов штангой, согласно предлагаемому техническому решению удары наносят через упругий элемент, например пружину, при этом к штанге периодически прикладывают усилия синхронно с ее отскоками.
Благодаря нанесению ударов по рабочему органу через упругий элемент, например пружину, ударная нагрузка преобразуется в нарастающую нагрузку со сравнительно большой длительностью воздействия. Под действием такой нагрузки неньютоновская жидкость проявляет свойство не только твердого тела (как в прототипе), но и жидкости, способной передавать давление, благодаря чему возникает эффект гидравлического усиления, при котором усилие от рабочего органа возрастает пропорционально площади контакта неньютоновской жидкости с поверхностью формируемой трещины. Под действием ударных нагрузок неньютоновская жидкость глубже проникает в формируемую трещину, от чего возрастает усилие разрушения горной породы. Штанга после полного расхода кинетической энергии (на сжатие упругого элемента и рост формируемой трещины) под действием реакции породного массива и силы сжатия упругого элемента начинает отскакивать. Время от начала взаимодействия штанги с упругим элементом до начала ее отскока зависит от свойств породного массива и характера развития формируемой в нем трещины, изменяющей по мере роста параметры вмещающей ее среды. Поэтому восполнение затраченной на разрушение горной породы энергии осуществляют периодическим прикладыванием к штанге усилий синхронно с ее отскоками. В этом случае штанга совершает незатухающие колебания, раскачивающие поверхности формируемой трещины вне зависимости от ее размеров и свойств вмещающей среды, что свидетельствует о согласовании периодичности прикладывания нагрузки с реакцией на нее породного массива и тем самым о повышении эффективности разрушения горных пород.
Целесообразно усилие создавать магнитным полем, например, от соленоида, снабженного системой управления. Это существенно упрощает управление движением штанги, что повышает эффективность способа.
Задача также решается тем, что устройство для разрушения горных пород, включающее рабочий орган, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, направляющую трубу, в которую с возможностью продольного перемещения вставлена штанга, согласно предлагаемому техническому решению между штангой и рабочим органом размещен упругий элемент, например пружина, при этом направляющая труба выполнена из немагнитного материала и на ней закреплен соленоид, снабженный системой управления, а конец штанги со стороны соленоида намагничен.
Благодаря упругому элементу между штангой и рабочим органом воздействие на рабочий орган от штанги происходит в виде нарастающей нагрузки со сравнительно большой длительностью, обуславливающей передачу неньютоновской жидкостью давления от места контакта с рабочим органом до поверхности формируемой трещины с проявлением эффекта гидравлического усиления. Направляющая труба выполнена из немагнитного материала для обеспечения возможности взаимодействия штанги и соленоида через магнитное поле. Соленоид выполняет две функции. При отскоке штанги вначале он работает как приемная катушка, фиксирующая время возникновения в ней электродвижущей силы от изменения ее положения относительно намагниченного конца штанги. Сигнал (напряжение) от приемной катушки поступает в систему управления соленоида. После этого от системы управления на соленоид поступает импульс тока, от чего он становится источником магнитного поля, обеспечивающим прикладывание к штанге усилия синхронно с ее отскоком. Намагниченность конца штанги при ее перемещении по направляющей трубе из немагнитного материала обеспечивает изменение величины магнитного поля в соленоиде, от чего в нем возникает электродвижущая сила, преобразующаяся в системе управления соленоида в команду для подачи на соленоид импульса тока. В результате происходит согласование периодичности движения штанги и прикладываемой к ней дополнительной нагрузки вне зависимости от характера роста формируемой в породном массиве трещины. Все это обуславливает повышение эффективности устройства. Кроме этого, конструкция устройства становится проще (в сравнении с прототипом), что повышает надежность его работы.
Целесообразно конец штанги со стороны соленоида намагнитить путем установки в нем магнита. Это упрощает намагничивание конца штанги, позволяет создавать магнитное поле заданной концентрации и величины, что повышает надежность работы устройства.
Целесообразно, чтобы направляющая труба имела внешний диаметр меньше диаметра шпура и контактировала с рабочим органом. Это позволяет фиксировать расстояние рабочего органа до соленоида, что обеспечивает идентичность возникновения электродвижущей силы в соленоиде при отскоках штанги вне зависимости от места нахождения рабочего органа в шпуре, что повышает надежность работы устройства, а также увеличивает статическую нагрузку на рабочий орган за счет веса направляющей трубы с соленоидом, что усиливает проявление неньютоновской жидкостью эффекта гидравлического усиления.
Целесообразно рабочий орган выполнить в виде клина с твердосплавными вставками в плоскости, проходящей через ось клина и линию пересечения его сходящихся поверхностей. Это обеспечивает сочетание направленности усилий на стенки шпура и концентрации напряжений в плоскости предполагаемого разрыва горной породы. В результате трещина возникает при меньшем давлении неньютоновской жидкости и повышается вероятность ее формирования с заданной ориентацией, от чего повышается эффективность устройства.
Целесообразно в конце направляющей трубы со стороны рабочего органа установить стержень с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно нее. Это позволяет извлекать из шпура направляющую трубу вместе с упругим элементом и штангой (оставляя в шпуре только рабочий орган) и предохраняет соленоид от механической перегрузки за счет исключения возможности передачи на него ударной нагрузки по направляющей трубе, от чего повышается надежность работы устройства.
Целесообразно соленоид выполнить многозвенным. Это позволяет существенно увеличивать высоту подъема штанги, что повышает ее энергию и, следовательно, эффективность работы устройства за счет более интенсивного разрушения горной породы.
Сущность технического решения поясняется примерами реализации способа разрушения горной породы, конкретного исполнения устройства для разрушения горных пород и чертежами фиг.1, 2.
На фиг.1 показана схема разрушения горной породы до образования трещины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 после образования трещины, повернутый на 90°.
Способ разрушения горной породы реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
Для разрушения горной породы бурят шпур 1 (фиг.1, 2), который заполняют неньютоновской жидкостью 2 (далее - жидкость 2). В шпур 1 подают рабочий орган 3 и наносят по нему удары штангой 4, разгоняемой в режиме свободного падения, через упругий элемент, например, пружину 5. При этом к штанге 4 периодически прикладывают усилия синхронно с ее отскоками. Усилие создают магнитным полем, например, от соленоида 6. Штанга 4 с возможностью продольного перемещения вставлена в направляющую трубу 7. При этом труба 7 выполнена из немагнитного материала и на ней закреплен соленоид 6, снабженный системой 8 управления. Соленоид 6 подключен к системе 8 управления через кабель 9. Конец штанги 4 со стороны соленоида 6 намагничен путем установки в нем магнита 10. Труба 7 имеет внешний диаметр меньше диаметра шпура 1 и контактирует с рабочим органом 3. Рабочий орган 3 выполнен в виде клина 11 с твердосплавными вставками 12 в плоскости, проходящей через ось клина 11 и линию пересечения его сходящихся поверхностей. В конце трубы 7 со стороны рабочего органа 3 установлен стержень 13 с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно нее, для чего в стержне 13 выполнено отверстие (поз. не обозначено), в которое вставлен штырь 14, входящий в продольные прорези 15, выполненные в конце трубы 7. С помощью системы 8 управления через соленоид 6 пропускают ток, от чего штанга 4 втягивается в соленоид 6 и тем самым поднимается. После этого ток через соленоид 6 перестают пропускать, из-за чего штанга 4 падает вниз, сжимает пружину 5 и сближается с рабочим органом 3. При этом система 8 управления автоматически устанавливается в ждущий режим, когда соленоид 6 выполняет функцию приемной катушки и подключен к входу приемника (на фиг.1 не показан) в системе 8 управления. Штанга 4, когда ее кинетическая энергия полностью преобразуется в упругую энергию (в основном в энергию сжатой пружины 5), под действием упругих сил сжатия начинает отскакивать от рабочего органа 3. При отскоке намагниченный конец штанги 4 взаимодействует с соленоидом 6, из-за чего на концах последнего создается напряжение, которое через кабель 9 поступает в систему 8 управления. От этого из системы 8 управления на соленоид 6 поступает импульс тока, благодаря которому к штанге 4 прикладывается усилие синхронно с ее отскоком. После этого система 8 управления вновь устанавливается в ждущий режим до следующего отскока штанги 4. Отметим, что соленоид 6 при подаче на него импульса тока отсоединяется от приемника в системе 8 управления (для исключения возможности повреждения входа приемника от высокого напряжения). Штанга 4 в результате такого взаимодействия с соленоидом 6 совершает возвратно-поступательные движения и периодически воздействует на рабочий орган 3, от чего устройство опускается в шпур 1 с образованием на его стенках продольных бороздок 16 (далее - бороздки 16). При этом в неньютоновской жидкости 2 возрастает давление до возникновения в стенках шпура 1 трещины 17 (фиг.2), в которую затем вытесняется жидкость 2. Когда устройство опускается на заданную величину, определяющую объем поступившей в трещину 17 жидкости 2, соленоид 6 отключают от системы 8 управления и штанга 4 после нескольких свободных колебаний останавливается. После этого устройство извлекают из шпура 1. Если в формируемую трещину 17 нужно подать жидкость 2 в объеме, превышающем объем шпура 1, подачу устройства в шпур 1 можно осуществлять многократно. Для этого при каждой подаче устройства в шпур 1 используют дополнительный рабочий орган 3 (на фиг.1 не показан). При необходимости увеличения высоты подъема штанги 4 соленоид 6 может быть многозвенным.
Особенность способа состоит в том, что в нем воздействие на жидкость 2 осуществляют в таком режиме, при котором она одновременно проявляет свойства твердого тела и обычной жидкости, например воды. Как твердое тело жидкость 2 проявляет свойство клина, который раздвигает поверхности трещины 17, но не доходит до ее границы. Однако, в отличие от механического клина, жидкость 2, постоянно изменяя свою форму, приобретает форму трещины 17. Поэтому на ее контакте с горной породой не концентрируются напряжения, приводящие к образованию случайных трещин с произвольной ориентацией. Кроме этого, жидкость 2 следует за границей трещины 17 и поэтому не искривляет ее поверхности, ибо не создаются условия для возникновения изгибающих сил. Таким образом, трещина 17 развивается только в одной плоскости, а ее поверхности оказываются ровными и без случайных трещин с произвольной ориентацией. Подобно обычной жидкости, обеспечивающей эффект гидравлического усиления, жидкость 2 передает давление и поэтому воздействует на поверхности трещины 17 с усилием, пропорциональным площади ее контакта с горной породой, которое оказывается большим усилия, прикладываемого к ней в месте нагнетания (месте расположения рабочего органа 3). Благодаря этому, необходимое для разрушения горной породы усилие в месте нагнетания жидкости 2 с ростом трещины 17 уменьшается, что в непрерывной сплошной среде позволяет проводить разрыв горной породы практически неограниченных размеров. В результате способ обеспечивает в пределах монолитной области породного массива создание через один шпур 1 ориентированной сплошной одиночной трещины 17 с ровными поверхностями любой протяженности, а также раскалывание на отдельные части блоков из горных пород любых размеров.
В отличие от прототипа в рассматриваемом техническом решении воздействие на рабочий орган 3 осуществляют не только штангой 4, но и трубой 7 с установленным на ней соленоидом 6. При этом во время подачи тока на соленоид 6 усилие на рабочий орган 3 достигает максимального значения, ибо к силе сжатия пружины 5 добавляется усилие, передаваемое рабочему органу 3 через трубу 7, с которым соленоид 6 втягивает штангу 4. Благодаря этому, во время подачи напряжения на соленоид 6 под рабочим органом 3 создается значительное квазистатическое давление, из-за которого жидкость 2 глубже проникает в трещину 17, от чего возрастает эффект гидравлического усиления, способствующий более интенсивному разрушению горной породы.
Повышение эффективности устройства достигается тем, что вместо сравнительно сложного механизма подъема и сброса штанги 4, располагаемого за пределами шпура 1, используют соленоид 6 с системой 8 управления, размещенный на трубе 7, взаимодействующей с рабочим органом 3. Благодаря такому решению, вес устройства и его реакция на разгон и торможение штанги 4 направлены на вытеснение жидкости 2 в трещину 17 как при подъеме штанги 4 (подаче тока в соленоид 6), так и при ее падении на пружину 5. При этом усилие на жидкость 2 со стороны рабочего органа 3 носит сложный характер и включает переменную и постоянную составляющие. Под действием переменной составляющей усилия разрушение горной породы происходит в режиме динамических нагрузок, что снижает требования к мощности устройства и, следовательно, уменьшает его габариты и стоимость. Наличие постоянной составляющей усилия, кроме указанных положительных особенностей разрыва горной породы, исключает возвратное (направленное от забоя шпура 1) движение устройства под действием остаточного давления жидкости 2, обусловленного силами упругости поверхностей трещины 17.
Трубу 7 предполагается выполнять из немагнитного, но прочного материала, например нержавеющей стали. Магнит 10 устанавливают в выполненном в торце штанги 4 отверстии (поз. необозначено) и закрепляют в нем известными способами. В процессе работы устройства труба 7 опускается в шпур 1 под действием собственного веса и веса закрепленного на ней соленоида 6.
При разрушении горной породы данным способом нижняя граница трещины 17 оказывается существенно глубже забоя шпура 1. Согласно проведенным экспериментам длина шпура 1 может быть в несколько раз меньше протяженности трещины 17. В производственных условиях добычи природного камня шпур 1 предполагается проходить на глубину примерно в два раза меньшую планируемой глубины нижней границы трещины 17. Длину трубы 4 выбирают такой, чтобы при полном опускании устройства в шпур 1 (до упора в забой), соленоид 6 не упирался в поверхность породного массива или разрушаемого блока. Устройство предполагается использовать в качестве навесного оборудования к серийно выпускаемым самоходным машинам.
Предлагаемый способ позволяет через вертикальный шпур 1 в пределах монолитной области породного массива или блока создавать трещину 17 с заданной ориентацией неограниченных размеров. Это позволяет без дополнительных средств разрушения горных пород осуществлять разборку породного массива на составляющие его части по постельным трещинам, отстоящим друг от друга на расстоянии, например, исчисляемом десятью и более метрами, из-за чего отпадает необходимость отделения блоков камня по дополнительным горизонтальным плоскостям. В результате снижается трудоемкость разборки породного массива, а также создаются условия для минимизации потерь природного камня и добычи блоков с размерами, недостижимыми известными средствами.