УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДРЕЗАНИЯ БЛОКОВ ГОРНЫХ ПОРОД ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ
DEVICE FOR UNDERCUTTING SLABS OF ROCK WITH ELECTRIC DISCHARGES

Изобретение относится к области производства строительных материалов и к горной промышленности для подрезания блоков горных пород при их добыче на карьерах и подрезания керна в стволах и скважинах большого диаметра электроимпульсным способом, т.е. с помощью высоковольтных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе и разрушающих ее.
Известно устройство-аналог, позволяющее подрезать слой горной породы электрическими разрядами (Б.С.Блазнин, И.А.Щеголев, Л.И.Лозин, В.М.Адам, С.В.Ромакин «Обработка природного камня электрическими разрядами». Журнал «Электронная обработка материалов», 1983 г., №1, с.5-7). Основным элементом этого устройства является многоэлектродная система с чередующимися стержневыми высоковольтными и заземленными электродами, расположенными параллельно с равным расстоянием между соседними электродами. Корпус устройства представляет собой изолятор, к нижней части которого прикреплен держатель заземленной электродной системы, а к верхней части изолятора прикреплен держатель высоковольтных электродов, имеющих «г»-образную форму. К держателю высоковольтных электродов подключен провод с высоковольтной изоляцией для подвода к этим электродам импульсов высокого напряжения. Для перемещения устройства к изолятору жестко прикреплен держатель инструмента.
Основной недостаток этого устройства заключается в следующем. Устройство предназначено для периодического подрезания электроимпульсным способом только части поверхностного слоя блоков горной породы, а для подрезания на глубине нужно пройти такую боковую вертикальную щель вдоль будущего блока горной породы или такую кольцевую выработку вокруг керна большого диаметра, которые имеют ширину, несколько большую длины устройства-аналога, чтобы можно было разместить это устройство на забое щели или кольцевой выработки перпендикулярно подрезаемому блоку горной породы или керну. Таким образом, чтобы использовать известное устройство для подрезания на глубине, необходимо выполнить большой объем работы по разрушению горной породы в боковой щели или кольцевой выработке и извлечению из них разрушенной породы, и тем больше, чем больше длина известного устройства.
Наиболее близким к предложенному устройству по числу общих существенных признаков является устройство-прототип, предназначенное для разрушения поверхностного слоя изделий из искусственных материалов и природного камня электрическими разрядами (патент РФ на полезную модель №81258, МПК Е21с 37/18, опубл. 10.03.2009 г.), которое вполне применимо и для проходки щелей в горных породах. Оно содержит расположенные в одной плоскости и скрепленные верхним и нижним держателями чередующиеся высоковольтные и заземленные стержневые электроды, каждый из которых выполнен с изоляционным покрытием; кроме того, оно содержит направляющие, а его нижний держатель выполнен с возможностью регулируемого перемещения по этим направляющим вдоль гибких и упругих электродов, причем нижние концы изоляционных покрытий электродов снабжены защитными экранами, длина призабойной обнаженной части каждого электрода составляет не более 0,3 расстояния между двумя соседними разнополярными электродами, заземленные или заземленные и высоковольтные электроды выполнены в виде трубок, и электроды могут быть расположены в несколько рядов.
Основной недостаток устройства состоит в том, что при подрезании блоков горных пород или кернов большого диаметра на глубине из забоя вертикальной боковой щели или из забоя кольцевой выработки вокруг керна, это устройство нужно располагать на забое, как и аналог, горизонтально, чтобы электроды были перпендикулярны подрезаемому блоку или керну. Но чтобы так располагать на забое устройство, нужно выполнить большой объем работы по проходке такой широкой щели или такой широкой кольцевой выработки.
Техническим результатом предложенного устройства является то, что оно позволяет вести подрезание при его вертикальном исходном положении при ширине щели или кольцевой выемки чуть большей толщины предложенного устройства, а не длины, как при применении аналога или прототипа, а так как толщина устройства в несколько раз меньше его длины, то в несколько раз снижается и объем разрушаемой и извлекаемой породы при проходке вертикальной боковой щели или кольцевой выработки, из которых ведется процесс подрезания предложенным устройством.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для подрезания блоков горных пород электрическими разрядами, содержащем расположенные в одной плоскости и скрепленные верхним и нижним держателями чередующиеся высоковольтные и заземленные стержневые электроды, причем один из держателей выполнен с возможностью перемещения по направляющим вдоль электродов, согласно предложенному решению, нижний держатель выполнен клинообразным с наклонными направляющими электродными каналами, со шламовыми окнами между этими каналами и с забойными опорами, обнаженные части электродов выполнены в виде шарнирно соединенных секций, а верхний держатель выполнен с возможностью перемещения по направляющим вдоль электродов.
Целесообразно наклонные направляющие электродные каналы в нижнем держателе выполнять с двух противоположных его сторон.
Целесообразно также призабойные секции электродов выполнять из токопроводящих тросиков.
Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован чертежами. На фиг.1 приведен его вид спереди, на фиг.2 и фиг.3 изображены продольные разрезы по высоковольтному электроду в исходном (фиг.2) и рабочем (фиг.3) положениях, на фиг.4 представлен продольный разрез (в рабочем положении) устройства, у которого наклонные направляющие электродные каналы в нижнем держателе выполнены с двух противоположных его сторон; на фиг.5, как и на фиг.2, изображен продольный разрез устройства по высоковольтному электроду, но в отличие от фиг.2, на фиг.5 призабойные секции электродов выполнены из токопроводящих тросиков.
Устройство (фиг.1) состоит из расположенных в одной плоскости чередующихся высоковольтных 1 и заземленных 2 стержневых электродов. Все электроды скреплены верхним 3 и нижним 4 держателями, причем верхний держатель 3 выполнен с возможностью свободного продольного (вдоль электродов) перемещения по двум направляющим 5, для чего нижние концы направляющих 5 жестко закреплены в нижнем держателе 4, а их верхние концы свободно пропущены через сквозные отверстия в верхнем держателе 3. Нижний держатель 4 выполнен клинообразным (фиг.2÷5) с наклонными направляющими электродными каналами 6 (фиг.1÷5). На фиг.1÷4 каналы 6 в нижнем держателе 4 сделаны в виде желобов, а на фиг.5 - в виде отверстий, направленных в сторону подрезания горных пород. На фиг.4 наклонные направляющие электродные каналы 6 выполнены в нижнем держателе 4 с двух противоположных его сторон. Между каждой парой наклонных направляющих электродных каналов 6 (фиг.1) в нижнем держателе 4 сделаны шламовые окна 7. Чтобы шлам не скапливался в этих окнах, нижний держатель 4 находится над забоем всегда в приподнятом положении, для чего к нему снизу прикреплены две боковые забойные опоры 8 (фиг.1÷5). Рабочие части всех электродов выполнены в виде шарнирно соединенных секций 9 (фиг.1), причем шарнирно секции электродов соединены так, что они могут поворачиваться относительно друг друга только в сторону наклона направляющих электродных каналов 6, что наглядно видно на фиг.3 и фиг.4. Особенность электродов, один из которых приведен на фиг.5, заключается в том, что их призабойные секции сделаны из токопроводящих тросиков 10, для которых направляющие электродные каналы 6 выполнены в виде отверстий, направленных в сторону подрезания горных пород, что исключает выпадание тросиков из каналов. Для предупреждения выпаданий электродов из каналов 6, выполненных в виде желобов (фиг.1÷4), над ними к нижнему держателю 4 прикреплен пластинчатый ограничитель 11, изготовленный из упругого материала (резины). Части электродов над их верхними шарнирными соединениями секций снабжены изоляционными покрытиями 12 (фиг.1). С изоляционным покрытием 13 выполнена перемычка 14 высоковольтных электродов 1. Верхние концы заземленных электродов 2 укреплены в опорной площадке 15 и электрически соединены шиной 16. Опорная площадка 15, верхний и нижний держатели 3 и 4, а также направляющие 5 выполнены из стеклопластика. Заземленные и высоковольтные электроды 2 и 1, а также перемычка 14 изготовлены из прутков нержавеющей стали диаметром 10 мм. Диаметр токопроводящих тросиков 10 (фиг.5) также 10 мм. Изоляционные покрытия электродов 12 и покрытие перемычки 13 имеют наружный диаметр 44 мм. Материал всех изоляционных покрытий - полиэтилен высокого давления. Расстояние между двумя соседними разнополярными электродами составляет 80 мм, наибольшая ширина устройства (фиг.1) 430 мм, а его высота (до верхней поверхности опорной площадки 15) 600 мм. Толщину устройства в основном определяет толщина нижнего держателя 4. Толщина устройства, представленного на фиг.1, 2, 3 и 5, составляет 58 мм, а на фиг.4 - около 90 мм. Кроме приведенных выше элементов устройства, на всех чертежах показана вертикальная боковая щель 17, а на фиг.3 и фиг.4 приведены подрезные щели 18 и образующийся шлам 19.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом. Устройство устанавливают на забой вертикальной боковой щели 17, предварительно пройденной в горной породе с помощью электроразрядного резака, близкого по конструкции к приведенному в статье: Важов В.Ф., Журков М.Ю., Лопатин В.В., Муратов В.М. «Электроразрядное резание горных пород». Журнал «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых», 2008, №2, с.71, рис.1,б. Щель 17 заполняют водой (или диэлектрической жидкостью) до уровня выше перемычки 14 высоковольтных электродов 1. При утечках жидкости в щели 17 этот уровень поддерживают таким, чтобы предотвратить электрические пробои жидкости между обнаженными частями электродов 1 и 2 и предупредить развитие разрядов по поверхности элементов устройства. Затем один из заземленных электродов 2 (фиг.1) заземляют, сверху на опорную площадку 15 накладывают груз из диэлектрического материала (не показан) или создают усилие на нее в 10-15 кГ другим способом и на высоковольтные электроды 1 подают импульсы высокого напряжения: для гранита 380 кВ, для песчаника на известковистом цементе 260 кВ. Периодичность подачи импульсов при отсутствии промывочной системы составляет 2-3 импульсов в секунду. При использовании промывочной системы (не показана) частота эффективной подачи импульсов превышает 10 имп./с. При подаче импульсов высокого напряжения между торцами высоковольтных 1 и заземленных 2 электродов в горной породе развиваются разряды, которые отрывают горную породу, и получаемый шлам 19 разрядами выбрасывается из образующейся подрезной щели 18, в том числе через шламовые окна 7, на забой вертикальной щели 17 в пространство между опорами 8. Устройство последовательно переходит из исходного положения (фиг.2) в конечное положение (фиг.3). В процессе образования подрезной щели 18 нижний держатель 4, его опоры 8 и направляющие 5 остаются неподвижными, а все остальные элементы устройства под действием груза опускаются вниз. При этом шарнирно соединенные секции 9 электродов 1 и 2, скользя по наклонным направляющим электродным каналам 6, поворачиваются относительно друг друга и занимают положение, показанное на фиг.3, или на фиг.4 (при выполнении нижнего держателя 4 с каналами 6 с двух его противоположных сторон), или на фиг.5: при выполнении призабойных секций электродов в виде токопроводящих тросиков 10. После проходки подрезной щели 18 прекращают подачу импульсов высокого напряжения, устройство приподнимают над забоем вертикальной щели 17 и устанавливают рядом с образовавшейся подрезной щелью 18, чтобы в итоге получить подрезную щель по всей длине забоя вертикальной боковой щели 17. После этого устройство извлекают и через вертикальную боковую щель 17 и подрезные щели 18 с помощью гидроклина осуществляют скол подрезанного блока горной породы. Таким же образом после многократного подрезания керна большого диаметра может быть произведен его скол, что в итоге позволит в несколько раз сократить расходы для извлечения всего материала керна. Предложенным устройством толщиной 58 мм пройдены подрезные щели в крупнозернистом граните глубиной до 300 мм, а в песчанике на известковистом цементе до 400 мм из шестидесятимиллиметровой вертикальной щели. Для проходки таких подрезных щелей устройством-прототипом необходима такая щель, чтобы на ее забое перпендикулярно подрезаемому блоку горной породы (или керну) можно было расположить устройство высотой 350-450 мм, т.е. для его установки в исходное рабочее положение необходимо пройти вертикальную боковую щель объемом в 6-7 раз больше, чем при использовании предложенного устройства.