СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ROCK DESTRUCTION (VERSIONS)

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, разборки сооружений, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня и кристаллического сырья.
Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ №2131032, кл. Е21С 37/02, опубл. в БИ №15, 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.
Этот способ сравнительно трудоемок из-за сложности заполнения длинных шпуров неньютоновской жидкостью без воздушных включений, снижающих эффективность передачи ударной нагрузки от клина горной породе.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрушения горных пород по патенту РФ №2260122, кл. Е21С 37/02, опубл. в БИ №25, 2005 г., включающий бурение шпуров, подачу в них неньютоновской жидкости и клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. Неньютоновскую жидкость подают в шпуры в оболочках из упругопластичного материала.
В этом способе при многократном заполнении шпуров неньютоновской жидкостью (повышается эффективность разрушения горных пород) из шпуров после каждого вытеснения из них неньютоновской жидкости в формируемую трещину нужно извлекать оболочки. Это снижает эффективность разрушения горных пород из-за необходимости выполнения сравнительно трудоемких операций по извлечению оболочек, вдавленных в стенки шпуров. Кроме этого, требуется изготовление оболочек и их заполнение неньютоновской жидкостью.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет снижения трудоемкости и стоимости разрушения горной породы.
Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпуров, подачу в них неньютоновской жидкости и клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно техническому решению неньютоновскую жидкость подают под давлением и через трубу, зазор между которой и стенками шпура герметизируют закрепленной на трубе втулкой с возможностью скольжения ее по стенкам шпура, при этом трубу подают в шпур до упора в забой перед подачей в него неньютоновской жидкости.
Подача в шпуры неньютоновской жидкости под давлением и через трубу, зазор между которой и стенками шпура герметизируют закрепленной на трубе втулкой с возможностью скольжения ее по стенкам шпура, позволяет обходиться без оболочек, что снижает трудоемкость способа. Подача трубы в шпур до упора в забой перед подачей в него неньютоновской жидкости исключает при этом возможность возникновения воздушных включений. Все это повышает эффективность разрушения горных пород.
Целесообразно в шпуры подавать неньютоновскую жидкость, вязкость которой существенно зависит от температуры, при температуре, значительно большей температуры горных пород. За счет этого неньютоновская жидкость при подаче ее в шпуры проявляет свойство обычной жидкости, которую можно нагнетать стандартными насосными установками, а при разрушении горной породы, когда неньютоновская жидкость остывает до температуры горной породы, она является пластичным веществом, обеспечивающим возможность управления процессом формирования трещины разрыва.
Задача во втором варианте исполнения решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпуров, подачу в них клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно техническому решению в шпур подают нагревательный элемент и сыпучий материал, который под действием температуры расплавляется и превращается в неньютоновскую жидкость, заполняющую шпур до заданного уровня, после чего нагревательный элемент извлекают из шпура, при этом разрушение горной породы осуществляют после снижения температуры в шпуре до температуры горной породы.
Подача нагревательного элемента и сыпучего материала, который под действием температуры расплавляется и превращается в неньютоновскую жидкость, которая заполняет шпур до заданного уровня, позволяет заполнять шпуры неньютоновской жидкостью без оболочек и насосных установок, что снижает трудоемкость способа. Извлечение из шпура нагревательного элемента дает возможность вводить в шпур устройства для вытеснения неньютоновской жидкости в формируемую трещину. Разрушение горной породы после снижения температуры в шпуре до температуры горной породы обеспечивает неньютоновской жидкости требуемые свойства. Все это существенно повышает эффективность разрушения горной породы.
Задача в третьем варианте исполнения решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпуров, подачу в них клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно техническому решению в шпур вначале подают жидкость, а затем сыпучий материал, которые при взаимодействии образуют неньютоновскую жидкость.
Такое техническое решение позволяет подбором жидкости, сыпучего материала и режима его расхода задавать нужные свойства неньютоновской жидкости и заполнять ею шпур без воздушных включений, не используя при этом оболочки и нагнетательные установки, а также неньютоновские жидкости, которые плавятся при повышении температуры. Это повышает эффективность разрушения горных пород за счет снижения трудоемкости и расширения области применения способа.
Целесообразно до подачи в шпур жидкости на поверхность шпура нанести слой гидроизоляционного материала. Это позволяет разрушать горные породы с высокой гидравлической проницаемостью.
Целесообразно сыпучий материал подавать в шпур порциями с периодами, достаточными для полного взаимодействия предыдущей порции с жидкостью. Это обеспечивает выполнение заданных требований к свойствам неньютоновской жидкости за счет более полного взаимодействия входящих в нее компонентов.
Задача в четвертом варианте исполнения решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпуров, подачу в них клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно техническому решению в шпур вначале подают стержни, а затем жидкость, которые при взаимодействии образуют неньютоновскую жидкость.
Такое техническое решение позволяет заполнять неньютоновской жидкостью шпуры любой ориентации без оболочек и без нагревателей неньютоновской жидкости, что снижает трудоемкость разрушения горных пород. При этом не требуется неньютоновская жидкость, вязкость которой существенно зависит от температуры. Все это повышает эффективность способа.
Задача в пятом варианте исполнения решается тем, в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпуров, подачу в них неньютоновской жидкости и клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно техническому решению в шпур подают неньютоновскую жидкость, вязкость которой существенно зависит от температуры, в виде цилиндров, нанизанных на провод, к концу которого подсоединен нагревательный элемент, после чего повышают температуру нагревательного элемента до перевода прилегающей к нему неньютоновской жидкости в жидкое состояние и перемещают его в направлении от забоя к устью шпура, при этом нерасплавленные цилиндры поддавливают в направлении забоя шпура.
Такое техническое решение позволяет подавать неньютоновскую жидкость в шпуры любой ориентации без оболочек, что снижает трудоемкость разрушения горных пород.
Сущность технического решения поясняется примерами конкретной реализации и чертежами.
На фиг.1 показана схема подачи в шпур неньютоновской жидкости по первому варианту; на фиг.2 - схема разрушения горной породы до формирования трещины; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2 во время формирования трещины; на фиг.4 - схема заполнения шпура неньютоновской жидкостью по второму варианту; на фиг.5 - схема заполнения шпура неньютоновской жидкостью по третьему варианту; на фиг.6 - схема заполнения шпура неньютоновской жидкостью по четвертому варианту; на фиг.7 - схема подачи в шпур неньютоновской жидкости по пятому варианту.
В первом варианте реализации способа разрушения горных пород (далее - способ) в горной породе бурят шпур 1 (фиг.1). В шпур 1 до упора в его забой подают трубу 2. На трубе 2 закреплена втулка 3 с возможностью скольжения ее по стенкам шпура 1. Свободный от втулки 3 конец трубы 2 подсоединен к баку 4. В баке 4 находится неньютоновская жидкость 5, которую по трубе 2 подают в шпур 1 под давлением. Под действием давления втулка 3 вместе с трубой 2 выдавливается из шпура 1 в направлении от его забоя к устью. В результате в шпур 1 подают неньютоновскую жидкость 5 под давлением, исключающим появление воздушных включений. Для исключения необходимости применения оборудования, способного продавливать пластичные вещества через сравнительно длинные каналы малого сечения (трубу 2), используют неньютоновскую жидкость 5, вязкость которой существенно зависит от температуры, а подают ее в шпур 1 при температуре, значительно большей температуры горных пород. Для этого в баке 4 и трубе 2 устанавливают нагревательные элементы (на фиг.1 не показаны) и нагревают их до температуры, при которой неньютоновскую жидкость 5 можно нагнетать стандартными насосами (как обычную жидкость). После заполнения шпура 1 неньютоновской жидкостью 5 до требуемого уровня (задается технологией разрушения горной породы) трубу 2 с втулкой 3 удаляют из шпура 1 и вместо них в шпур 1 (фиг.2) подают штангу 6 с клином 7 на конце. К свободному от клина 7 концу штанги 6 прикладывают периодическую ударную нагрузку, в результате чего в стенках шпура 1 (фиг.3) возникает и развивается трещина 8. Образовав трещину 8 нужных размеров, штангу 6 с клином 7 извлекают из шпура 1.
Отметим, что на фиг.2 и 3 показан простейший вариант разрушения горной породы, в котором трещину 8 формируют только в одной плоскости. Вместе с этим трещины 8 можно формировать одновременно в нескольких плоскостях, например в трех. При этом на штанге устанавливают несколько клиньев 7, ориентированных в различных направлениях.
Во втором варианте реализации способа в горной породе бурят шпур 1 (фиг.4), в который подают нагревательный элемент 9. Затем в шпур 1 подают сыпучий материала 10, который под действием температуры расплавляется и превращается в неньютоновскую жидкость 5. Заполнив шпур 1 неньютоновской жидкостью 5 до требуемого уровня, удаляют из него нагревательный элемент 9. После снижения температуры неньютоновской жидкости 5 до температуры горных пород в шпур 1 (фиг.2) подают штангу 6 с клином 7 на конце. К свободному от клина 7 концу штанги 6 прикладывают периодическую ударную нагрузку, в результате чего в стенках шпура 1 (фиг.3) формируется трещина 8. Образовав трещину 8 нужных размеров, штангу 6 с клином 7 извлекают из шпура 1.
В третьем варианте реализации способа в горной породе бурят шпур 1 (фиг.5), на поверхность которого наносят слой (на фиг.5 не показан) гидроизоляционного материала. После этого в шпур 1 вначале подают жидкость 11, а затем сыпучий материал 12, который при взаимодействии с жидкостью 11 образует неньютоновскую жидкость 5. Сыпучий материал 12 подают в шпур 1 порциями с периодами, достаточными для полного взаимодействия предыдущей порции с жидкостью 11. Заполнив шпур 1 неньютоновской жидкостью 5 до требуемого уровня, подают в него (фиг.2) штангу 6 с клином 7 на конце. К свободному от клина 7 концу штанги 6 прикладывают периодическую ударную нагрузку, в результате чего в стенках шпура 1 (фиг.3) создается трещина 8. Образовав трещину 8 нужных размеров, штангу 6 с клином 7 извлекают из шпура 1.
В четвертом варианте реализации способа в горной породе бурят шпур 1 (фиг.6), в который вначале подают стержни 13, а затем жидкость 14. При взаимодействии стержней 13 и жидкости 14 образуется неньютоновская жидкость 5. Заполнив шпур 1 неньютоновской жидкостью 5 до требуемого уровня, подают в него (фиг.2) штангу 6 с клином 7 на конце. К свободному от клина 7 концу штанги 6 прикладывают периодическую ударную нагрузку, в результате чего в стенках шпура 1 (фиг.3) возникает и развивается трещина 8. Образовав трещину 8 нужных размеров, штангу 6 с клином 7 извлекают из шпура 1.
В пятом варианте реализации способа в горной породе бурят шпур 1 (фиг.7), в который подают цилиндры 15 из неньютоновской жидкости 5, вязкость которой существенно зависит от температуры. Цилиндры 15 нанизаны на провод 16, к концу которого подсоединен нагревательный элемент 17. Повышают температуру нагревательного элемента 17 до перевода прилегающей к нему неньютоновской жидкости 5 в жидкое состояние. Затем нагревательный элемент 17 перемещают в направлении от забоя к устью шпура 1, нерасплавленные цилиндры 15 поддавливают в направлении забоя шпура 1. Заполнив шпур 1 неньютоновской жидкостью 5 до требуемого уровня, удаляют из него нагревательный элемент 17. После снижения температуры неньютоновской жидкости 5 до температуры горных пород в шпур 1 (фиг.2) подают штангу 6 с клином 7 на конце. К свободному от клина 7 концу штанги 6 прикладывают периодическую ударную нагрузку, в результате чего в стенках шпура 1 (фиг.3) формируется трещина 8. Образовав трещину 8 нужных размеров, штангу 6 с клином 7 извлекают из шпура 1.
Множество вариантов способа обусловлено широким диапазоном его использования. Для конкретных условий разрушения горных пород наиболее подходящим по оптимизационным критериям является лишь один из его вариантов. Например, в технологиях добычи природного камня, в которых разрушение горных пород является основным процессом производства, наиболее приемлемым следует считать первый вариант способа. Этот вариант при сравнительно небольших затратах на изготовление оборудования позволяет отделять от породного массива блоки горных пород в независимости от ориентации шпуров 1 и температуры окружающей среды.
Для реализации второго варианта способа требуется менее сложное (относительно первого варианта) оборудование. Однако с его помощью можно разрушать горные породы только через нисходящие шпуры 1. Этот вариант предназначен для разрушения негабаритов, разборки старых сооружений и фундаментов. В нем предполагается использовать стандартные гибкие нагревательные элементы (ленты или шнуры).
Наиболее простым и дешевым при разрушении горных пород через нисходящие шпуры является третий вариант способа. Он может быть легко реализован практически в любых условиях. Для заполнения шпура 1 (отверстия, выполненного, например, в блоке стандартной дрелью) неньютоновской жидкостью достаточно налить в него воды и насыпать сухой глины. Затем в шпур 1 нужно вставить стержень (желательно заостренный на конце) и нанести по нему несколько ударов, например, кувалдой. Этот вариант способа рассчитан на выполнения разовых работ и пассировки блоков камня сравнительно малых размеров.
По сравнению с третьим вариантом четвертый вариант способа позволяет разрушать горные породы через шпуры 1 любой ориентации и существенно большей производительности. Однако для его реализации требуется предварительное изготовление стержней, например, из смеси глины, песка и воды с последующим их просушиванием.
Пятый вариант способа отличается от первого возможностью его реализации более простым оборудованием, а от второго - разрушением горных пород через шпуры 1 любой ориентации. Однако в отличие от второго варианта в пятом варианте способа требуется предварительно изготавливать цилиндры 15 из неньютоновской жидкости 5 и нанизывать их на провод 16 с нагревателем 17.