УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
ROCK CUTTING DEVICE

3
Изобретение относится к области добычи и обработки строительных токонепроводящих материалов из природного камня высоковольтными импульсными разрядами и может быть использовано для получения крупных блоков (около 1 м и более) на горных карьерах, при резании крупных блоков на блоки меньших размеров, применяемых при строительстве зданий, дорог и тротуаров. Кроме того, устройство может быть использовано при проходке щелей, траншей в бетонных изделиях, например в покрытиях автодорог, аэродромов для укладки кабелей, труб и т.п.
Известно устройство для резания горных пород высоковольтными импульсными разрядами, развивающимися в горной породе и разрушающими эту породу (Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты. Изд-во Кольского научного центра РАН. 2002. - С.20-22), основными конструктивными элементами которого являются изоляционный став и прикрепленные к нему или проходящие внутри него заземленные и потенциальные (высоковольтные) электроды. Как показано на с.21 на рис.1.7а, б и д, при пластинчатой форме электродов к изоляционному ставу прикреплены один заземленный и один высоковольтный электроды, каждый из которых имеет форму пластины с ровным призабойным торцом, или форму пластины с гребенчатым призабойным торцом, или форму узкой пластины. На с.21 представлено несколько вариантов выполнения устройства с чередующимися стержневыми заземленными и высоковольтными электродами, расположенными вертикально по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис.1.7ж) или горизонтально (рис.1.7з). При этом призабойные концы электродов, выступающие из изоляционного става, имеют одну из следующих форм: стержневую (рис.1.7в), башмачную (рис.1.7г), лапчатую (рис.1.7е) или форму протяженных горизонтальных параллельных стержней (рис.1.7з).
Основным недостатком этого устройства является низкая эффективность резания горных пород при использовании в качестве наиболее дешевой промывочной жидкости воды. Это связано с тем, что нельзя призабойные части электродов полностью покрывать твердой изоляцией, т.к. она быстро выйдет из строя при резании горной породы из-за пробоев ее разрядами и перекрытий по поверхности. В связи с этим призабойные части электродов на 50 мм и более оставляют неизолированными, и при подаче на устройство импульсов высокого напряжения с обнаженных частей электродов в воде происходят утечки токов и посадка импульсного напряжения на десятки процентов. Чтобы получить скорости резания, как при применении изоляционных промывочных жидкостей (трансформаторного масла, дизельного топлива и т.п.), необходимо существенно повысить амплитуду импульсного напряжения. Но это приводит к повышению энергозатрат, а иногда и к электрическому пробою изоляционного става и других покрытий электродов твердой изоляцией.
Существенно снизить утечки токов и соответственно повысить эффективность резания горных пород позволяет известное устройство-прототип (патент РФ №2232271, МПК 7 E21C 37/18, E21B 7/15, опубл. 10.07.2004), в котором количество электродов уменьшено до минимума (до двух) и которое состоит из снабженных изоляционными покрытиями высоковольтного и заземленного электродов, призабойные концы которых обнажены, загнуты и обращены навстречу друг другу, причем эти электроды пропущены через отверстия в изоляционной пластине, с которой через передачу соединен реверсивный двигатель, а высоковольтный электрод подключен к генератору импульсов высокого напряжения.
Основной недостаток этого устройства состоит в сравнительно низкой эффективности резания горных пород из-за того, что его конструктивные особенности не позволяют оптимально учитывать конкретные условия для его перемещения вдоль щели, т.к. для работы этого устройства его необходимо обязательно перемещать с постоянным выбранным шагом, независимо от того, внедрился или не внедрился разряд в горную породу, каков результат воздействия на горную породу конкретного разряда, как расположены электроды относительно конкретной онкольной воронки (глубина откольной воронки при достаточной энергии импульса равна примерно 1/3 от величины межэлектродного промежутка). Оно не позволяет автоматизировать перемещение электродов в процессе резания, когда конструктивно предусмотрена возможность превышения призабойного конца одного электрода над призабойным концом другого электрода.
Техническим результатом предложенного устройства является повышение эффективности резания горных пород (на 12-18%) за счет того, что благодаря конструктивным особенностям устройство перемещается в зависимости от результатов разрушения горной породы каждым конкретным разрядом. Эффективность тем выше, чем больше неоднородность горной породы. Кроме того, оно позволяет автоматизировать перемещение высоковольтного и заземленного электродов в процессе резания, если призабойный конец одного электрода расположен выше призабойного конца другого электрода.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для резания горных пород электрическими импульсными разрядами, содержащем снабженные изоляционными покрытиями высоковольтный и заземленный электроды, призабойные концы которых загнуты и обращены навстречу друг другу, причем электроды пропущены через вертикальные отверстия в изоляционной пластине, с которой через передачу соединен реверсивный двигатель, согласно предложенному решению изоляционная пластина, через вертикальные отверстия в которой свободно пропущены электроды, выполнена в виде передвижной каретки, установленной на направляющих, к каретке прикреплена опора коромысла, концы коромысла выполнены со сквозными отверстиями, в которых размещены втулки из эластичного упругого материала, через которые свободно пропущены электроды, снабженные изоляционными покрытиями.
Целесообразно каждый электрод снабжать грузом.
Целесообразно также снабжать устройство переключателями направления вращения двигателя, укрепленными на перемещаемых грузах.
Кроме того, целесообразно двигатель снабжать фрикционной муфтой, передающей заданный крутящий момент.
Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован чертежами: на фиг.1 приведено вертикальное сечение устройства, установленного на блок горной породы, помещенный в бак с водой. На фиг.2 представлен горизонтальный разрез устройства по направляющим.
Устройство состоит из высоковольтного 1 и заземленного 2 электродов. Высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды снабжены изоляционными покрытиями 3 и 4, соответственно. Призабойные концы высоковольтного электрода 5 и заземленного электрода 6 не имеют изоляционных покрытий, загнуты и обращены навстречу друг другу. Верхние концы электродов 1 и 2 свободно пропущены через вертикальные отверстия в изоляционной пластине, выполненной в виде передвижной каретки 7, установленной на направляющих 8, изготовленных из листового текстолита. Для перемещения по направляющим 8 каретка 7 через передачу 9 и фрикционную муфту 10 соединена с реверсивным двигателем 11. Снизу к передвижной каретке 7 прикреплена выполненная в виде стеклотекстолитового стержня опора коромысла 12, в нижнем конце которой на оси 13 установлено коромысло 14 из стеклотекстолита. Концы коромысла 14 выполнены со сквозными отверстиями, в которых установлены втулки 15, выполненные из эластичного упругого материала (мелкопористого поролона), что позволяет при регулировке превышения электродов 1 и 2, снабженных изоляционными покрытиями 3 и 4, относительно друг друга перемещать их внутри втулок 15, а коромыслу 14 поворачиваться на оси 13. Над кареткой 7 на заземленном электроде 2 установлен перемещаемый груз 16 и на высоковольтном электроде 1 такой же груз 17. К этим грузам (16 и 17) прикреплены переключатели 18 и 19 направления вращения двигателя 11. В верхней части к электроду 1 подключен генератор импульсов высокого напряжения 20. Для направленного перемещения направляющих 8 вниз или вверх к двум противоположным стенкам полиэтиленового бака 21 (размером 1×1×1 м) в вертикальном положении прикреплены винипластовые швеллеры 22 и 23. На дне бака 21 в воде 24 размещен блок горной породы 25. Номер 26 присвоен каналу развития высоковольтного импульсного разряда в блоке горной породы 25.
Работа предложенного устройства заключается в следующем (фиг.1). На блок горной породы 25 устанавливают устройство так, чтобы направляющие 8 вошли концами в швеллеры 22 и 23, призабойный конец высоковольтного электрода 5 стоял на этом блоке, а призабойный конец заземленного электрода 6 касался его боковой стенки. Оптимальным является превышение h призабойного конца высоковольтного электрода 5 над призабойным концом заземленного электрода 6, близкое к 1/3 межэлектродного промежутка между этими призабойными концами. Чтобы установленное превышение h сохранялось в процессе резания, груз 16 на заземленном электроде 2 закреплен в положении, в котором этот груз лежит на каретке 7, а груз 17 на высоковольтном электроде 1 закреплен в его приподнятом положении над кареткой 7 на величину двойного превышения (2h) призабойного конца высоковольтного электрода 5 над призабойным концом заземленного электрода 6. Верхний уровень воды 24 поддерживают выше оголенных частей призабойных концов высоковольтного 5 и заземленного 6 электродов. Проверяют надежность заземления электрода 2. В таком положении включают реверсивный двигатель 11 и от генератора импульсов высокого напряжения 20 на высоковольтный электрод 1 подают импульсы высокого напряжения. Между призабойными концами заземленного электрода 6 и высоковольтного 5 в блоке горной породы 25 с образованием канала 26 развивается электрический импульсный разряд, который откалывает (отрывает) кусок горной породы, расположенный над этим разрядом. Реверсивный двигатель 11 через фрикционную муфту 10 и передачу 9 перемещает каретку 7 ближе к себе (вправо) настолько, насколько может переместиться в горизонтальном направлении призабойный конец заземленного электрода 6, не приподнимаясь вверх. Предотвращение подъема вверх электрода 6 обеспечивают груз 16 и фрикционная муфта 10, настроенная на передачу определенного (заданного) крутящего момента, при превышении которого диски муфты проскальзывают относительного друг друга. Благодаря этому призабойный конец заземленного электрода 6 перемещается только по горизонтальной части откола на расстояние В, не поднимаясь вверх по боковой (правой) стенке откольной поверхности. При последующей подаче импульсов на высоковольтный электрод 1 происходят аналогичные сколы горной породы и перемещения каретки 7 в сторону реверсивного двигателя 11. При этом канал развития каждого высоковольтного импульсного разряда 26 полностью проходит в горной породе. При использовании же прототипа части призабойных концов высоковольтного и заземленного электродов, с которых развиваются разряды, часто зависают над откольными воронками. Каретка 7 перемещается вправо до тех пор, пока высоковольтный электрод 1 не дойдет до правой боковой стенки блока горной породы 25. Когда это происходит, то под действием веса высоковольтного электрода 1, его изоляционного покрытия 3 и груза 17 призабойный конец высоковольтного электрода 5 по правой боковой стенке блока горной породы 25 резко опускается вниз на глубину, равную 2h. При этом коромысло 14 поворачивается на оси 13 и его правый конец становится ниже левого, груз 17 опускается до упора в каретку 7 (на 2h), срабатывает переключатель 19 направления вращения реверсивного двигателя 11, двигатель начинает вращаться в обратном направлении и весь процесс резания идет в обратную сторону. В это время призабойный конец заземленного электрода 6 расположен на уровне выше призабойного конца высоковольтного электрода 5 на высоту, равную h, а груз 16 приподнят над кареткой 7 на высоту, равную 2h. Когда призабойный конец заземленного электрода 6 доходит до левой боковой стенки блока горной породы 25, он опускается по этой стенке и становится ниже первоначального исходного положения на величину, равную 2h, каретка 7 опускается на глубину, равную h, и процесс резания повторяется. Для выноса продуктов разрушения горной породы из прорезаемой щели используют насос (на фиг.1 и фиг.2 не показан), подающий часть находящейся в баке 21 воды 24 в эту щель. Вода выносит разрушенную горную породу в зазор между блоком горной породы 24 и внутренними стенками бака 21. В процессе экспериментов при межэлектродном промежутке между призабойными концами высоковольтного электрода 5 и заземленного 6 в 25-27 мм эффективность резания предложенным устройством блоков песчаника на известковистом цементе выше на 12%, а блоков крупнозернистого гранита выше на 18%, чем устройством, у которого призабойные концы находятся на одном уровне.
Предложенное устройство применимо не только для резания блоков горных пород, размещенных в баках, но и в условиях карьеров. Для этого необходимо предварительно пробурить две скважины на расстоянии друг от друга, равном длине требуемого реза и с учетом длины его направляющих 8.