СПОСОБ НЕВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ROCK NON-EXPLOSIVE CRUSHING AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к строительству и горному делу, может быть использовано при разделке негабаритов, разборке сооружений, отделении каменных блоков от массива при добыче строительного камня и кристаллического сырья и т.д.
Известен способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, заполнение их невзрывчатым разрушающим средством (НРС), которое в результате реакции гидратации порошка постепенно твердеет, увеличиваясь при этом в объеме [1]. Увеличение объема сопровождается развитием давления до величин от 50 до 150 МПа на стенки шпура, при этом в теле разрушаемого объекта развиваются напряжения, превышающие его предельную прочность при растяжении, что приводит к образованию трещин и разрушению объекта.
Недостатком этого способа является возможность выброса НРС из шпура без достижения требуемого эффекта. Причем с увеличением диаметра шпура возрастают разрушающие усилия и вероятность выброса НРС из шпура.
Наиболее близким по существу решаемой задачи является способ добычи блочного камня, включающий отторжение блоков камня от массива при помощи невзрывчатого разрушающего средства, которым заполняют шпуры с оставлением в устье шпура свободного пространства для размещения запирающего устройства, в состав невзрывчатого разрушающего средства включают ускоритель действия, а запирающее устройство выполняют в виде двух пространственных тел, каждое из которых выполнено в виде части круглого цилиндра, одно из оснований которого образовано плоскостью, расположенной к продольной оси под углом 7-9°, причем пространственные тела устанавливают в шпуре с возможностью взаимодействия и смещения относительно друг друга по плоским наклонным поверхностям [2]. После заполнения скважин НРС с незаполненным на 0,10-0,15 м устьем в них на раствор устанавливается одна часть металлического цилиндра наклонным основанием вверх, а на нее - вторая наклонным основанием вниз. Затем с использованием металлического штыря наставки верхняя часть усеченного цилиндра забивается в скважину. Перемещаясь по наклонной плоскости нижнего цилиндра, он запирает скважину за счет создания распирающего эффекта и предотвращает перемещение вещества по скважине. Изменение сечения клина создает условия отвода газа при схватывании вещества. После разрушения необходимого объема среды клинья извлекаются и используются повторно.
Недостатком такого способа является необходимость расклинивания запирающего устройства вручную и возможность его выдавливания при некачественной установке, а также негерметичность запирающего устройства в случае изменения фактических диаметров скважин, пробуренных изношенными коронками.
Известен также целый ряд конструкций запирающих забоек в виде пластмассовых пробок, деревянных и бетонных клиньев, предназначенных для длительного запирания продуктов детонации в зарядной полости и повышения тем самым энергии взрыва [3]. Основным их недостатком является низкая эффективность.
Наиболее близкой по существу к решаемой задаче является распорная забойка, выполненная в виде металлического цилиндра, имеющего коническое расширение с несколькими рядами выступов снаружи в нижней части и не менее трех продольных прорезей, в которые вставлен металлический распорный конус с внутренней полостью, снабженный трубчатой тягой с резьбой на верхнем конце, свободно проходящей через осевой канал опорного кольца, размещенного наверху цилиндра [4].
Недостатком этой конструкции является низкая герметичность запорной забойки, приводящая к возможности вытекания эмульсии в начале реакции, высокая металлоемкость и высокая трудоемкость работ по очистке элементов устройства, особенно резьбовых соединений, при многоразовом использовании.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности невзрывного разрушения горных пород за счет запирания НРС в скважине запирающим устройством многоразового использования.
Поставленная задача достигается тем, что в способе невзрывного разрушения горных пород, включающем заполнение скважин невзрывчатым разрушающим средством с оставлением в устье скважины свободного пространства для размещения запирающего устройства, включением в состав невзрывчатого разрушающего средства ускорителя действия, согласно изобретению скважину заполняют суспензией обычного невзрывчатого разрушающего средства с оставлением в устье скважины свободного пространства высотой три диаметра скважины, затем в скважину засыпают пенополистирол на высоту 0,5 диаметра скважины, а на него устанавливают запирающее устройство высотой 2.5 диаметра скважины, выполненное в виде полого цилиндра, после этого внутрь цилиндра и в зазор между цилиндром и стенками скважины заливают суспензию невзрывчатого разрушающего средства с ускорителем действия.
Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для невзрывного разрушения горных пород, выполненном в виде металлического цилиндра с несколькими рядами выступов снаружи в нижней части и продольными прорезями, согласно изобретению металлический полый цилиндр в верхней части на длине 0,1 диаметра и в нижней части на длине 0,3 диаметра имеет толщину стенок, втрое большую, чем по остальной длине, кроме того, он разрезан снизу до верхнего утолщения вдоль образующих цилиндра не менее чем на четыре лепестка одинакового размера.
На фиг. 1 схематично изображена скважина в момент установки запирающего устройства; на фиг. 2 - то же, в рабочем положении.
Способ невзрывного разрушения горных пород осуществляют следующим образом.
В скважину 1 заливают суспензию невзрывчатого разрушающего состава 2, оставляя свободной устьевую часть скважины высотой 3 диаметра. Затем на поверхность суспензии 2 засыпают демпфирующий слой пенополистирола 3 высотой 0,5 диаметра скважины, а на него устанавливают запирающее устройство 4 высотой 2,5 диаметра скважины. Запирающее устройство 4 представляет собой металлический цилиндр 5, разрезанный снизу до верхнего утолщения вдоль образующих цилиндра 5 не менее чем на четыре лепестка 6 одинакового размера с выступами-рифлениями 7 на его наружной поверхности. Верхняя часть металлического цилиндра 5 на длине 0,1 диаметра и нижняя часть на длине 0,3 диаметра с выступами-рифлениями имеет толщину стенок, втрое большую, чем по остальной длине.
Для обеспечения возможности использования запирающего устройства 4 одного размера во всем диапазоне фактических диаметров скважин, пробуренных одним долотом, следует учесть увеличение сечения скважин для новых коронок до 6,4% и снижение его до 7,8% при бурении изношенными коронками [5]. Поэтому диаметр металлического цилиндра 5 принимается по минимально возможному диаметру скважины и между ним и стенками скважины 1 имеется зазор 8. Перед установкой металлического цилиндра 5 лепестки 6 в нижней его части подгоняют под фактический диаметр скважины 1 и опускают его на слой пенополистирола 3. Внутрь металлического цилиндра 5 и в зазор 8 заливают суспензию 9 невзрывчатого разрушающего состава с ускорителем действия, например бишофитом, позволяющим снизить время действия НРС от десятка до сотен минут [2], что позволяет завершить гидратацию НРС в запирающем устройстве намного раньше основного состава в скважине. В результате быстрого протекания реакции гидратации суспензии 9 с ускорителем, находящейся внутри металлического цилиндра 5, она увеличивается в объеме и оказывает давление на лепестки 6, которое передается на стенки скважины. Переменная толщина стенок позволяет лепесткам 6 изгибаться при воздействии нагрузки от суспензии 9 и плотнее прилегать выступами-рифлениями 7 к стенкам скважины 1. Распорное усилие вызывает силы трения между рифленой поверхностью 7 лепестков 6 и стенкой скважины 1, удерживающие запирающее устройство в скважине. Надежному расклиниванию запирающего устройства 4 в устье скважины 1 способствует и НРС с ускорителем в зазоре 8. Полное запирание устья скважины до начала действия основного состава НРС в скважине способствует использованию газов, образующихся при протекании реакции гидратации НРС, для усиления раскалывающего действия трещин в породе.
Кроме того, при раздвижке лепестков 6 в металлическом цилиндре 5 образуется усеченный конус 10 из суспензии 9, обращенный большим основанием вниз, поэтому при твердении и увеличении объема суспензии 9 он движется вниз, создавая дополнительное сопротивление выбросу массы смеси 2 из скважины 1. Расширение суспензии 9 компенсируется уплотнением демпфирующего слоя пенополистирола 3. Это предотвращает выдавливание запирающего устройства 4 в начале процесса твердения суспензии 9. После разрушения среды запирающее устройство извлекают и используют повторно. В случае затруднений с очисткой металлического цилиндра 5 от остатков НРС его стенки можно покрыть составом с низкой адгезией к НРС, например солидолом.
Таким образом, заявляемые способ невзрывного разрушения горных пород и устройство для его осуществления позволяют надежно запирать полости с суспензией НРС, в том числе большого диаметра, за счет чего повысить производительность процесса невзрывного разрушения горных пород и тем самым решить поставленную техническую задачу.
Источники информации
1. Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Новик А.В. Способы и технические средства невзрывного разрушения горных пород растягивающими усилиями // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГТУ, 2000. №10. - С. 70-72.
2. Способ добычи блочного камня. Патент РФ №2039250, Ε21С, 1995 (прототип).
3. Миндели Э.О., Демчук П.А., Александров В.Е. Забойка шпуров. - М.: "Недра", 1967. - 152 с.
4. Распорная забойка. Патент РФ №2284011, F42D, 2006 (прототип).
5. Степанов А.В. Проектирование и ведение буровзрывных работ на предприятиях строительных материалов / А.В. Степанов, А.Д. Гдалин - Л.: Стройиздат, 1973. - 184 с.