Разрушающий инструмент и способ разрушения горных пород
DESTRUCTING TOOL AND ROCK DESTRUCTION METHOD

Изобретение касается разрушающего инструмента и способа разрушения горных пород. Горной породой в контексте изобретения считается как натуральный, так и искусственный камень, например бетон.
Из уровня техники известны различные приспособления для отбойки горной породы и способы ее отбойки. Как правило, в настоящее время для разработки горной породы проводятся взрывные работы, используются гидравлические молоты или технология бурения и откалывания. Технология бурения и откалывания предусматривает просверливание в подлежащей отбойке горной породе ряда отверстий, в которые затем вводятся раскалывающие инструменты для откалывания породы.
В документе ЕР 2489823 В1 описано устройство и способ раскалывания твердых материалов, таких как скальная порода или бетон, с использованием технологии бурения и откалывания. Устройство содержит основание с установленной на нем вдоль первой оси рабочей головки с возможностью смещения в поперечном направлении и поворота относительно основания вокруг второй оси. На рабочей головке установлены бурильное устройство и раскалывающее устройство, которые могут занимать рабочее положение поочередно.
В документе DE 102013206565 В4 описано гидравлическое раскалывающее устройство в форме клиновидного копья, используемого для разрушения горной породы способом бурения и откалывания.
Также известна технология разрушения горных пород при помощи навесной экскаваторной фрезы. В документе ЕР 2324158 В1 описана навесная экскаваторная фреза.
Известные способы и инструменты для разрушения горных пород обладают различными преимуществами и недостатками. Так, в настоящее время проведение взрывных работ является самым эффективным способом, но по причине опасности и сильных вибраций, воздействующих на окружающую среду, возможности для его применения все больше ограничиваются. Сейчас в тех случаях, когда взрывные работы или бурение запрещены или невозможны, для отбойки чаще всего применяется гидравлический молот. Гидравлический молот не оказывает значительной нагрузки на окружающую среду при разрушении горных пород, но он далеко не так эффективен, как взрывные работы или технология бурения и откалывания. При взрывании или при разрушении гидравлическим молотом невозможно контролировать размер обломков. Как правило, обломки приходится дополнительно расщеплять на более мелкие, чтобы их можно было обработать в дробилке. Производственная мощность навесных экскаваторных фрез в значительной мере определяется прочностью обрабатываемой горной породы на сжатие по одной оси. Экономически целесообразно и рационально использовать отбойку при помощи навесных экскаваторных фрез только при прочности горной породы на сжатие по одной оси до 60 МПа. Поэтому навесные экскаваторные фрезы применяются преимущественно для разрушения низко- и среднепрочных горных пород, например, известняка или гипса.
В документе DE 102016125158.5, который принадлежит тому же заявителю и который на момент подачи данной заявки еще не опубликован, также описан разрушающий инструмент для отбойки горной породы. Этот разрушающий инструмент вводится в пропил в горной породе для того, чтобы отламывать кусок между несколькими пропилами. Этот разрушающий инструмент содержит основную часть с первым рабочим концом, на котором расположен как минимум один подрезной инструмент для выполнения надреза, проходящего параллельно дну пропила, в первом сегменте стенки пропила. Первый сегмент стенки начинается непосредственно от дна пропила. Основная часть имеет второй рабочий конец, предназначенный для приложения усилия сжатия ко второму сегменту стенки пропила. Второй сегмент стенки располагается у начала пропила, противоположного дну. Наконец, с основной частью жестко соединена навесная консоль для навески разрушающего инструмента на подвижный кронштейн строительной машины. В этой более ранней патентной заявке, кроме того, описан способ разрушения горных пород. Полное содержание документа DE 102016125158.5 включено в раскрытие сущности изобретения в данном документе, так что подробное описание здесь можно не приводить. Однако при использовании описанного разрушающего инструмента существует опасность, что если ширина пропила не будет соответствовать заданному значению, то он будет проскальзывать через пропил в значительной степени неэффективно, не приводя к желаемому разрушению горной породы.
Поэтому задачей настоящего изобретения стало создание еще более совершенного разрушающего инструмента для разламывания горной породы, который должен обеспечивать более эффективное отламывание породы и при этом не создавать сильной вибрации при использовании. Необходимо эффективно предотвратить проскальзывание разрушающего инструмента во время работы. Место отлома должно без дополнительной обработки иметь как можно более ровную поверхность. Также должен быть представлен способ разрушения горных пород.
Решением задачи изобретения является разрушающий инструмент в соответствии с прилагаемым пунктом 1 формулы изобретения и способ в соответствии с прилагаемым пунктом 9.
В соответствии с настоящим изобретением разрушающий инструмент предназначен для разламывания горной породы. Для этого в породе выполняется несколько пропилов, обрамляющих материал, который надлежит отломать. Предпочтительно, чтобы выполнялось два или несколько пропилов на заданную глубину, проходящих, как правило, параллельно друг другу и расположенных на заданном расстоянии друг от друга. При этом пропилы могут располагаться также под углом друг к другу, если это будет более эффективно для выполнения отлома в конкретном месте. Разрушающий инструмент вводится в один из пропилов для отламывания горной породы посредством приложения к ней поперечных усилий, направленных в значительной степени перпендикулярно плоскостям пропила. Разрушающий инструмент имеет выпуклую основную часть, т.е. длинная сторона основной части имеет выпуклый изгиб. Поперечное сечение основной части от первого свободного конца до противоположного ему второго конца увеличивается, т.е. ширина разрушающего инструмента увеличивается от вершины на первом конце в направлении противоположного конца. Предпочтительно, чтобы сторона, противоположная выпуклой продольной стороне, была вогнутой, но она может быть также практически прямой. Основная часть на втором рабочем конце имеет жестко закрепленную консоль для навески разрушающего инструмента на подвижный кронштейн строительной машины, а именно экскаватора. Предпочтительно, чтобы разрушающий инструмент можно было навешивать путем замены на ту же строительную машину, на которую навешивается врезной диск для выполнения пропила. Для быстрого и легкого переоснащения с врезного диска на предлагаемый разрушающий инструмент предпочтительно, чтобы строительная машина была оборудована автоматическим устройством для быстрой смены навесного оборудования. Кронштейн строительной машины (экскаватора) передает необходимые усилия, чтобы установить разрушающий инструмент в нужное положение и ввести его в пропил в горной породе.
На первом рабочем конце расположен как минимум один подрезной инструмент для выполнения надреза, проходящего параллельно дну пропила в первом (более глубоком) сегменте стенки пропила. Ширина первого рабочего конца основной части несколько больше, чем ширина пропила. Второй рабочий конец, который располагается ближе к навесной консоли, чем первый, оснащен дробящим инструментом для приложения усилия сжатия ко второму (менее глубокому) сегменту стенки пропила. Разрушающий инструмент вводится первым рабочим концом в пропил сбоку и перемещается по нему линейно. При этом подрезные инструменты воздействуют на первый сегмент стенки и выполняют надрез, предпочтительно проходящий по дну пропила. Одновременно с этим на горную породу между пропилами через второй сегмент стенки прилагается усилие сжатия. Это усилие сжатия действует за счет увеличения поперечного сечения основной части в продольном направлении и усиливается дробящим инструментом, расположенным на втором рабочем конце основной части.
Предлагаемый разрушающий инструмент имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее известными разрушающими инструментами. Благодаря этому с помощью предлагаемого разрушающего инструмента можно эффективно отламывать большие объемы горной породы, причем разрушение осуществляется без сильной вибрации. Это является существенным преимуществом перед проведением взрывных работ. Надрез, выполняемый подрезным инструментом, определяет место разлома и обеспечивает контролируемое разрушение горной породы. На дне пропила образуется относительно ровная поверхность отлома. Увеличение поперечного сечения основной части в продольном направлении и усилие сжатия, оказываемое дробящим инструментом, эффективно предотвращают проскальзывание разрушающего инструмента.
В предпочтительном варианте реализации разрушающий инструмент содержит несколько подрезных инструментов, которые предпочтительно расположены в виде удлинения первого рабочего конца. Наличие нескольких подрезных инструментов позволяет выполнять надрезы быстро и равномерно.
Дробящий инструмент может быть реализован в нескольких вариантах. В предпочтительном варианте реализации разрушающий инструмент выполняется в виде дробящего клина. Дробящий клин частично расширяется относительно основной части. Хорошие результаты показал вариант, при котором широкая сторона дробящего клина примерно на 30-40% шире, чем основная часть, но упомянутый диапазон ширины не следует расценивать как ограничение; возможно использовать более широкие или более узкие дробящие клинья. Предпочтительно, чтобы дробящий клин приводился в действие гидравлической системой строительной машины, например, через цилиндр рукояти ковша экскаватора. Усилие сжатия, прилагаемое через дробящий клин, воздействует в дополнение к усилию сжатия, оказываемому основной частью, и обеспечивает полный отлом горной породы от разрабатываемой стены. Предпочтительно, чтобы по внешней окружности дробящий клин был оснащен несколькими пластинами, которые будут увеличивать его жесткость и которые можно будет заменять по мере износа. Хорошо показали себя варианты исполнения с четырьмя пластинами, расположенными с обеих сторон вершины дробящего клина в направлении основной части.
В альтернативном варианте исполнения задействован дробящий клин в виде гидравлического молота. Гидравлический молот содержит ударный механизм и долото, которое в предпочтительном варианте реализации должно располагаться перпендикулярно продольной оси разрушающего инструмента. Долото вводится в горную породу с помощью ударного механизма, выполняет вруб и высвобождает материал породы из массива.
Предпочтительным вариантом исполнения дробящего инструмента может также являться эксцентрический ударный механизм. Использование эксцентрического ударного механизма и гидравлического молота предпочтительно, если прочность разрушаемой горной породы при сжатии по одной оси превышает 60 МПа. При более низкой прочности на сжатие по одной оси предпочтительно использование дробящего клина. Предпочтительно, чтобы дробящий клин, гидравлический молот и эксцентрический ударный механизм можно было отсоединять от основной части и использовать в зависимости от типа горной породы.
Основная часть разрушающего инструмента может быть выполнена из нескольких компонентов. Первый рабочий конец, на котором установлен как минимум один подрезной инструмент, предпочтительно выполнять в виде отдельного конструктивного узла, желательно с возможностью отсоединения от основной части. Тогда при износе подрезного инструмента конструктивный узел, на котором установлен подрезной инструмент, можно будет заменять без больших трудозатрат. Предпочтительно, чтобы основная часть имела на втором рабочем конце несущую пластину, к которой будет крепиться дробящий инструмент. Предпочтительно, чтобы дробящий инструмент крепился на несущей пластине с возможностью отсоединения. Также дробящий инструмент и несущая пластина могут быть соединены друг с другом жестко и отсоединяться от основной части в виде единого конструктивного узла. Основная часть может дополнительно включать несколько пластин, расположенных по периметру и служащих для усиления жесткости и стабильности основной. Предпочтительно, чтобы такие пластины были выполнены как изнашивающиеся детали с возможностью замены. Один из предпочтительных вариантов исполнения включает в себя основную часть из нескольких пластин, выпуклых в продольном направлении и жестко соединенных друг с другом.
Предлагаемый способ разрушения горной породы включает нижеописанные шаги. Сначала в горной породе фрезой выполняют как минимум два параллельных пропила. Пропилы могут проходить в породе как горизонтально, так и вертикально. Они имеют заданную глубину, заданную ширину и располагаются на заданном расстоянии друг от друга. Выбор глубины и ширины пропилов и расстояния между пропилами зависит от свойств разрабатываемого материала. Определяющими факторами при этом являются тип и структура породы. Также при выборе глубины и ширины пропилов и расстояния между пропилами учитываются требования к размеру конечного продукта. Параметры пропилов зависят также от размеров разрушающего инструмента, который будет использоваться на следующем этапе процесса. Так, предпочтительно, чтобы глубина пропила соответствовала длине (т.е. глубине введения) разрушающего инструмента. Ширина пропила также должна соответствовать ширине разрушающего инструмента. Для выполнения пропилов предпочтительно использовать врезное колесо, оснащенное подходящим фрезерным инструментом. Для фрезерования горной породы подходят, например, врезные диски с твердосплавным инструментом. Твердосплавный инструмент может быть выполнен в форме круглого долота. Предпочтительно, чтобы врезной диск приводился в действие гидравлическим способом или через приводной вал строительной машины, например через вал трактора. Хорошо показали себя врезные диски, выполненные в виде навесного агрегата для установки на подвижном кронштейне строительной машины, такой как экскаватор, экскаватор-погрузчик или трактор. Свободное пространство, создаваемое пропилами, снимает напряжения в горной породе и позволяет эффективно разламывать ее.
После выполнения пропилов в первом сегменте стенки одного из пропилов при помощи подрезного инструмента выполняется надрез, проходящий параллельно дну пропила. При этом необходимо сделать так, чтобы пропил, в котором выполняется надрез, располагался как минимум рядом с другим пропилом, а предпочтительно между двумя пропилами, так как, согласно способу, разрушению подлежит материал между двумя пропилами. Во время выполнения надреза или непосредственно после него разрушается материал, располагающийся между пропилами. Это происходит благодаря приложению усилия сжатия ко второму сегменту стенки пропила. Второй сегмент стенки располагается у начала пропила, противоположного дну. Усилие сжатия прикладывается, во-первых, за счет увеличивающегося в продольном направлении поперечного сечения основной части, а во-вторых, за счет действия дробящего инструмента, установленного на основной части.
В числе прочего преимуществом предлагаемого способа является то, что размер полученных обломков горной породы можно выбирать в соответствии с параметрами дробилки, в которой они затем будут измельчаться. Глубину и ширину пропилов и расстояние между пропилами выбирают в соответствии с необходимыми результатами. При этом разрушение при помощи гидравлического молота или взрывным способом не позволяет контролировать размер обломков, и чаще всего их необходимо дополнительно измельчать перед подачей в дробилку. При разрушении армированного бетона инструмент, при помощи которого выполняются пропилы, позволяет разрезать металлическую арматуру в бетоне.
Способ был успешно испытан при глубине пропилов от 500 до 1000 мм. Тем не менее, упомянутый диапазон глубины пропила не следует расценивать как ограничение - возможно также использование пропилов другой глубины.
Ниже следует подробное описание изобретения и его преимуществ на примерах его предпочтительных вариантов осуществления, проиллюстрированных прилагаемыми рисунками.
Рис. 1. На рис. 1 приведен первый вид в перспективе первого варианта осуществления предлагаемого разрушающего инструмента.
Рис. 2. На рис. 2. приведен второй вид в перспективе первого варианта осуществления разрушающего инструмента.
Рис. 3. На рис. 3 приведен вид А (см. рис. 2).
Рис. 4. На рис. 4 изображен в перспективе второй вариант осуществления разрушающего инструмента.
Рис. 5. На рис. 5 приведен вид В (см. рис. 4).
Рис. 6. На рис. 6 изображен в перспективе третий вариант осуществления разрушающего инструмента.
Рис. 7. На рис. 7 приведен вид С (см. рис. 6).
Рис. 8. На рис. 8 изображен в разрезе разрушающий инструмент согласно рис. 1, введенный в пропил в горной породе.
На рис. 1 и рис. 2 изображены в перспективе первые варианты осуществления предлагаемого разрушающего инструмента (01). Разрушающий инструмент (01) служит для разламывания горной породы. Для этой цели в горной породе выполняют два или несколько пропилов на заданную глубину, проходящих, как правило, параллельно друг другу и расположенных на заданном расстоянии друг от друга. Разрушающий инструмент (01) вводится в один из пропилов, чтобы отломить кусок породы между пропилами.
Разрушающий инструмент (01) содержит основную часть (02) в форме зуба ковша с выпуклым изгибом в продольном направлении. Основная часть (02) в приведенном варианте осуществления состоит из нескольких первичных пластин (03), жестко соединенных друг с другом. По внешнему периметру основной части (02), в особенности на боковых поверхностях, которые подвергаются давлению боковых стенок в пропиле, расположено несколько вторичных пластин (04), которые служат для повышения жесткости основной части (02) и защиты от износа. Вторичные пластины (04) могут быть изготовлены из твердого сплава и крепиться на первичных пластинах (03) с возможностью замены.
Поперечное сечение основной части (02) увеличивается от первого рабочего конца (05) ко второму рабочему концу (08) на противоположном конце оси. В представленном варианте осуществления вершина зуба ковша, образующая подрезной инструмент (05), выполнена в виде отдельного конструктивного узла, соединенного с основной частью (02). В альтернативном варианте осуществления основная часть (02) и первый рабочий конец (05) выполняются также в виде единого компонента. На вершине первого рабочего конца (05) расположены два подрезных инструмента (07), которые представляют собой удлинение основной части (02). В других вариантах осуществления изобретения может также использоваться большее количество подрезных инструментов (07) или только один подрезной инструмент (07).
На втором рабочем конце (08) основной части (02) расположен дробящий инструмент в виде дробящего клина (09), который детально представлен на рис. 3. Дробящий клин (09) соединен с основной частью (02) через несущую пластину (10) с возможностью отсоединения. Наружная часть, в частности, боковые поверхности дробящего клина (09), которые соприкасаются с боковыми стенками пропила в горной породе, оснащены четырьмя третичными пластинами (12), которые расположены с обеих сторон от вершины дробящего клина в направлении основной части (02) и служат для увеличения жесткости и защиты от износа дробящего клина (09). Ширина широкой стороны дробящего клина (09), обращенной к основной части (02), превышает ширину основной части (02) приблизительно на 30-40%. Дробящий клин (09) может приводиться в действие с помощью строительной машины, например, посредством цилиндра рукояти ковша. Движение подрезных инструментов (07) на дне пропила и дробящего клина (09) и связанное с этим оказываемое усилие при разрушении горной породы обозначены стрелками на рис. 1 и рис. 2.
Со вторым рабочим концом (08) основной части (02) жестко соединена навесная консоль (13), служащая для установки разрушающего инструмента (01) на подвижном кронштейне строительной машины или экскаватора.
На рис. 4 приведен второй вариант осуществления разрушающего инструмента(01). В отличие от варианта осуществления, показанного на рис. 1-3, в качестве дробящего инструмента здесь используется гидравлический молот (14), детально показанный на рис. 5. Гидравлический молот (14) содержит ударный механизм (15) и долото (17), установленное в корпусе (18). Долото (17) вводится в горную породу с помощью ударного механизма (15), выполняет вруб и высвобождает материал породы из массива. Долото (17) расположено перпендикулярно продольной оси разрушающего инструмента (01). Направление ударов ударного механизма (15) всегда должно соответствовать рабочему направлению разрушающего инструмента (01). Следовательно, в результате усилие удара будет ориентировано в направлении пропила. Направление перемещения разрушающего инструмента (01), направление удара ударного механизма (15) и направления результирующих сил обозначены на рис. 4 стрелками.
Третий вариант осуществления разрушающего инструмента(01) представлен на рис. 6. Этот вариант осуществления изобретения также отличается от уже приведенных вариантов только используемым дробящим инструментом. Дробящий инструмент здесь выполнен в виде эксцентрического ударного механизма (19), который детально показан на рис. 7. Движение эксцентрического ударного механизма (19) ориентировано в направлении навесной консоли (13) и обозначено простой стрелкой. Сила удара, создаваемая эксцентрическим ударным механизмом (19) и ориентированная в рабочем направлении разрушающего инструмента (01), показана на рис. 6 широкой стрелкой.
Использование эксцентрического ударного механизма (19) и гидравлического молота (14) предпочтительно, если прочность разрушаемой горной породы при сжатии по одной оси превышает 60 МПа. При более низкой прочности на сжатие по одной оси предпочтительно использование дробящего клина (09).
На основной части (02) можно устанавливать на выбор дробящий клин (09), гидравлический молот (14) или эксцентрический ударный механизм (19). Это обеспечивает возможность недорогого переоснащения разрушающего инструмента (01) в соответствии с типом горной породы.
Ниже подробно описан предлагаемый способ разрушения горной породы в соответствии с рис. 8. На первом этапе способа в горной породе (22) фрезой выполняются минимум два (предпочтительно несколько) параллельных пропила (20). Каждый пропил (20) выполняется при помощи обычного врезного диска. Врезной диск выполнен в виде навесного агрегата для строительной машины. Между строительной машиной и врезным диском имеется жесткое соединение с возможностью разъединения. Врезной диск может оборудоваться различными фрезерными инструментами, например круглыми долотами. В качестве строительной машины можно использовать экскаватор, экскаватор-погрузчик или трактор. Врезной диск приводится в действие через гидравлическую систему или рабочий вал строительной машины. Согласно способу в горной породе (20) выполняют два, а предпочтительно три или более пропилов (20) с одинаковыми размерными параметрами.
После выполнения пропилов (20) разрушающий инструмент (01) вводят в один из двух соседних пропилов (20), предпочтительно расположенный между двумя другими. Так как разрушающий инструмент (01) шире, чем выполненный пропил (20), при введении разрушающего инструмента (01) всегда требуется край разлома, через который вводится разрушающий инструмент (01). Разрушающий инструмент (01) вводится первым рабочим концом (05) с подрезным инструментом (07) в пропил (20) и перемещается по этому пропилу (20) линейно. Во время этого линейного перемещения подрезные инструменты (07) воздействуют на глубокий участок стенки пропила (20) и выполняют надрез, проходящий параллельно дну пропила (20). Одновременно с этим на второй, менее глубокий участок стенки пропила (20), воздействует усилие сжатия, в результате которого горная порода (22) отламывается между пропилами (20). Это усилие сжатия прикладывается, во-первых, за счет увеличивающегося в продольном направлении поперечного сечения основной части (02), а, во-вторых, за счет действия дробящего инструмента: дробящего клина (09), гидравлического молота (14) или эксцентрического ударного механизма (19). Под воздействием основной части (02) происходит надлом горной породы (22). Дробящий инструмент обеспечивает полный отлом горной породы (22). На рис. 8 показан процесс отлома горной породы (22) под одновременным воздействием на нее через два соседних пропила (20).
Список обозначений
01 - разрушающий инструмент
02 - основная часть
03 - первичные пластины
04 - вторичные пластины
05 - первый рабочий конец
06 - -
07 - подрезные инструменты
08 - второй рабочий конец
09 - дробящий клин
10 - несущая пластина
11 - -
12 - третичные пластины
13 - навесная консоль
14 - гидравлический молот
15 - ударный механизм
16 - -
17 - долото
18 - корпус
19 - эксцентрический ударный механизм
20 - пропилы
21 - -
22 - горная порода