Способ разрушения горных пород

Способ разрушения горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 №2079654, кл. Е 21 С 37/02, опубл. в БИ №14, 1997 г. Он включает бурение шпуров, заполнение их сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев таких размеров, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне их сходящихся поверхностей.

В этом способе силовое воздействие осуществляют лишь на стенки шпуров. Поэтому размеры разрыва от каждого из шпуров, следовательно, и эффективность разрушения горной породы оказываются сравнительно небольшими.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разрушения горных пород по патенту РФ №2131032, кл. Е 21 С 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. В этом способе ориентация формируемой трещины существенно зависит от наличия в стенках шпура случайных (естественных) трещин или плоскостей ослабления.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом, заключается в повышении эффективности разрушения горной породы за счет облегчения операции заполнения шпуров неньютоновской жидкостью без воздушных включений и снижения влияния на ориентацию формируемой трещины случайных трещин и плоскостей ослабления.

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 предлагаемому техническому решению неньютоновскую жидкость подают в шпуры в оболочках из упругопластичного материала.

Подача неньютоновской жидкости в шпуры в оболочках из упругопластичного материала исключает возможность образования в ней воздушных включений (внутри оболочек воздух отсутствует). Под давлением неньютоновской жидкости, которое возникает при внедрении в нее клина, соответствующая оболочка раздувается (увеличивается в диаметре) и придавливается к стенкам шпура. При этом происходит герметизация шпура, от чего между его стенками и оболочкой неньютоновская жидкость проникать не может и, следовательно, не имеет доступа к случайным трещинам, находящимся вне плоскости разрыва самой оболочки. Это повышает эффективность разрушения горной породы, ибо облегчается заполнение шпуров неньютоновской жидкостью без наличия в ней воздушных включений и снижается влияние на ориентацию формируемой трещины случайных трещин и плоскостей ослабления. Возможность заполнения оболочек неньютоновской жидкостью на специально оборудованном участке (в закрытом помещении) способствует повышению уровня механизации соответствующих технологических операций, что также увеличивает эффективность способа разрушения горных пород.

Целесообразно на внутренних поверхностях оболочек прорезать борозды в плоскости формируемой трещины. Это облегчает разрыв оболочек по заданной линии и тем самым способствует формированию трещины в нужной плоскости.

Целесообразно толщину оболочек выполнить такой, чтобы перекрывались зазоры между стенками шпуров и подаваемыми в них клиньями. Это позволяет применять для разрушения горной породы неньютоновскую жидкость, имеющую существенно меньшую (по сравнению с прототипом) вязкость, что в ряде случаев способствует повышению эффективности способа.

Целесообразно оболочки выполнить замкнутыми. Это исключает контакт неньютоновской жидкости с атмосферой до воздействия на нее клиньев. Поэтому свойства неньютоновской жидкости в замкнутых оболочках не изменяются длительное время, что также повышает эффективность способа.

Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации и чертежами.

На фиг.1 показана схема формирования трещины до разрыва (разрушения) горной породы; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1 после разрыва горной породы; на фиг.3 - схема формирования трещины при выполнении борозд на внутренней поверхности оболочки одновременно с подачей в оболочку клина; на фиг.4 - разрез Б - Б на фиг.3.

В горной породе бурят шпур 1 (фиг.1). В шпур 1 подают неньютоновскую жидкость 2 в оболочке 3 из упругопластичного материала. На внутренней поверхности оболочки 3 предварительно прорезают борозды 4 в плоскости формируемой трещины 5 (фиг.2). Затем в шпур 1 подают клин 6 таким образом, чтобы он входил в оболочку 3, а его вершина (контурная линия конца клина 6) находилась в плоскости формируемой трещины 5. В направлении забоя шпура 1 к клину 6 прикладывают периодическую ударную нагрузку, от чего в неньютоновской жидкости 2 создается давление, от которого оболочка 3 увеличивается в диаметре (раздувается) и прижимается к стенкам шпура 1, герметизируя его. Оболочка 3 имеет такую толщину, что она перекрывает зазор между стенками шпура 1 и клином 6 (выше его сходящихся поверхностей). Под действием ударной нагрузки следующих периодов на клин 6 давление неньютоновской жидкости 2 через оболочку 3 передается стенкам шпура 1 (горной породе) и возрастает. Когда давление на стенки шпура 1 достигает предела прочности горной породы на растяжение, в плоскости расположения вершины клина 6 и борозд 4 возникает трещина 5. После этого оболочка 3 разрывается по линии расположения борозд 4 и неньютоновская жидкость 3 вытесняется клином 6 в формируемую трещину 5, увеличивая ее размеры. Клин 6 подают до упора в забой шпура 1, формируя тем самым трещину 5 максимальных размеров (для данных условий). Затем клин 6 извлекают из шпура 1.

Отметим, что для наглядности изображения на фиг.1 не показан слой неньютоновской жидкости 2, закрывающий борозды 4.

Борозды 4 выполняют две функции. Во-первых, они утончают оболочку 3 по заданной линии и тем самым способствуют ее разрыву в нужной плоскости даже при гидростатическом (распределенном равномерно по поверхности) давлении. Во-вторых, борозды 4, обладая малым радиусом закругления, согласно законам механики концентрируют напряжение, которое передается и горной породе. Это в сочетании с направленностью действия клина 6 при ударных нагрузках обеспечивает направленность разрушения (разрыв по заданной линии или в нужной плоскости). Отметим, что борозды 4 можно прорезать одновременно с подачей в оболочку 3 клина 6. Для этого на поверхности клина 6 в плоскости предполагаемого разрыва горной породы устанавливают резцы 7 (фиг.3 и 4). Это позволяет в качестве оболочки 3 применять серийно выпускаемые шланги.

Оболочку 3 выполняют из материала, который при подаче в нее клина 6 позволяет увеличивать ее радиус до плотного контакта со стенками шпура 1. При этом в материале возникают напряжения, приводящие к разрыву оболочки 3 в случае деформации стенок шпура 1 от возникновения трещины 5. Согласно результатам проведенных экспериментов наиболее подходящим для изготовления оболочки 3 является материал, из которого выполняют пластмассовые или алюминиевые емкости для напитков (соков, воды, пива и т.д.).

До возникновения трещины 5 оболочка 3, будучи прижатой к стенкам шпура 1, в отличие от прототипа перекрывает доступ неньютоновской жидкости 2 ко всем микротрещинам и плоскостям ослабления в горной породе. Поэтому существенно повышается вероятность разрыва горной породы в заданной плоскости даже при наличии в ней высокой пористости и естественных трещин значительных (недопустимых для прототипа) размеров.

Толщину оболочки 3 выбирают такой, чтобы неньютоновская жидкость 2 не продавливалась между ее внутренними поверхностями и клином 6. Это в отличие от прототипа позволяет применять неньютоновскую жидкость 2 относительно низкой вязкости, что в ряде случаев способствует повышению эффективности разрушения горной породы.

Неньютоновская жидкость 2 здесь используется в качестве адаптирующегося к размерам создаваемой трещины клина. Она в отличие от высокоподвижной жидкости не проникает и, следовательно, не развивает встречающиеся на пути создаваемой трещины поры и микротрещины, которые имеются в любой горной породе. Для неньютоновской жидкости, обладающей значительным сопротивлением изменению внешней формы, легче раздвигать поверхности создаваемой трещины, чем проникать в нее на большую глубину. Поэтому неньютоновская жидкость продолжает развивать трещину и тогда, когда последняя выходит на свободную поверхность. Вместе с этим неньютоновская жидкость с горной породой имеет относительно большую площадь взаимного контакта, из-за чего прикладываемая к ней сила (нагрузка) передается поверхностям трещины многократно увеличенной.

В качестве неньютоновской жидкости 2 можно использовать воск, пластилин, смесь сухой глины и отработанных смазочных материалов. Наиболее дешевой неньютоновская жидкость 2 получается при использовании смеси глины и воды. Однако такая смесь при контакте с атмосферой способна сравнительно быстро высыхать и утрачивать необходимые свойства. Чтобы избежать влияния на неньютоновскую жидкость атмосферы (до воздействия на нее клина 6), оболочку 3 выполняют замкнутой (на фиг. не показано). Для этого обе стороны оболочки 3 (не предназначенные для контакта со стенками шпура 1) заклеивают тонкой непроницаемой пленкой, которая затем легко разрушается клином 6.

Предлагаемым способом технически реализуют идею использования особенностей разрыва хрупкой среды неньютоновской жидкостью для повышения эффективности разборки массива горных пород на блоки требуемых размеров путем формирования в шпурах систем трещин с заданными параметрами. Способ может применяться на любых горных предприятиях.

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, подачу в них неньютоновской жидкости и клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, отличающийся тем, что неньютоновскую жидкость подают в шпуры в оболочках из упругопластичного материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на внутренних поверхностях оболочек прорезают борозды в плоскости формируемой трещины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину оболочек выполняют такой, чтобы перекрывались зазоры между стенками шпуров и подаваемыми в них клиньями.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что оболочки выполняют замкнутыми.