Способ разрушения горных пород

Способ разрушения горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Техническое решение относится к горному делу и строительной технике и может быть использовано для раскалывания негабаритов, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня, разрушения фундаментов при реконструкции зданий и сооружений.

Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ №2079654, кл. Е 21 С 37/02, опубл. в БИ №14 за 1997 г., включающий бурение шпуров, подачу в шпуры сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в него клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. Клинья внедряют таких размеров, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне их сходящихся поверхностей. В этом способе силовое воздействие оказывают лишь на стенки шпуров, поэтому размеры разрыва от каждого из шпуров, а следовательно, и эффективность разрушения горной породы оказываются сравнительно небольшими.

Наиболее близким решением по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрушения горных пород по патенту РФ №2131032, кл. Е 21 С 37/02, опубл. в БИ №15 за 1999 г., включающий бурение шпуров, подачу в шпуры сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. До подачи сыпучего или монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, шпуры заполняют неньютоновской жидкостью.

Недостатком данного технического решения является необходимость использования достаточно высокой энергии ударной нагрузки при разрушении горных пород. После приложения к клину периодической ударной нагрузки под действием упругих составляющих в неньютоновской жидкости происходит снижение давления, а клин как бы выталкивается из шпура. Это приводит к необходимости значительного повышения энергии удара для реализации способа, что, как следствие, значительно снижает его эффективность.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение эффективности разрушения горных пород за счет уменьшения энергоемкости процесса.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпура, подачу в шпур неньютоновской жидкости, а затем фрикционного материала, внедрение в указанный материал рабочего органа, к которому прикладывают ударную механическую нагрузку, согласно техническому решению перед подачей неньютоновской жидкости оказывают растягивающее статическое воздействие на дно и стенки шпура в плоскости, перпендикулярной плоскости намеченной трещины, которое продолжают оказывать после подачи неньютоновской жидкости до образования трещины в горной породе. При этом используют фрикционный материал с упругопластическими свойствами.

Растягивающее статическое воздействие на дно и стенки шпура в плоскости, перпендикулярной плоскости намеченной трещины, до подачи неньютоновской жидкости и фрикционного материала и внедрения в указанный материал рабочего органа позволяет создать растягивающие статические напряжения в необходимом направлении. После чего внедрение рабочего органа в указанный материал посредством даже небольшой механической нагрузки обеспечивает за счет снижения энергозатрат значительное повышение эффективности разрушения горных пород и фундаментов, в том числе очень крепких, без применения высокоэнергоемких механизмов. Использование при этом фрикционного материала с упругопластическими свойствами позволяет оказывать дополнительное растягивающее статическое воздействие на стенки шпура, что, безусловно, способствует повышению эффективности разрушения за счет упругих свойств применяемого материала. Кроме того, использование при этом фрикционного материала с упругопластическими свойствами позволяет предотвращать снижение давления в неньютоновской жидкости и выталкивание рабочего органа после каждого удара и, как следствие, увеличивать величину статического давления рабочего органа на неньютоновскую жидкость, что дает возможность, используя малоэнергоемкие механизмы, разрушать крепкие породы и фундаменты.

Целесообразно указанное статическое воздействие оказывать с помощью жестких упругих элементов, которые, разжимаясь в заданном направлении, оказывают растягивающее статическое воздействие на дно и стенки шпура до образования трещины, значительно, таким образом, повышая эффективность разрушения за счет снижения энергозатрат.

Можно указанное статическое воздействие оказывать с помощью невзрывного расширяющегося средства (НРС).

Заполнив нижнюю часть шпура НРС до подачи неньютоновской жидкости, на дно и стенки шпура оказывают растягивающее статическое воздействие до образования трещины в горной породе или разрушаемом фундаменте, что тоже ведет к снижению энергозатрат и, как следствие, к повышению эффективности разрушения.

Целесообразно в качестве фрикционного материала с упругопластическими свойствами использовать сыпучий материал с добавлением древесных и/или полимерных стружек, которые придают сыпучему материалу упругопластические свойства.

Такое решение обеспечивает упругопластические свойства фрикционному материалу наиболее простым и экономичным способом.

Целесообразно в качестве фрикционного материала с упругопластическими свойствами использовать растворимые соли и/или их плавкие кристаллогидраты. Это обусловлено их высокой фрикционностью и упругостью при застывании. Пластичные свойства растворимых солей и их плавких кристаллогидратов обеспечивают надежную реализацию способа.

Целесообразно в качестве рабочего органа использовать клин с углом α, не превышающим угол самозаклинивания. Применение рабочего органа такой формы позволяет предотвратить его выталкивание и снижение давления в неньютоновской жидкости и фрикционном материале с упругопластическими свойствами. Увеличение (накопление) величины давления с каждым ударом на неньютоновскую жидкость и фрикционный материал с упругопластическими свойствами позволяет значительно увеличить эффективность способа за счет возможности использования при разрушении маломощных механизмов.

Возможно использование в качестве рабочего органа стержневого элемента, у которого, как известно, угол самозаклинивания равен нулю. Такое исполнение ведет к повышению эффективности предлагаемого технического решения за счет того, что основная доля ударной механической нагрузки, прикладываемой к рабочему органу, непосредственно передается на неньютоновскую жидкость - основной элемент системы шпур - рабочий орган - фрикционный материал с упругопластическими свойствами - трещина - контактирующая с ними неньютоновская жидкость. Часть энергии ударной механической нагрузки расходуется на преодоление трения между стержневым элементом и фрикционным материалом. При клиновидном же рабочем органе большая часть энергии ударной механической нагрузки тратится на уплотнение фрикционного материала и только небольшая часть - на воздействие на неньютоновскую жидкость.

При использовании стержневого элемента упругопластические свойства фрикционного материала обеспечивают высокое трение на его границе с рабочим органом и предотвращают снижение давления в неньютоновской жидкости. Кроме того, значительно повышается экономическая эффективность способа за счет возможности применения для разрушения горных пород и фундаментов кусков стандартной арматуры и прутков, что исключает необходимость изготовления рабочего органа.

Сущность предлагаемого способа разрушения горных пород поясняется примером его реализации и чертежами. Схема реализации показана на фиг 1; на фиг 2 - разрез А-А на фиг 1.

Способ разрушения горных пород реализуют следующим образом. В горной породе 1 (фиг.1) бурят шпур 2, на дно и стенки которого оказывают растягивающее статическое воздействие 3 в плоскости, перпендикулярной плоскости намеченной трещины 4. После этого в шпур 2 подают неньютоновскую жидкость 5, а затем - фрикционный материал 6 с упругопластическими свойствами (далее - материал 6). В материал 6 внедряют рабочий орган 7 с твердосплавными вставками 8 (фиг 2), которые на стенках шпура 2 образуют бороздки. Под действием растягивающих сил, создаваемых за счет упругих свойств материала 6, от поверхности рабочего органа 7, а также за счет растягивающего статического воздействия 3 в бороздках концентрируются и возрастают напряжения до разрыва горной породы 1 с образованием начальной трещины 4. В трещину 4 из шпура 2 выдавливается неньютоновская жидкость 5, которая, обладая высокой вязкостью, движется по трещине 4 с большим сопротивлением. Поэтому для неньютоновской жидкости 5 легче раздвигать трещину 4, чем проникать в нее. В это же время на дно и стенки шпура 2 продолжают оказывать растягивающее статическое воздействие 3 в указанном направлении. Это воздействие 3 за счет упругопластических свойств материала 6 значительно увеличивают. Фрикционные свойства материала 6 позволяют предотвращать выталкивание рабочего органа 7 и снижение давления в неньютоновской жидкости 5 после каждого удара и, как следствие, накапливать величину давления в неньютоновской жидкости 5 и усиливать воздействие на дно и стенки шпура 2 и поверхности трещины 4.

Растягивающее статическое воздействие 3 можно оказывать разными способами. Один из предложенных способов - воздействие на дно и стенки шпура 2 с помощью жестких упругих элементов (например, пружинных металлических пластин-рессор, предварительно сжатых и помещенных в шпур 2 до подачи в него неньютоновской жидкости 5). Растягивающее статическое воздействие 3 на дно и стенки шпура 2 можно оказывать размещенным в шпуре 2 НРС (например, невзрывным составом на известковой основе). Размеры участка шпура 2, который заполняют НРС, подбирают экспериментально. Для большинства горных пород и разрушаемых фундаментов длина этого участка шпура 2 составляет 2÷2,5 диаметра шпура 2. Использование материала 6 за счет его упругопластических свойств позволяет избежать разгрузки (выталкивания) рабочего органа 7 после каждого удара, и таким образом накапливать энергию воздействия рабочего органа 7 на неньютоновскую жидкость 5 и соответственно на дно и стенки шпура 2. Упругие свойства материала 6 позволяют воздействовать на дно и стенки шпура 2 при движении рабочего органа 7 и способствуют раскрытию трещины 4. В качестве фрикционного материала 6 с упругопластическими свойствами используют любой сыпучий материал (например, песок) с добавлением древесных и/или полимерных стружек (например, резиновых).

Экспериментальные работы показали, что предлагаемый способ очень эффективно реализуют, когда в качестве материала 6 используют растворимые соли или их плавкие кристаллогидраты. В этом случае на границе рабочий орган 7 - материал 6 создают настолько сильное трение, что при нанесении ударов по рабочему органу 7 его выталкивания практически не происходит. Проведенные опыты и теоретические исследования дают возможность утверждать, что когда в качестве рабочего органа 7 используют элемент конической формы или плоский клин с углом α, не превышающим угол самозаклинивания (т.е. α<16°) или стержневой элемент, у которого угол самозаклинивания α=0°, реализация предлагаемого способа наиболее эффективна при прочих равных условиях (материал 6, растягивающее статическое воздействие 3, энергия удара по рабочему органу 7 и т.д.) по сравнению с рабочим органом 7 другой формы.

Таким образом, предлагаемым способом повышают эффективность разрушения горных пород и фундаментов, используя малоэнергоемкие механизмы.

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение шпура, подачу в шпур неньютоновской жидкости, а затем фрикционного материала, внедрение в указанный материал рабочего органа, к которому прикладывают ударную механическую нагрузку, отличающийся тем, что перед подачей неньютоновской жидкости оказывают растягивающее статическое воздействие на дно и стенки шпура в плоскости, перпендикулярной плоскости намеченной трещины, которое продолжают оказывать после подачи неньютоновской жидкости до образования трещины в горной породе, при этом используют фрикционный материал с упругопластическими свойствами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное статическое воздействие оказывают с помощью жестких упругих элементов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное статическое воздействие оказывают с помощью невзрывного расширяющегося средства.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фрикционного материала с упругопластическими свойствами используют сыпучий материал с добавлением древесных и/или полимерных стружек.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фрикционного материала с упругопластическими свойствами используют растворимые соли или их плавкие кристаллогидраты.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве рабочего органа используют клин с углом α, не превышающим угол самозаклинивания.

7. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве рабочего органа используют стержневой элемент.