Способ разрушения горных пород

Способ разрушения горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности, а именно к разрушению горных пород и искусственных диэлектрических материалов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, и может найти применение для получения блоков крепких горных пород на каменных карьерах, для проходки вертикальных наклонных горных выработок сравнительно большого диаметра, для разрушения бетонных массивов и т.п. Следует заметить, что в последнее время в связи с долговечностью и экологической безопасностью (чистотой) блоков крепких горных пород их все больше используют для покрытия тротуаров, площадей, дорог крупных городов не только в развитых странах Европы. Так, в 2007 г. гранитными плитами была покрыта центральная площадь г. Барнаула.

Известен способ разрушения горных пород электрическим током (авторское свидетельство СССР №878934, МПК ³ E21C 37/18, опубл. 07.11.81), при котором от генератора электрических импульсов подают разрушающие горную породу импульсы на электроды, введенные в контакт с горной породой, при этом пространство, в котором установлены электроды, перед подачей импульсов герметично изолируют от остального объема и заполняют его газом, электрическая прочность которого выше электрической прочности воздуха, например элегазом.

Основным недостатком этого способа является его низкая производительность, т.к. с помощью электрических импульсов разрушается только горная порода между электродами, наложенными на поверхность горной породы, на глубину не более 1/3 межэлектродного промежутка.

Частично этот недостаток устранен в выбранном за прототип электрогидравлическим способе разрушения твердого тела (патент РФ №2038150, МПК ⁶ В02С 19/18, опубл. 1995.06.27), включающем бурение в разрушаемой твердом теле шпуров, в каждой из которых, используя взрывающиеся проволочки, создают импульсный высоковольтный электрический разряд в жидкости, воздействующий на тело ударными волнами, причем воздействие на тело осуществляют одновременно по крайней мере четырьмя симметричными цилиндрическими ударными волнами в зонах тела, расположенных при вершинах квадратной ячейки, при этом выбирают расстояние между вершинами квадратной ячейки и длительность высоковольтных импульсов, удовлетворяющие соотношениями:

H≅3,6L; τ<0,7V^-1,

где Н - расстояние между вершинами квадратной ячейки, м;

L - длина разрядного промежутка, м;

τ - длительность высоковольтного импульса, с;

V - скорость продольной волны в теле, м/с.

Кроме того, по этому способу одновременно с бурением шпуров в вершинах квадратной ячейки осуществляют бурение скважин в центре квадрата, посредине каждой из его сторон, а импульсные высоковольтные электрические разряды создают с частотой 10-95 Гц.

Основным недостатком этого способа является отсутствие возможности получения крупных кусков разрушаемого тела, которые необходимы при добыче природного камня. Кроме того, этот способ требует сравнительно высоких энергозатрат, т.к. при взрыве одновременно в нескольких шпурах проволочек происходит разрушение как бы сразу всего целика, оконтуренного шпурами и несколько ослабленного скважинами, причем разрушение в основном за счет сил сжатия.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение энергозатрат на разрушение горной породы и создание возможности получения крупных кусков горных пород, например, на каменных карьерах, т.к. предложенный способ позволяет последовательно отделять от массива крупные куски (блоки), близкие по форме к параллелепипеду, кубу и т.п., у которых перед отрывом три стороны (из шести) свободны, что особенно важно, для снижения энергозатрат. Важно и то, что каждый канал развития электрических разрядов проходит между призабойным концом высоковольтного электрода и заземленным электродом в разрабатываемом твердом теле (горной породе, бетоне), а не только на забое шпуров, как это происходит при электрогидравлическом способе при использовании электровзрыва проволочек, когда разрушающие горную породу нагрузки воздействуют на нее как бы из точек, только от забоев шпуров, и горная порода разрушается в основном за счет ее сжатия. В предлагаемом способе разрушающие горную породу нагрузки исходят от протяженных каналов электрического пробоя, образующихся по всей длине нижних угловых граней откалываемого или разрушаемого блока горной породы. При этом на горную породу в основном воздействуют не нагрузки сжатия, а силы растяжения, что также способствует снижению энергозатрат. Технический результат предлагаемого решения тем выше, чем крепче горная порода и чем меньше она подвергнута процессу выветривания, чем меньше она нарушена. Снижение энергозатрат может превышать 100%, а получение цельных блоков, близких по форме параллелепипеду или кубу, рассмотренными выше способами практически невозможно.

Указанный технологический результат достигается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение центральной скважины и электродных шпуров вокруг нее, размещение в электродных шпурах высоковольтных электродов и последовательную подачу на них высоковольтных импульсов, согласно предложенному решению, параллельно центральной скважине вплотную к ней или с частичным ее перекрытием бурят дополнительную скважину, а места забурки шпуров задают в спиральном направлении на воображаемой плоской спирали, выбирая начальное расстояние между соседними витками спирали выбирают не более диаметра дополнительной скважины, причем перед подачей высоковольтных импульсов на высоковольтный электрод против нижнего его конца у наружных углов вертикальных плоскостей скола отрываемого блока горной породы в спиральном и радиальном направлениях размещают по одному заземленному электроду.

Целесообразно расстояния между соседними электродными шпурами, а также расстояния между соседними витками воображаемой плоской спирали выбирать одинаковыми.

Целесообразно также между электродными шпурами на глубину этих шпуров бурить вертикальные и/или наклонные промежуточные шпуры, в т.ч. пересекающиеся.

Целесообразно на забое промежуточных шпуров размещать электропроводящие вставки из твердого или жидкого материала.

Кроме того, целесообразно на длинной стороне отрываемого блока горной породы в шпуре размещать дополнительный высоковольтный электрод, а высоковольтные импульсы подавать на высоковольтный и дополнительный высоковольтный электроды одновременно.

Для рассмотрения конкретного выполнения предлагаемого способа представлено три чертежа. На фиг.1 приведен вид сверху на разрушаемую часть карьера добычи природного камня крепких горных пород. На фиг.2 изображен участок разрушаемой части карьера, от участка которого отделяют цельный или разрушенный блок горной породы. На фиг.3 показано сечение уступа по линии А-А.

Предлагаемый способ реализован на Степановском полигоне (карьере) г. Томска в трещиноватом окварцованном песчанике. Как видно из фиг.1, в середине разрушаемой части карьера 1 вертикально бурят центральную скважину 2 диаметром 630 мм и глубиной 0,6 м, вокруг которой располагают электродные шпуры 3 глубиной 0,3 м, места забурки которых выбирают в спиральном направлении на воображаемой плоской спирали 4 с одинаковым расстоянием (250 мм) между шпурами 3. Параллельно центральной скважине 2 вплотную к ней бурят дополнительную скважину 5 диаметром 300 мм. Она может быть пробурена и с незначительным частичным перекрытием центральной скважины 2, расстояние b между соседними витками воображаемой плоской спирали 4 принимают равным диаметру дополнительной скважины 5. Оно может быть и меньше этого диаметра, но при превышении его способ неэффективен и даже неосуществим. Если имеется возможность, то целесообразно бурить дополнительную скважину 5 с поперечным сечением в форме щели, и в этом случае начальное расстояние между витками воображаемой плоской спирали 4 выбирать не более длины щели. Следует заметить, что имеются устройства для проходки щелей высоковольтными импульсными разрядами, развивающимися в горной породе, например устройство по а.с. СССР №820319, М.Кл.³ Е21С 37/18, опубл. 2004.04.10. Процесс последующего осуществления способа виден при рассмотрении фиг.2 и фиг.3, на которых изображен участок разрушаемой части карьера 6, в котором бурят электродные шпуры 3, а также вертикальные и наклонные, в т.ч. пересекающиеся, промежуточные шпуры 7, которые проходят на глубину электродных шпуров (0,3 м). Они служат для того, чтобы плоскости откола горной породы проходили через места их расположения. Центральную скважину 2 и дополнительную скважину 5 бурят электрическими буровыми снарядами, а электродные шпуры 3 и промежуточные шпуры 7 - пневмоударным агрегатом. Диаметр шпуров равен 48 мм. Расстояния между соседними электродными шпурами 3 на воображаемой плоской спирали 4, а также расстояния между ее витками выбирают одинаковыми, чтобы использовать высоковольтные импульсы с одинаковой энергией. Способ осуществляют таким образом, чтобы последовательно разрушать блоки горной породы, имеющие три свободные поверхности, что и позволяет снизить энергозатраты. На фиг.2 и фиг.3 показано, как разрушают блок 8. В электродный шпур устанавливают высоковольтный электрод 9 диаметром 8 мм, вся поверхность которого, кроме концов, покрыта изолятором 10 диаметром 42 мм. Зазор между этим изолятором и стенкой шпура заполняют дизельным топливом. Верхний конец электрода 9 электрически соединяют с выходом генератора импульсов высокого напряжения (ГИН), а напротив нижнего его конца у наружных углов вертикальных плоскостей скола (разрушения) размещают два заземленных электрода: 10 и 11. После этого на высоковольтный электрод 9 от ГИН подают один или несколько импульсов высокого напряжения с параметрами (напряжением до 500 кВ и емкостью в разряде 30 нФ), достаточными для электрического пробоя горной породы между электродом 9 и одним из заземленных электродов 10 или 11. Вначале электрический пробой происходит между высоковольтным электродом 9 и тем заземленным электродом, до которого меньше электрическая прочность горной породы: на фиг.2 между электродами 9 и 10. После этого, если заземленный электрод 10 от действия электрического разряда не отлетает на значительное расстояние, его убирают и опять подают импульс(сы) высокого напряжения на высоковольтный электрод 9, в результате чего электрический пробой происходит между электродом 9 и заземленным электродом 11. При проведении подобных экспериментов на Степановском полигоне г. Томска в трещиноватых окварцованных песчаниках блок 8 разрушается на многогранные куски, наибольшие размеры которых превышают 0,1 м. После разрушения блока 8 высоковольтный электрод 9 переставляют в соседний (по линии А-А), лежащий на воображаемой плоской спирали, электродный шпур 3 и так все операции повторяют. Заметно повысить эффективность способа удается за счет того, что перед подачей импульсов высокого напряжения на забое промежуточных шпуров 7 размещают электропроводящие вставки 12 (фиг.3). Используют куски стальных труб и техническую воду (отдельно и в комбинации). Для предупреждения утечек воды в трещины горной породы ее помещают в полиэтиленовые пакеты. Удельное сопротивление воды равно 4·10³ Ом-см. Применение электропроводящих вставок 12 позволяет без повышения выходного импульсного напряжения ГИН увеличить длину канала электрического пробоя горной породы на 30-50%, т.е. без повышения энергозатрат возможно разрушение блока горной породы 8 с большей в 1,3-1,5 раза шириной и длиной.

Для откола цельных блоков монолитных горных пород предлагаемый способ реализован следующим образом. Эксперименты проводились на образце крупнозернистого гранита размером 1,2×1,4×1,0 м, который на фиг.2 и фиг.3 представлен в виде участка разрушаемой части карьера 6. Отличие от описанного выше примера осуществления способа для откола цельных блоков состоит в том, что рядом с высоковольтным электродом 9 на длинной стороне блока 8 в шпуре также размещают аналогичный дополнительный высоковольтный электрод 13 (фиг.2), электрически соединенный с дополнительным ГИН (номинальное напряжение 600 кВ, емкость в разряде 80 нФ). В этом случае импульсы высокого напряжения подают одновременно на высоковольтный электрод 9 от основного ГИН, а на дополнительный электрод 13 от дополнительного ГИН. За счет того, что в этом случае электрический пробой проходит одновременно между высоковольтным электродом 9 и заземленным электродом 10, и между дополнительным электродом 13 и заземленным 11 происходит откол сравнительно цельных блоков. Эксперименты проведены на больших образцах крупнозернистого гранита: 1,2×1,4×1,0 м. Глубина электродных шпуров принята 0,3 м из расчета получения цельных блоков размерами 0,2×0,3×0,3 м. И хотя форма полученных блоков гранита не вполне соответствовала форме параллелепипеда, особенно его нижняя часть, эксперименты показали, что предлагаемым способом при низких энергозатратах можно получать блоки крепких горных пород, пригодные для покрытия тротуаров, городских площадей и т.п.

Важно отметить перспективность способа для разрушения и получения более крупных блоков, чем в приведенных примерах, т.к. в ранее проведенных исследованиях при увеличении межэлектродного промежутка со 100 мм до 600 мм, т.е. в 6 раз, пробивное напряжение возросло в 2,2 раза, а при увеличении межэлектродного промежутка с 600 мм до 800 мм, т.е. на 33%, пробивное напряжение возросло менее чем на 10%.

Так как предлагаемый способ позволяет существенно снизить энергозатраты, он имеет большую перспективу использования при работах возле построенных объектов или при проходке вертикальных горных выработок большого диаметра в крепких горных породах, когда, с одной стороны, для предотвращения водопритока вокруг ствола бурят скважины и с помощью громоздких холодильных агрегатов проводят замораживание воды вокруг ствола, а с другой стороны, при разрушении горной породы на забое ствола известными способами, в т.ч. с использованием взрывчатых веществ, разрушают горную породу не только на забое, но и вокруг ствола.

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение центральной скважины и электродных шпуров вокруг нее, размещение в электродных шпурах электродов и подачу на них высоковольтных импульсов, отличающийся тем, что параллельно центральной скважине вплотную к ней или с частичным ее перекрытием бурят дополнительную скважину, а места забурки шпуров выбирают в спиральном направлении на воображаемой плоской спирали, причем начальное расстояние между соседними витками спирали выбирают не более диаметра дополнительной скважины, причем перед подачей высоковольтных импульсов на высоковольтный электрод против нижнего его конца у наружных углов вертикальных плоскостей скола отрываемого блока горной породы в спиральном и радиальном направлениях размещают по одному заземленному электроду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояния между соседними электродными шпурами, а также расстояния между соседними витками воображаемой плоской спирали выбирают одинаковыми.

3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что между электродными шпурами на глубину этих шпуров бурят вертикальные и/или наклонные промежуточные шпуры, в т.ч. пересекающиеся.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на забое промежуточных шпуров размещают электропроводящие вставки из твердого или жидкого материала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на длинной стороне отрываемого блока горной породы в шпуре размещают дополнительный высоковольтный электрод, а высоковольтные импульсы подают на высоковольтный и дополнительный высоковольтный электроды одновременно.