Способ разрушения монолитных объектов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу и строительству и может быть использовано для разрушения монолитных объектов статическими нагрузками. Цель изобретения снижение стоимости и трудоемкости разрушения монолитных объектов. В шпур, пробуренный в монолитном объекте, вставляется упругий элемент из эластомерного материала, увеличивающего свой объем при нагревании. Механическим сжатием упругого элемента по направлению продольной оси полости осуществляют выборку зазоров между давильным элементом и стенками шпура. При нагревании упругого элемента не свыше температуры деструкции он увеличивает объем и давит на стенки шпура. При достижении давления, превышающего предел прочности материала объекта на растяжение, объект разрушается. 2 с.п. ф-лы, 35 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к горному делу и строительству и может быть использовано для добычи и разделки блочного камня, разрушения бетонных и кирпичных конструкций.

Известен способ разрушения монолитных объектов, включающий создание в теле объекта полости, введение в полость через ее устье давильного элемента с рабочим телом, увеличивающим свой объем при температурном воздействии, выборку зазоров между давильным элементом и стенками полости, температурное воздействие на рабочее тело [1]. Способ осуществляется с помощью устройства для разрушения монолитных объектов, включающего по крайней мере одну продольную стяжку с торцовыми упорами, рабочее тело, расположенное в объеме между торцовыми упорами, элементы нагрева рабочего тела. Недостатками способов, осуществляемых данными устройствами, являются использование дефицитных материалов с эффектом памяти формы, а также необходимость выполнения последующих операций по обжиму силовых элементов из материала с эффектом памяти формы для приведения их в исходную форму. Все это существенно повышает стоимость и трудоемкость работ.

Известен также способ разрушения монолитных объектов, включающий бурение в теле объекта шпуров, размещение в них эластичных тел и приложение распорных нагрузок к стенкам шпура механическим осевым сжатием этих тел [2]. Недостатком известного способа является необходимость использования силовых гидроцилиндров для механического сжатия эластичных тел, а следовательно, гидромагистралей и насосов высокого давления. Все это существенно повышает стоимость и трудоемкость работ.

Целью изобретения является снижение стоимости и трудоемкости разрушения монолитных объектов и обеспечение возможности использования устройства в шпурах различного диаметра.

На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства с одной осевой продольной стяжкой; на фиг. 2 - то же, с тремя продольными стяжками; на фиг. 3 - то же, с двумя продольными стяжками, расположенными по краям упругого элемента с возможностью противонаправленной радиальной раздвижки; на фиг. 4 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез по В-В на фиг. 2; на фиг. 6 - разрез по Д-Д на фиг. 3; на фиг. 7 - узел I устройства по фиг. 1 с жесткой связью торцов упругого элемента с торцовыми упорами; на фиг. 8 - продольный разрез устройства с торцовыми упорами в форме стаканов; на фиг. 9 - продольный разрез устройства с уплотнителями в виде прокладок между торцовыми упорами и торцами упругого элемента; на фиг. 10 - то же, с уплотнителями в виде колец, установленных по периметру боковых поверхностей торцовых упоров; на фиг. 11 - продольный разрез устройства с торцовым упором в форме стакана с донным расширением и перегородкой между донной и устьевой частями стакана в виде мембраны; на фиг. 12 - то же, что и на фиг. 11, но с перегородкой в виде дифференциального поршня; на фиг. 13 - то же, что и на фиг. 11, но с перегородкой в виде жидкостной перемычки; на фиг. 14 - то же, что на фиг. 8, но с перегородкой в виде поршня; на фиг. 15 - то же, что на фиг. 1, но с нагревательным элементом в виде спирали из материала с эффектом памяти формы, расположенной на наружной стороне упругого элемента.

Устройство включает продольные стяжки 1 (одну осевую - фиг. 1, 4, три симметричные относительно продольной оси - фиг. 2, 5, две краевые с продольными наружными заострениями, установленные с возможностью противонаправленной радиальной раздвижки от продольной оси, фиг. 3, 6), торцовые упоры 2 и 3, один из которых установлен на стяжке 1 с возможностью продольного перемещения и выполнен с элементами фиксации его положения на стяжке, например, резьбовой гайкой 4 с ручками, навинченной на резьбу хвостовика 5 стяжки 1. Упругий элемент 6 из эластомерного материала (материалы на основе элементоорганических каучуков - кремниторганический каучук, фторорганический каучук, термоэластопласты - сантопрен; эластомерный материал на основе углеводородных каучуков - натуральный каучук) расположен в объеме между торцовыми упорами 2 и 3 с зазором с продольными стяжками 1. Элементы нагрева Т упругого элемента 6 могут быть расположены в рабочем теле (фиг. 1, 4, 7), на его наружной (фиг. 3, 6, 9, 15) или внутренней поверхностях (не показано), а также в продольной стяжке (фиг. 2, 5, 8, 10, 11, 12, 13). В качестве элементов нагрева могут быть использованы элементы сопротивления (электроспираль). Упругий элемент 6 может быть жестко связан элементами 7 с торцовыми упорами 2 и 3. Это позволяет вывинчиванием гайки-зацепы 8 через подвижный торцовый упор 2 растягивать упругий элемент перед введением в шпур.

Торцовые упоры 2 и 3 могут быть выполнены в виде стаканов 9, заполненных рабочим телом и обращенных открытыми краями друг к другу, при этом элементы нагрева выполнены с возможностью опережающего нагрева рабочего тела в стаканах 9. Стяжки 1 могут быть гибкими для облегчения ввода в искривленные шпуры. Наружная поверхность рабочего тела может быть закрыта элементом покрытия (не показан). Таким элементом может быть оболочка из высокопрочной резины. Элементы нагрева могут быть расположены в покрытии. Между упорами 2, 3 и торцами упругого элемента могут быть установлены уплотнители в виде прокладок 10 из материала, имеющего модуль сжатия, не превышающий модуль сжатия эластомерного материала и удельное относительное удлинение при разрыве, превышающее это удлинение у эластомерного материала упругого элемента. Уплотнитель может быть выполнен в виде кольца 11, установленного по периметру боковых поверхностей торцовых упоров 2 и 3 в кольцевых канавках. Втулка-компенсатор 12 служит для выборки зазора между торцовыми упорами 2 и 3 и стенками шпура при использовании устройства в шпурах большого диаметра. Втулка нужного диаметра насаживается на торцовый упор, поджимается к кольцу 11 элементом продольного поджима 13. Съемное кольцо 11 имеет наружный диаметр, равный наружному диаметру используемой втулки 12, и установлено между втулкой 12 и торцом рабочего тела. Пpодольные стяжки могут быть выполнены из материала с эффектом памяти формы и термоциклированы с возможностью уменьшения длины при нагревании свыше температуры мартенситного превращения Т_м, не превышающей температуру деструкции эластомерного материала. Элементы нагрева на наружной поверхности рабочего тела могут быть выполнены в форме спирали 14 из материала с эффектом памяти формы, термоциклированной с возможностью увеличения диаметра витков при нагревании свыше Т_м. Края спирали могут быть жестко связаны с торцовыми вставками. Выполнение упругого элемента с интегральной жесткостью в поперечном сечении (путем облучения снаружи быстрыми электронами), а также покрытие наружной поверхности (эластомерами с большей жесткостью или эластомерами на тканевой основе) обеспечивает повышенную долговечность упругого элемента с увеличением рабочих циклов.

При выполнении устройства согласно фиг. 11-13 донная часть стакана выполняется с уширением 15. В стакане между донной и устьевой частями может быть размещена перегородка, выполненная с возможностью передачи давления из одной части стакана в другую. Донная часть стакана заполнена рабочим телом 16, увеличивающим свой объем при нагревании. Им может быть эластомерный материал, смесь парафина и стеарина. Перегородка выполняется в виде мембраны 17, ступенчатого поршня 18, эластичной емкости, заполненной жесткостью 19, или простого поршня 20. Поршень 18 позволяет увеличить давление, передаваемое на упругий элемент 6, с потерей хода продольного сжатия. Емкость с жидкостью 19 и мембрана 17 позволяют увеличить ход продольного сжатия упругого элемента 6 с потерей усилия, развиваемого рабочим телом 16, в сторону упругого элемента 6. Преимуществом смеси парафин-стеарин является большой процент приращения объема (10-13%) при плавлении. Давление, развиваемое этой смесью в замкнутом объеме, доходит до 2000 атм. Жидкость 19 должна иметь температуру кипения не свыше температуры деструкции упругого элемента. Смесь парафин-стеарин предпочтительнее применять в качестве заполнителя донной части стакана при выполнении на фиг. 14.

Способ осуществляют следующим образом. Устройство устанавливают в пробуренный в монолитном объекте шпур 21. При выполнении устройства на фиг. 7 до размещения в шпуре осуществляют растяжение упругого элемента для облегчения ввода в шпур. Для этого гайку-зацеп 8 вывинчивают вверх. При выполнении устройства на фиг. 3 и 6 его ориентируют наружными заострениями продольных стяжек в плоскости намеченного раскола. После размещения в шпуре осуществляют механическое сжатие упругого элемента вдоль оси шпура до выборки свободных зазоров между наружной поверхностью упругого элемента и стенками шпура. Эта операция осуществляется вручную навинчиванием на продольную стяжку резьбовой гайки 4 или ввинчиванием резьбового стержня 22 (фиг. 2, 3). Полнота выборки зазоров контролируется усилием закручивания при выполнении устройства на фиг. 3 и 6, механическое сжатие упругого элемента приводит к радиальной раздвижке стяжек 1 с упором их заострениями в стенки шпура. Зазор между упругим элементом и продольными стяжками обеспечивает перемещение упругого элемента при растяжении и сжатии.

Таким образом, после выборки зазоров эластомерный материал полностью заполняет замкнутый объем шпура, жесткость которого определяется прочностью монолитного объекта.

Нагревание эластомерного материала приводит к увеличению его объема, что в замкнутом объеме сопровождается ростом давления. Например, для материала на основе кремнийорганического каучука нагревание в таких условиях приводит к росту давления 6-8 атм/град. Нагрев не должен превышать 300^оС, т.е. температуры деструкции материала. Слишком быстрый нагрев приводит к неравномерности прогрева и подгоранию эластомерного материала у нагревателя. При слишком медленном нагреве материал проникает в возможные зазоры у торцовых упоров, нарушается целостность упругого элемента. Оптимальная скорость нагрева для эластомерного материала от 3 до 15 град/мин.

Для исключения выдавливания эластомерного материала служат уплотнители 10 или 11; их свойства обеспечивают опережающее расширение и закрытие зазоров между краями торцовых упоров и стенками шпура. При выполнении устройства на фиг. 3, 6 давление эластомерного материала приводит к дальнейшей радиальной раздвижке стяжек с заострениями и образованию направленных трещин. При использовании материалов с эффектом памяти формы их нагрев до Т_м приводит к дополнительному росту давления от сокращения стяжек или роста диаметра спирали нагревателя.

При выполнении устройства на фиг. 11-14 нагрев рабочего тела в стаканах сопровождается увеличением его объема с ростом давления. Давление передается на торец упругого элемента. В зависимости от формы перегородки в стакане передача давления осуществляется с увеличением его величины или с ростом хода продольного сжатия. Таким образом, рабочее тело в стаканах обеспечивает дополнительно продольное сжатие упругого элемента с ростом давления на стенки шпура и хода раздвижки. Устройство на фиг. 14 может быть использовано для размещения в глубине шпура, когда отсутствует возможность выборки свободного зазора завинчиванием гайки 4. При достижении требуемой величины давления происходит разрушение монолита. После остывания эластомерного материала оно возвращается к исходному объему. Устройство готово к новому циклу. Замена вышедшего из строя упругого элемента или в случае необходимости изменение высоты рабочей зоны осуществляется снятием его с продольных стяжек при снятом торцовым упоре 2. Упругий элемент из эластомерного материала выдерживает 100 циклов нагреваний до предельной величины в режиме роста давления. При диаметре шпура 42 мм устройство исходным диаметром 40 мм и высотой рабочей зоны 1 м обеспечивает распорное усилие в 950 т при нагревании на 280^оС.

В глубоких шпурах устройства могут последовательно соединяться в гирлянды (посекционное размещение), при этом нагрев секций осуществляют автономно, т.е. может быть реализована любая очередность нагрева с любым режимом, целесообразная с точки зрения разрушения конкретного объекта с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.

Формула изобретения

1. Способ разрушения монолитных объектов, включающий создание в теле объекта полости, введение в полости упругого элемента и механическое сжатие упругого элемента по направлению продольной оси полости, отличающийся тем, что, с целью снижения стоимости и трудоемкости разрушения монолитных объектов, упругий элемент выполняют из эластомерного материала, механическое сжатие осуществляют до выборки свободных зазоров со стенками полости, после чего эластомерный материал нагревают до температуры, не превышающей температуру его деструкции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед введением в полость упругий элемент растягивают по направлению его последующего механического сжатия.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в полость вводят несколько упругих элементов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что упругие элементы располагают в полости последовательно.

5. Устройство для разрушения монолитных объектов, включающее продольную стяжку с торцевыми упорами, один из которых установлен с возможностью продольного перемещения, упругий элемент, расположенный между торцевыми упорами, отличающееся тем, что, с целью снижения стоимости и трудоемкости разрушения монолитных объектов, оно снабжено элементами нагрева упругого элемента, последний выполнен из эластомерного материала, а упор, установленный с возможностью продольного осевого перемещения, выполнен с элементами фиксации его положения на стяжке, причем упругий элемент расположен с зазором относительно стяжки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что упругий элемент жестко связан с торцевыми упорами.

7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что элементы нагрева расположены в упругом элементе.

8. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что элементы нагрева расположены на наружной поверхности упругого элемента.

9. Устройство по пп.5 - 8, отличающееся тем, что продольная стяжка расположена по продольной оси устройства внутри упругого элемента.

10. Устройство по пп.5 - 8, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными продольными стяжками.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что продольные стяжки расположены симметрично и параллельно относительно продольной оси устройства.

12. Устройство по пп.10 и 11, отличающееся тем, что элементы нагрева расположены в продольных стяжках.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что продольные стяжки расположены по наружной поверхности упругого элемента.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что наружные края продольных стяжек выполнены с продольными заострениями, а сами стяжки установлены с возможностью противонаправленной раздвижки от продольной оси устройства.

15. Устройство по пп.13 и 14, отличающееся тем, что элементы нагрева расположены на поверхностях упругого элемента, обращенных к стяжкам.

16. Устройство по пп.5, 7 - 15, отличающееся тем, что по крайней мере один из торцевых упоров выполнен в виде стакана, обращенного открытой стороной к другому упору и заполненного рабочим телом, увеличивающим свой объем при нагревании.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что стакан выполнен с расширением в донной части, заполненным рабочим телом, увеличивающим свой объем при нагревании.

18. Устройство по пп.16 и 17, отличающееся тем, что оно снабжено перегородкой, установленной между рабочими телами в донной и устьевой частях стакана с возможностью передачи давления из одной части стакана в другую.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что перегородка выполнена в виде мембраны.

20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что перегородка выполнена в виде поршня.

21. Устройство по пп.17 и 20, отличающееся тем, что поршень выполнен двухступенчатым, при этом меньшая ступень расположена в устьевой части, а большая - в расширении донной части стакана.

22. Устройство по пп.16 и 18, отличающееся тем, что перегородка выполнена в виде эластичной емкости, заполненной жидкостью, расположенной частично в устьевой и частично в донной частях стакана.

23. Устройство по пп.16, 21 и 22, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела в донной и устьевой частях стакана использован эластомерный материал.

24. Устройство по пп.16 - 19, 21 и 22, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела в донной части стакана использована смесь парафина и стеарина.

25. Устройство по пп.6 - 13, 15 - 24, отличающееся тем, что продольные стяжки выполнены гибкими.

26. Устройство по пп.5 - 25, отличающееся тем, что оно снабжено элементом покрытия наружной поверхности упругого элемента.

27. Устройство по п. 26, отличающееся тем, что покрытие выполнено из эластомерного материала с твердостью большей, чем у рабочего тела.

28. Устройство по пп.26 и 27, отличающееся тем, что покрытие выполнено из армированного эластомерного материала.

29. Устройство по пп. 8 и 26, отличающееся тем, что элементы нагрева расположены в элементе покрытия.

30. Устройство по пп.5 - 29, отличающееся тем, что оно снабжено уплотнителями, связанными с торцевыми упорами.

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что уплотнители выполнены в виде прокладок из эластичного материала, имеющего модуль сжатия, не превышающий модуль сжатия упругого элемента, и удельное относительное удлинение при разрыве, превышающее это удлинение упругого элемента, при этом прокладки расположены между торцевыми упорами и упругим элементом.

32. Устройство по п.30, отличающееся тем, что уплотнители установлены по периметру боковых поверхностей торцевых упоров.

33. Устройство по п. 32, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности использования устройства в шпурах различного диаметра, оно снабжено втулками-компенсаторами недостатка размеров торцевых упоров, установленных соосно с возможностью съема насаженных на торцевые упоры, и элементами продольного поджима втулок, при этом уплотнители установлены с возможностью съема между втулками и торцами упругого элемента и выполнены по наружным размерам втулок.

34. Устройство по пп.5 - 33, отличающееся тем, что продольные стяжки выполнены из материала с эффектом памяти формы, имеющего температуру мартенситного превращения ниже температуры деструкции эластомерного материала, и термоциклированы с возможностью уменьшения длины при нагревании свыше температуры мартенситного превращения, не превышающей температуры деструкции эластомерного материала.

35. Устройство по п.8, отличающееся тем, что элементы нагрева выполнены из материала с эффектом памяти формы, имеющего температуру мартенситного превращения ниже температуры деструкции эластомерного материала, в форме спирали, термоциклированной с возможностью увеличения диаметра витков при нагревании свыше температуры мартенситного превращения.

36. Устройство по п. 35, отличающееся тем, что концы спирали жестко связаны с торцевыми упорами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15