Способ разрушения горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, отбойки блоков от массивов, добычи строительного камня. Оно позволяет улучшить качество поверхностей разрывов и повысить производительность. Для этого в горной породе бурят шпуры, которые заполняют сыпучим материалом или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим. В сыпучий материал внедряют клинья, от чего горная порода раскалывается. При этом одновременно с внедрением клиньев в сыпучий материал в стенках шпуров в плоскости предполагаемого разрыва горной породы прорезают бороздки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня.

Известен способ разрушения горных пород, включающий бурение шпура, установку в его устье двух щек, которые раздвигают путем вбивания между ними клина (авторское свидетельство СССР N 568721, кл. E 21 C 37/02).

В этом способе воздействие на горную породу осуществляется в устье шпура. Поэтому по мере развития возникшей в начальный момент трещины ее фронт удаляется от места приложения сил, от чего возникают изгибающие силы, которые искривляют плоскость разрыва. При этом получаемые блоки оказываются неправильной формы, а их поверхности неровными.

В качестве прототипа принят способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, размещение в шпурах клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку с интервалом между каждым предыдущим и последующим нагружением, равным 0,4 2 ч. (авторское свидетельство СССР N 1270325 кл. E 21 C 37/02).

В этом способе силы действуют на горную породу в отдельных точках, в которых концентрируются высокие напряжения, способные образовывать микротрещины произвольной ориентации, что влияет на характер разрушения и качество получаемых поверхностей. Для недопущения запредельных напряжений в нем, используя эффект релаксации напряжений во времени, делают большие перерывы между нагружениями, что существенно снижает производительность.

Техническая задача, решаемая в предполагаемом изобретении, заключается в улучшении качества поверхностей разрыва за счет снижения изгибающих сил и концентрации напряжений в отдельных точках, а также в повышении производительности путем сокращения длительности процесса разрушения.

Поставленная задача решается тем, что согласно прототипу, включающему бурение шпуров и размещение в них клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, после бурения шпуры заполняют сыпучим или монолитным материалов, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, в который внедряют клинья таких размеров, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне их сходящихся поверхностей. При этом одновременно с внедрением клиньев в сыпучий материал в стенках шпуров в плоскости предлагаемого разрыва горной породы прорезают бороздки.

Для нисходящих шпуров в качестве твердого вещества используют сыпучий материал, который под действием внедряющихся клиньев первоначально уплотняется, заполняя все неровности на поверхности горной породы, а затем спрессовывается, образуя в зоне нахождения клиньев как бы накладки, но отличающиеся от известных тем, что их внешние поверхности полностью повторяют поверхности шпуров. Поэтому контактных точечных напряжений в горной породе не возникает и микротрещин не образуется. Не возникают точечные напряжения и на поверхностях клиньев, что существенно снижает требования к прочности (твердости) материала, из которого их изготавливают.

Подача сыпучего материала в горизонтальные и восстающие шпуры представляет известные трудности, избежать которые можно использованием стержней из монолитного материала, становящегося под действием механической нагрузки сыпучим.

Для снижения усилий разрыва горной породы и исключения возможности вращения клиньев при внедрении в сыпучий материал в стенках шпуров прорезают бороздки, которые используются одновременно и как концентраторы напряжения и как направляющие для перемещения клиньев.

Благодаря выбору клиньев таких размеров, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне их сходящихся поверхностей, места приложения растягивающих сил перемещаются синхронно с перемещением фронта трещины, от чего не возникают изгибающие силы и не происходит искривления поверхности разрыва.

В предлагаемом способе не возникают точечные напряжения, микротрещины и изгибающие с илы. Тратить время на релаксацию напряжений в горной породе не нужно. Для его применения создавать новые технические средства не требуется. В простейшем варианте он может быть реализован с помощью песка, клина и кувалды. Таким образом предлагаемый способ улучшает качество поверхностей разрыва и повышает производительность.

На фиг. 1 показана схема разрушения горной породы путем заполнения шпура сыпучим материалом, в который внедряют клин; на фиг. 2 схема разрушения горной породы путем подачи в шпур стержня из монолитного материала, который под действием нагрузки со стороны внедряющегося клина становится сыпучим; на фиг. 3 схема прорезания в шпуре бороздок.

В горной породе 1 (фиг. 1) бурят шпур 2, в который заполняют сыпучим материалом 3, например, песком. В сыпучий материал внедряют клин 4, от чего происходит разрыв горной породы 1. Для упрощения технических средств реализации способа и снижения энергозатрат клин 4 внедряют в сыпучий материал в импульсном режиме с помощью, например, пневмоударника 5.

Если шпур восстающий либо горизонтальный (фиг. 2), то в него подают стержень 6 из монолитного материала, который под действием механической нагрузки со стороны внедряющегося клина 4 становится сыпучим. Дальнейшее внедрение клина 4 приводит к разрыву горной породы 1.

При необходимости уменьшения усилия разрыва горной породы и устранения возможности вращения клина 4 на его боковых поверхностях (фиг.3) устанавливают твердосплавные вставки 7, которые в шпуре образуют бороздки 8, являющиеся одновременно и концентраторами напряжений и направляющими для перемещения клина.

Отметим, что часто, например, при необходимости отделения от массива либо раскалывания на отдельные части блока камня, требуется создать трещину, которая выходила бы за пределы шпура. Для этой цели клин 4 оканчивается конусом 9, который на последней стадии разрыва горной породы 1 входит в шпур 2 и увеличивает трещину до нужных размеров.

Способ основан на использовании сочетания принципов технологии холодной штамповки изделий из порошкообразных (сыпучих) материалов и буроклиновых методов разрушения горных пород. Под действием давления клина сыпучий материал становится монолитным. Его внешняя поверхность совпадает с поверхностью шпура, от чего в горной породе точечных контактных напряжений не возникает и при дальнейшем повышении давления локальных микротрещин с произвольной ориентацией не образуется. В отличие от жидкостей и эластичных веществ, способных передавать лишь гидростатическое давление, поданный в шпур сыпучий материал передает направление сил, действующих со стороны клина. Поэтому разрыв горной породы с использованием даже одного шпура оказывается ориентированным.

Известные буроклиновые способы разрушения основаны на разрыве горной породы распирающими силами, возникающими в результате продольного перемещения клиньев относительно накладок. Вначале трещины появляются в местах контакта накладок со стенками шпуров. Затем по мере роста трещин их фронты удаляются от накладок т.е. от мест приложения сил. При этом возникают моменты сил или изгибающие силы, стремящиеся искривить плоскость разрыва. Поэтому зона, в пределах которой можно получить относительно ровную поверхность с применением одного клина, весьма ограничена. В предлагаемом способе размеры клина подбираются таким образом, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне его сходящихся поверхностей. В этом случае клин следует за фронтом разрыва и существенных изгибающих сил не возникает. Поверхность разрыва получается ровной вдоль всего пути следования клина. Такой характер разрыва возможен благодаря тому, что при перемещении клина его сходящиеся поверхности, уплотняя материал в шпуре, все время как бы создают новые накладки, которые и разрывают горную породу.

Заполнение горизонтальных или восстающих шпуров сыпучим материалом представляет известные трудности. Поэтому в них подают стержни из монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим. Таким материалом может быть песок, сцементированный небольшим количеством алебастры. С одного торца каждого стержня выполняют углубление, совпадающее по форме с применяемым клином. Под действием клиньев стержни рассыпаются и шпуры оказываются заполненными сыпучим материалом.

Практически стержни изготавливают путем заливки твердеющего водного раствора песка и алебастры в специальные формы, в которых предварительно устанавливают клинья. Затем, выполненные таким образом стержни вместе с клиньями подают в шпуры. Подобная технология существенно повышает производительность, например, при добыче строительного камня, ибо позволяет до минимума снизить трудоемкость в натурных условиях, сравнительно просто механизировать и автоматизировать отдельные операции (изготовление стержней с внедренными в них клиньями), выполнять значительный объем работы в закрытом помещении, что особенно важно при отрицательном внешней температуре. Отметим, что для предприятий, где процесс ориентированного разрушения горных пород является основным, например, карьеров по добычи строительного камня, использование стержней из монолитного материала, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, является предпочтительным при любом расположении шпуров. Однако, когда работы по разрушению являются кратковременными, например, при дроблении негабаритов, безвзрывной разборке сооружений и фундаментов, проще засыпать шпуры сыпучим материалом, ибо тогда не требуется организовывать участок по изготовлению стержней.

Известно, что нанесение на поверхность шпуров бороздок существенно снижает усилия разрыва горной породы. В предлагаемом способе бороздки в горной породе образуются одновременно с внедрением в поданный в шпуры материал клиньев за счет установки на последних твердосплавных вставок. При этом дополнительных технологических операций выполнять не нужно. Кроме того бороздки здесь имеют еще одно название. Они являются направляющими для клиньев, исключающими возможность вращения последних в шпурах.

Предлагаемым способом технически реализуется идея направленного разрушения прочих горных пород (гранит, сиенит, диабаз) путем создания специальных участков, в которых относительно легко внедряются клинья, обеспечивающие необходимые распорные усилия в заданном направлении. При этом в горной породе не возникают точечные контактные напряжения, приводящие к появлению микротрещин с произвольной ориентацией, и изгибающие силы, искривляющие поверхность разрыва. Способ может применяться на любых горных предприятиях без создания специальных технологических средств.

Формула изобретения

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, размещение в них клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, отличающийся тем, что после бурения шпуры заполняют сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, в который внедряют клинья таких размеров, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне их сходящихся поверхностей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с внедрением клиньев в сыпучий материал в стенках шпуров в плоскости предполагаемого разрыва горной породы прорезают бороздки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3