Способ разрушения горных пород

 

Назначение: разрушение горных пород нисходящими вертикальными и наклонными скважинами. Сущность изобретения: в стволе артиллерийского орудия, опущенного в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве, индуктором нагревают воду, удерживаемую мембраной, размещенной у дульного среза, до параметров, приближающихся к критическому состоянию воды и водяного пара, под действием давления в стволе мембрану разрушают и перегретую воду выбрасывают в скважину в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости, находящейся в скважине, в газ. Изобретение обеспечивает повышение надежности реализации способа. 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для разрушения горных пород при открытой разработке полезных ископаемых.

Известно разрушение горных пород взаимодействием в скважине криогенной жидкости-азота с нагретой водой в режиме физического взрыва, согласно которому в скважину с криогенной жидкостью опускают на глубину, превышающую длину отката при физическом взрыве, ствол артиллерийского орудия, из бака через ствол выбрасывают в скважину нагретую воду в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости в газ [1].

Недостатки прототипа: вертикальная компоновка бака с водой над артиллерийским стволом с возможностью совместного движения бака и ствола при откате, необходимость синхронного открытия шибера горячей воды и орудийного затвора и их немедленного закрытия после выброса воды усложняют конструкцию и эксплуатацию оборудования. Температура перегретой воды в прототипе ограничена 200^oC.

Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции оборудования и повышение интенсивности физического взрыва за счет повышения температуры перегретой воды. Изложенное достигается следующей совокупностью признаков: в скважину опускают ствол артиллерийского орудия, содержащий нагреваемую воду, удерживаемую мембраной, закрепленной у дульного среза, и после достижения в стволе давления водяного пара, разрушающего мембрану, в скважину выбрасывают перегретую воду.

Схема способа представлена на фиг. 1 и 2 чертежа, где приняты следующие обозначения: 1 - ствол, 2 - казенник, 3 - затвор, 4 - мембрана, 5 - уплотнительное кольцо, 6 - патрубок, 7 - индуктор, 8 - проводники индуктора к источнику тока, 9 - перегретая вода, 10 - скважина, 11 - расширение скважины около ее устья.

Вертикальная ориентация ствола потребует реконструкции его крепления на ходовой части и применения дополнительных наклонных опор, вдвигаемых при вертикальной установке ствола над скважиной и поднимаемых при транспортировании.

Орудие транспортируют к месту ведения работ при горизонтальном положении ствола. Над скважиной ствол переводят в вертикальное положение, проверяя надежность точной ориентации ствола пробным опусканием в скважину.

Средство передвижения артиллерийского орудия включает кабину оператора с пультами дистанционного управления положением артиллерийского ствола и контроля температуры перегретой воды, образуя единый агрегат, размещаемый с надежным удалением от бровки уступа при установке артиллерийского ствола над скважиной.

Между фланцами патрубка и дульного среза устанавливают ломающуюся мембрану с уплотнительным кольцом и в ствол заливают воду. Включают индукционный нагрев для предварительной подготовки воды.

Бак для жидкого азота с экранно-вакуумной теплоизоляцией, установленный с поворотным механизмом на вертикальной опоре, удерживающей ствол, или на дополнительной опоре, заполняют из автоцистерны жидким азотом. В качестве эквивалентного материала может быть использован жидкий воздух.

После нагревания воды в стволе до температуры, приближающейся к предельному значению, криогенную жидкость из бака выливают в скважину, дистанционно открывая быстродействующий клапан с шаровым затвором [2], бак поворотным механизмом с дистанционным управлением отводят от скважины в сторону на 90 или назад на 120-180^o, после чего вертикально ориентированный ствол опускают вниз, погружая в скважину патрубок на всю его длину, продолжая индукционный нагрев воды в артиллерийском стволе.

Мембрану разрушают предельным давлением пара в орудийном стволе и перегретую воду выбрасывают в скважину с криогенной жидкостью. Происходит быстрый (ударный) контакт криогенной жидкости с перегретой водой и их взаимодействие в режиме физического взрыва.

Получение перегретой воды в стволе артиллерийского орудия позволяет нагревать воду до параметров, приближающихся к ее критическому состоянию, например до 350^oC, без опасения разрушения артиллерийских стволов, рассчитанных на колоссальные давления. Увеличение градиента температур между перегретой водой и криогенной жидкостью повышает эффективность физического взрыва.

Резкий подъем давления - от 87,6 до 149,0 кгс/см² происходит при повышении температуры воды от 300 до 340^oC. Такой контрастный диапазон изменения давлений - в 1,7 раза позволит применять разрушающиеся мембраны из чугуна с грубыми допусками по толщине и прочностным характеристикам без жестких требований к их калибровке.

Пример. При калибре 210 мм и длине ствола 15 калибров объем ствола 0,109 м³; при коэффициенте заполнения 0,85 объем воды составит 93 литра. Принимая температуру воды, выбрасываемой из ствола, 320^oC, а после взаимодействия с криогенной жидкостью 2^oC, при 15% потерь при тепломассообмене, объем 93 л воды испарит 530 кг жидкого азота объемом 654 л.

При глубине скважины 20 м, диаметре 0,25 м и заполнении жидким азотом на глубину 13 м объем азота 637 л массой 516 кг. А содержимое ствола может испарить 654 л азота при 15% потерь при тепломассообмене.

Артиллерийский ствол, снабженный внешней теплоизоляцией, после первоначального индукционного нагрева целесообразно использовать для последовательного разрушения горных пород серией заранее пробуренных скважин для снижения затрат электроэнергии на индукционный нагрев и эффективного использования оборудования.

При физическом взрыве выделяются только газообразный азот и диспергированная взрывом вода, снижающая образование пыли при разрушении горных пород, отсутствуют ядовитые газы, от взрывов одиночных скважинных зарядов слабая сейсмика. Нет необходимости в отключении электроэнергии с остановкой горного оборудования. Изложенное позволит осуществить разрушение горных пород в непрерывном режиме, без прекращения всех остальных работ и без вывода людей из карьера.

Источники информации 1. Патент РФ N 2026989. МКИ E 21 C 37/00, 1995.

2. Быков А.Ф. Быстродействующие клапаны с шаровым затвором. - "Конверсия в машиностроении", 1994, N 4. - С. 49.

Формула изобретения

Способ разрушения горных пород взаимодействием в скважине криогенной жидкости-азота с нагретой водой в режиме физического взрыва, согласно которому в скважину с криогенной жидкостью посредством ствола артиллерийского орудия, который опускают в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве, выбрасывают воду в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости в газ, отличающийся тем, что в скважину опускают ствол артиллерийского орудия, содержащий нагреваемую воду, удерживаемую мембраной, закрепленной у дульного среза и после достижения в стволе давления водяного пара, разрушающего мембрану, в скважину выбрасывают перегретую воду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2