Способ разрушения горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, разборки сооружений, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня и кристаллического сырья. Способ разрушения горных пород включает бурение шпура и создание в нем на различных уровнях поперечных трещин. После этого между поперечными трещинами в заданных плоскостях, проходящих через ось шпура, формируют продольные трещины. Для формирования продольных трещин шпур сперва заполняют неньютоновской жидкостью, а затем - сыпучим материалом, и внедряют в сыпучий материал клинья, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку. При этом до формирования каждой трещины ранее созданные поперечные и продольные трещины блокируют непроницаемым твердым материалом от попадания в них из шпура неньютоновской жидкости. Способ позволяет повысить эффективность разрушения горной породы путем ее разрыва из одиночного шпура по множеству плоскостей с различной ориентацией. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, разборки сооружений, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня и кристаллического сырья.

Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ N 2079654, кл. E 21 C 37/2, опубл. в БИ N 14, 1997 г. Он включает бурение шпуров, заполнение их сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев таких размеров, чтобы разрыв горной породы проиcходил в зоне их сходящихся поверхностей.

В этом способе силовое воздействие осуществляют лишь на стенки шпуров. Поэтому размеры разрыва от каждого из шпуров, следовательно, и эффективность разрушения горной породы оказываются сравнительно небольшими.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разрушения горных пород по патенту РФ N 2131032, кл. E 21 C 37/02, опубл. в БИ N 15, 1999 г., включающий бурение шпуров, которые сперва заполняют неньютоновской жидкостью, а затем - сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку.

В этом способе из одиночного шпура разрыв горной породы осуществляют лишь в одной плоскости (формируют только одну трещину), что обуславливает его относительно низкую эффективность.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности разрушения горной породы путем ее разрыва из одного шпура по множеству плоскостей с различной ориентацией.

Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпура и формирование в нем продольных трещин, заключающееся в заполнении шпура неньютоновской жидкостью, а затем - сыпучим материалом и внедрении в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно предлагаемому техническому решению, до формирования продольных трещин в стенках шпура на различных уровнях создают поперечные трещины, а продольные трещины формируют между поперечными трещинами в заданных плоскостях, проходящих через ось шпура, при этом до формирования каждой трещины ранее созданные поперечные и продольные трещины блокируют непроницаемым твердым материалом от попадания в них из шпура неньютоновской жидкости.

Принятая совокупность признаков позволяет образовывать в стенках шпура трещину и после того, как трещины в нем уже создавались ранее. В результате, используя только один шпур, удается образовывать систему из множества трещин, которые расположены в нужных плоскостях. Это позволяет при разрушении заданного объема горной породы уменьшить количество требуемых шпуров и, тем самым, существенно сократить объем буровых работ. Кроме этого, разборка старых сооружений, например, фундаментов под массивное оборудование (прессы, котлы, прокатные станы и т. д.) в ряде случаев производится в стесненных условиях, при которых бурение множества рассредоточенных в пространстве шпуров представляет известные трудности. Следует также отметить, что при добыче ценного кристаллического сырья, содержащего, например, изумруды, за счет уменьшения количества шпуров снижается вероятность безвозвратной потери драгоценных ювелирных камней, которые разрушаются внедряющейся в горную породу буровой коронкой.

Таким образом, совокупность отмеченных признаков, обеспечивающих возможность из одного шпура образовывать трещины по множеству заданных плоскостей с различной ориентацией, в сравнении с выбранным прототипом, позволяет существенно повысить эффективность разрушения горных пород.

Целесообразно в качестве непроницаемого твердого материала использовать сыпучий материал. Заполнивший участок шпура с поперечной трещиной сыпучий материал не проникает и не дает возможность находящейся в шпуре под высоким давлением неньютоновской жидкости проникать в поперечную трещину. Это позволяет наиболее просто предотвращать развитие поперечной трещины (за счет перекрытия сыпучим материалом канала для подачи в нее неньютоновской жидкости) до образования продольной трещины требуемых размеров.

Целесообразно в качестве непроницаемого твердого материала использовать твердеющую массу. Заделка ранее созданных трещин твердеющей массой позволяет подачей в шпур неньютоновской жидкости под высоким давлением образовать в массиве горных пород продольные трещины, имеющие различную ориентацию.

Целесообразно в шпуре установить две вогнутые вдоль пластины, которые обращены навстречу друг другу вогнутыми поверхностями, после чего пространство между пластинами и стенками шпура заполнить твердеющей массой, расширяющейся при отвердении. Твердеющая масса при расширении сдавливает пластины, пытаясь их выпрямить. При этом пластины стремятся внедриться в горную породу, от чего по линии их контакта со стенками шпура возникают высокие напряжения. Поэтому при подаче между пластинами неньютоновской жидкости под большим давлением происходит разрыв горной породы в плоскости, на которой находятся линии взаимного смыкания поверхностей пластин или, точнее, их контакта со стенками шпура.

Целесообразно при этом до подачи в шпур твердеющей массы, расширяющейся при отвердении, пространство между пластинами заполнить неньютоновской жидкостью. Это предотвращает попадание между пластинами твердеющей массы и создает в неньютоновской жидкости дополнительное давление вплоть до образования в стенках шпура начальной трещины.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг. 1 показана схема образования продольной трещины в стенке шпура между двумя поперечными трещинами, разрез вдоль шпура. На фиг. 2 - то же с помощью обращенных навстречу друг другу внутренними поверхностями двух вогнутых вдоль пластин и заполнения пространства между пластинами и стенками шпура твердеющей массой, которая при отвердении расширяется, а пространства между пластинами - неньютоновской жидкостью, разрез поперек шпура.

В горной породе 1 (фиг. 1) бурят шпур 2, в стенках которого на различных уровнях создают поперечные трещины 3 и 4 нужных размеров неньютоновской жидкостью 5 известными приемами. После этого шпур 2 выше уровня первой от забоя поперечной трещины 3 заполняют сыпучим материалом 6, например, песком.

Участок шпура 2 между сыпучим материалом 6 и второй от забоя поперечной трещиной 4 заполняют сперва неньютоновской жидкостью 5, а затем - сыпучим материалом 6. В сыпучий материал 6 внедряют клин 7, установленный на торце штанги 8, и способом, принятым в качестве прототипа, между первой и второй от забоя поперечными трещинами 3 и 4 создают продольную трещину 9 (фиг. 2).

Создав трещину 9 требуемых размеров, штангу 8 извлекают из шпура 2. Затем шпур 2 заполняют сыпучим материалом (на фиг. не показано) выше уровня второй от забоя поперечной трещины 4 и между второй и третьей (на фиг. не показано) от забоя поперечными трещинами аналогичным путем создают еще одну продольную трещину. Процесс создания продольных трещин осуществляют до тех пор, пока между любыми двумя поперечными трещинами, а также между последней от забоя поперечной трещиной и свободной поверхностью не образуется по одной продольной трещине.

В подавляющем большинстве случаев требуется, чтобы соответствующие продольные трещины находились в одной плоскости. Для этого (как в прототипе) используют клин 7 с твердосплавными вставками, которые на стенках шпура 2 образуют бороздки (на фиг. не показано). Эти бороздки, образованные при первом погружении в шпур 2 клина 7, впоследствии используются в качестве концентратора напряжения и одновременно в качестве направляющих клина 7 и фронта разрыва горной породы 1, обеспечивая создаваемым продольным трещинам нужную ориентацию.

Создав по одной продольной трещине между любыми двумя поперечными трещинами и последней от забоя поперечной трещиной и свободной поверхностью, шпур 2 очищают от сыпучего материала 6 и остатков неньютоновской жидкости 5. После этого в шпуре 2 устанавливают обращенные навстречу друг другу вогнутыми поверхностями две вогнутые вдоль пластины 10 (фиг. 2), а пространство между пластинами 10 и стенками шпура 2 заполняют твердеющей массой 11, которая при отвердении расширяется (невзрывчатым разрушающим средством). Твердеющая масса 11 при отвердении за счет своего объемного расширения сдавливает пластины 10, которые, пытаясь выпрямиться, вдавливаются в стенки шпура 2, отчего по линии их контакта с горной породой 1 возникают и затем концентрируются напряжения. После этого между пластинами 10 нагнетают неньютоновскую жидкость 5 подобно тому, как это осуществляют в принятом прототипе. Шпур 2 заполняют вначале неньютоновской жидкостью (на фиг. не показано), а затем - небольшим слоем сыпучего материала. Между пластинами 10 вводят штангу с наконечником (на фиг. не показано), поперечное сечение которого имеет форму, близкую к поперечному сечению полости, образованной внутренними поверхностями пластин 10. К штанге прикладывают периодическую ударную нагрузку, отчего под действием давления вытесняемой из шпура 2 неньютоновской жидкости 5 в стенках шпура 2 возникает и начинает развиваться продольная трещина 12. Операции по заполнению пространства между пластинами 10 неньютоновской жидкостью 5 с последующим вытеснением ее в трещину 12 осуществляют многократно.

Развитие продольной трещины 12 происходит синхронно с перемещением штанги в направлении от устья к забою шпура 2. При этом ее размеры в радиальном относительно шпура 2 направлении определяются при прочих равных условиях удельным объемом нагнетаемой неньютоновской жидкости 5 (отношением объема неньютоновской жидкости 5, поданной на конкретный участок шпура 2, к длине этого участка). В свою очередь, удельный объем нагнетаемой неньютоновской жидкости 5 определяется площадью поперечного сечения полости, образованной пластинами 10, и количеством циклов заполнения этой полости неньютоновской жидкостью 5, которую вытесняют в трещину 12.

По мере роста продольной трещины 12 в радиальном относительно шпура 2 направлении неньютоновская жидкость 5 проникает вначале в поперечные трещины (3 и 4 на фиг. 1), а затем через них перетекает в ранее созданные продольные трещины 9. Давление неньютоновской жидкости 5 во всех трещинах распределяется неравномерно: с удалением от шпура 2 давление неньютоновской жидкости 5 в них убывает. Совокупность этих обстоятельств обуславливает возможность при определенных условиях развития уже не одной трещины 12, а системы поперечных и продольных трещин. Условия развития системы этих трещин определяются многими факторами, обсуждение которых выходит за пределы предлагаемого технического решения и, поэтому, здесь далее не рассматриваются. Отметим лишь, что при использовании неньютоновской жидкости 5 с высокой вязкостью, например, как у пластилина, создаваемые поперечные и продольные трещины развиваются симметрично оси шпура 2 и тогда, когда отдельные участки их границ выходят на свободную поверхность или поверхности любых других трещин. Подачу в шпур 2 и вытеснение из него неньютоновской жидкости 5 осуществляют до тех пор, пока не образуется система поперечных и продольных трещин с заданными размерами.

Для предотвращения попадания между пластинами 10 твердеющей массы 11 в ряде случаев до ее подачи в шпур 2 пространство между пластинами 10 заполняют неньютоновской жидкостью 5. При этом если твердеющая масса 11 расширяется, то в неньютоновской жидкости 5 создается дополнительное давление, способствующее возникновению в стенках шпура 2 трещины 12.

Пластины 10 для удобства установки их в шпуре 2 могут быть составными. Извлечение их из шпура (отделение от блоков) производят после разборки массива или монолитного сооружения на отдельные блоки. В ряде случаев пластины 10 считают разовыми и относят к расходным материалам.

Неньютоновская жидкость здесь используется в качестве адаптирующегося к размерам создаваемой трещины клина. Она в отличие от высокоподвижной жидкости не проникает и, следовательно, не развивает встречающиеся на пути создаваемой трещины поры и микротрещины, которые имеются в любой горной породе. Для неньютоновской жидкости, обладающей значительным сопротивлением изменению внешней формы, легче раздвигать поверхности создаваемой трещины, чем проникать в нее на большую глубину. Поэтому неньютоновская жидкость продолжает развивать трещину и тогда, когда последняя выходит на свободную поверхность. Вместе с этим неньютоновская жидкость с горной породой имеет относительно большую площадь взаимного контакта, из-за чего прикладываемая к ней сила (нагрузка) передается поверхностям трещины многократно увеличенной. Усилие, с которым неньютоновская жидкость воздействует на поверхности трещины, не может быть достигнуто существующими механизмами.

Предлагаемым способом горную породу можно разрушать из шпура с любой ориентацией. Выполнить блокировку трещины сыпучим материалом в восстающем шпуре представляет известные трудности. Поэтому в восстающих и горизонтальных шпурах блокировку трещин от попадания в них неньютоновской жидкости осуществляют твердеющей массой.

Наибольшая эффективность разрушения горной породы достигается применением всей совокупности признаков предлагаемого способа. Вместе с этим отдельные его элементы могут использоваться самостоятельно или в составе других технических решений. Например, сочетание установки в шпуре двух вогнутых вдоль пластин, которые обращены навстречу друг другу вогнутыми поверхностями, и заполнение пространства между ними и стенками шпура твердеющей массой, расширяющейся при отвердении, позволяет раскалывать негабариты на отдельные части.

Предлагаемым способом технически реализуется идея использования особенностей разрыва хрупкой среды неньютоновской жидкостью для повышения эффективности разборки массива горных пород на блоки требуемых размеров путем формирования в шпурах систем трещин с заданными параметрами. Способ может применяться на любых горных предприятиях без создания специальных технических средств.

Формула изобретения

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение шпура и формирование в нем продольных трещин, заключающееся в заполнении шпура неньютоновской жидкостью, а затем - сыпучим материалом и внедрении в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, отличающийся тем, что до формирования продольных трещин в стенках шпура на различных уровнях создают поперечные трещины, а продольные трещины формируют между поперечными трещинами в заданных плоскостях, проходящих через ось шпура, при этом до формирования каждой трещины ранее созданные поперечные и продольные трещины блокируют непроницаемым твердым материалом от попадания в них из шпура неньютоновской жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве непроницаемого твердого материала используют сыпучий материал.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве непроницаемого твердого материала используют твердеющую массу.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шпуре устанавливают две вогнутые вдоль пластины, которые обращены навстречу друг другу вогнутыми поверхностями, после чего пространство между пластинами и стенками шпура заполняют твердеющей массой, расширяющейся при твердении.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что до подачи в шпур твердеющей массы, расширяющейся при отвердении, пространство между пластинами заполняют неньютоновской жидкостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2