Способ образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах
Изобретение относится к горному делу и строительству, в частности к способам образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах. Способ образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах включает предварительное ослабление материала, герметизацию зоны ослабления материала и нагнетание рабочего агента под давлением в ослабленный материал. Перед ослаблением материала бурят, по меньшей мере, две скважины, по меньшей мере, до плоскости предполагаемого раскола и по периметру зоны ослабления размещают в скважинах, по меньшей мере, три нагревательных элемента. Ослабление материала осуществляют в плоскости его предполагаемого раскола локальным нагревом материала до образования трещины между смежными скважинам. Нагнетание рабочего агента под давлением осуществляют до выхода трещин на свободную поверхность. Расстояние между смежными скважинами составляет не менее 0,1 м и не более 1,2 м. Нагрев материала осуществляют до температуры не более 1200°С. В качестве рабочего агента используют газ. В качестве рабочего агента используют жидкость. В качестве рабочего агента используют перегретый пар, который получают при подаче жидкости в зону локального нагрева материала. В качестве рабочего агента используют пороховые газы. Нагрев материала осуществляют с помощью электродов, которые подключают к высокочастотному генератору. Нагрев материала осуществляют с помощью электрических нагревателей. Нагрев материала осуществляют с помощью термитной смеси. Повышается точность направления развития трещин. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к горному делу и строительству, в частности к способам образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах, и может быть использовано при проведении работ по добыче природного камня и полезных ископаемых, а также при разрушении крупных негабаритов на строительных площадках.
Известен способ направленного разрушения природного камня, согласно которому на гранях блока породы выполняют щелевые углубления в плоскости предполагаемого раскола, на дне щелей размещают нагревательные элементы и осуществляют нагрев породы (см., например, патент Российской Федерации №2065047, кл. Е 21 С 37/18, опубл. 10.08.96).
В известном способе для разрушения блока последний устанавливают с воздушным зазором относительно земли и осуществляют процесс направленного трещинообразования. К недостаткам известного способа можно отнести необходимость наличия свободных поверхностей на гранях разрушаемого блока для выполнения щелевых углублений в плоскости предполагаемого раскола, что не позволяет осуществлять работы в массиве. Кроме того, к недостаткам известного способа можно отнести невозможность ведения работ при разрушении крупногабаритных блоков, поскольку формирование и развитие трещин в блоке ограничено по глубине. Для создания трещины большой протяженности и площади необходимо использовать группу из большого количества нагревательных элементов, так как на один нагревательный элемент может приходиться не более 0,05 м2 площади образованной трещины. Использование большого числа нагревательных элементов приводит к увеличению объема подготовительных работ и существенному увеличению энергоемкости процесса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах, который включает предварительное ослабление материала, герметизацию зоны ослабления материала и нагнетание рабочего агента под давлением в ослабленный материал (см., например, патент Российской Федерации №2027853, кл. Е 21 С 37/00, опубл. 27.01.95).
Известный способ частично устраняет недостатки описанного выше технического решения, поскольку позволяет существенно снизить энергоемкость процесса образования трещины в массиве, а также позволяет получить трещину большой протяженности. К недостаткам известного способа можно отнести невозможность создания трещин в заданном направлении. Указанный недостаток обусловлен тем фактом, что предварительное ослабление материала осуществляется на довольно ограниченной площади, а именно прорезанием концентратора напряжений в стенках скважины. Наличие концентратора в виде кольцевого углубления в стенках скважины не позволяет задать необходимое направление его дальнейшего развития при нагнетании рабочего агента под давлением.
Изобретение направлено на создание такого способа образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах, который обеспечивал бы повышение точности направления развития трещин большой протяженности при одновременном снижении энергоемкости процесса и объема подготовительных работ. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в увеличении площади зоны предварительного ослабления материала при одновременном повышении точности ориентирования зоны ослабления в плоскости предполагаемого раскола.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах, который включает предварительное ослабление материала, герметизацию зоны ослабления материала и нагнетание рабочего агента под давлением в ослабленный материал, перед ослаблением материала бурят, по меньшей мере, две скважины, по меньшей мере, до плоскости предполагаемого раскола и по периметру зоны ослабления размещают в скважинах, по меньшей мере, три нагревательных элемента, а ослабление материала осуществляют в плоскости его предполагаемого раскола локальным нагревом материала до образования трещины между смежными скважинами, при этом нагнетание рабочего агента под давлением осуществляют до выхода трещин на свободную поверхность.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что расстояние между смежными скважинами составляет не менее 0,1 м и не более 1,2 м.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что нагрев материала осуществляют до температуры не более 1200°С.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что в качестве рабочего агента используют газ.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что в качестве рабочего агента используют жидкость.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что в качестве рабочего агента используют перегретый пар, который получают при подаче жидкости в зону локального нагрева материла.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что в качестве рабочего агента используют пороховые газы.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что нагрев материала осуществляют с помощью электродов, которые подключают к высокочастотному генератору.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что нагрев материала осуществляют с помощью электрических нагревателей.
Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что нагрев материала осуществляют с помощью термитной смеси.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена технологическая схема образования направленных трещин в блоке; на фиг.2 - схема размещения трех нагревательных элементов в двух скважинах; на фиг.3 - схема размещения трех нагревательных элементов в трех скважинах и на фиг.4 - схема размещения четырех нагревательных элементов в четырех скважинах.
Согласно способу образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах со свободной поверхности бурят, по меньшей мере, две скважины 1. Бурение скважин 1 осуществляют с помощью любого известного устройства, например бурового станка. Бурение скважин 1 осуществляют, по меньшей мере, до плоскости 2 предполагаемого раскола. Затем в скважинах 1 размещают, по меньшей мере, три нагревательных элемента 3, каждый из которых располагают в соответствующей скважине 1 по периметру зоны 4 ослабления. При этом направление бурения скважин 1 выбирают таким образом, чтобы они в плоскости 2 предполагаемого раскола располагались на определенном расстоянии (А) друг от друга, то есть по периметру зоны 4 ослабления, которая имеет форму плоской фигуры. В зависимости от механических свойств материала выбирают форму зоны 4 ослабления, которая может иметь форму, например, треугольника, многоугольника или круга. Количество нагревательных элементов 3 выбирают в зависимости от выбранной формы зоны 4 ослабления. По этой причине минимальное количество нагревательных элементов 3 равно трем, то есть они располагаются в вершинах равностороннего треугольника, определяющего форму зоны 4 ослабления (фиг.3). Если выбрана форма зоны 4 ослабления в виде квадрата (фиг.4), то количество нагревательных элементов 3 равно четырем, и они располагаются в вершинах квадрата, определяющего форму зоны 4 ослабления. При этом следует отметить, что минимальное количество скважин 1, необходимых для размещения нагревательных элементов 3, определяют из условия возможности размещения в скважине 1 двух нагревательных элементов 3, что возможно при бурении скважины 1, продольная ось симметрии которой расположена в плоскости 2 предполагаемого раскола (фиг.2). Затем осуществляют ослабление материала в плоскости 2 его предполагаемого раскола локальным нагревом материала до образования трещины 5 между смежными скважинами 1. При этом в объеме обрабатываемого материала с помощью тепла, выделяемого нагревательными элементами 3, формируется температурное поле, которое вызывает температурные напряжения, достигающие критических величин. При достижении в материале температурных напряжений критической величины в нем образуются трещины 5 между смежными скважинами 1. Поскольку нагревательные элементы 3 размещены в плоскости 2 предполагаемого раскола, то и образующиеся между смежными скважинами 1 трещины 4 также будут расположены в плоскости 2 предполагаемого раскола.
Таким образом, в плоскости 2 предполагаемого раскола образуется зона 4 ослабления, которая представляет собой систему трещин 5, соединяющих между собой смежные скважины 1. В случае размещения в одной скважине 1 одновременно двух нагревательных элементов 3 (фиг.2) функции трещины 5 между ними будет выполнять непосредственно сама скважина 1, в которой они расположены. Зона 4 ослабления в любом случае представляет собой плоскую фигуру, расположенную в плоскости 2 предполагаемого раскола. После образования в материале зоны 4 ослабления нагревательные элементы 3 могут быть удалены из скважины. Затем осуществляют герметизацию скважин 1 любым известным способом, например цементацией устья скважины 1 или установкой в скважине 1 пакера (на чертежах не изображен). После изоляции полости зоны 4 ослабления от внешней среды осуществляют нагнетание рабочего агента под давлением в ослабленный материал, то есть в систему трещин 5, формирующих зону 4 ослабления материала. Для этого в одну или несколько скважин 1 с помощью соответствующего источника давления, расположенного на поверхности, подают рабочий агент. Рабочий агент под давлением заполняет трещины 5, формирующие зону 4 ослабления, и осуществляет их дальнейшее развитие в материале. При этом следует отметить, что дальнейшее развитие трещин 5 из зоны 4 ослабления будет происходить в плоскости 2 предполагаемого раскола, поскольку изначально сеть трещин 5 была образована в плоскости 2 предполагаемого раскола. Нагнетание рабочего агента под давлением в зону 4 ослабления осуществляют до выхода трещин 5 на свободную поверхность. Указанный момент может быть определен визуально или по падению величины давления рабочего агента в ослабленном материале. Для этого в загерметизированной полости одной из скважин 1 может быть установлен, например, манометр, показания которого служат основанием для определения момента выхода трещин 5 на свободную поверхность.
Предпочтительно, чтобы расстояние (А) между смежными скважинами 1 составляло не менее 0,1 м и не более 1,2 м. Указанное соотношение определяет условие образования трещины 5 между смежными скважинами и зависит от механических свойств материала с учетом диаметра буримых скважин 1. Указанный диапазон получен эмпирическим путем.
Для обеспечения достижения температурных напряжений в материале критических величин, обеспечивающих формирование трещин 5, целесообразно нагрев материала осуществлять до температуры не более 1200°С. При превышении указанного температурного предела возможно плавление материала, что приведет к невозможности образования трещин 5 между смежными скважинами 1.
В качестве рабочего агента может быть использован газ, например воздух. При этом нагнетание газа под давлением в ослабленный материал может быть осуществлено с помощью компрессорной установки или с помощью баллонов для хранения газа под давлением.
По одному из вариантов заявленной технологии в качестве рабочего агента используют жидкость, например воду. При этом нагнетание жидкости под давлением в ослабленный материал может быть осуществлено с помощью насосной установки, которая установлена на поверхности.
По другому варианту реализации заявленной технологии в качестве рабочего агента используют перегретый пар, который получают при подаче жидкости в зону локального нагрева материала. Поскольку при образовании зоны 4 ослабления происходит нагрев материала до высокой температуры, то после формирования зоны 4 ослабления с помощью форсунок (на чертежах не изображены) в нее подают с поверхности воду. Вода попадает на нагретый материал и испаряется с образованием перегретого пара. Поскольку парообразование осуществляется в замкнутом пространстве загерметизированной зоны 4 ослабления, то образовавшийся перегретый пар имеет достаточное давление для расширения зоны 4 ослабления материала. Указанный вариант реализации предложенной технологии позволяет существенно снизить энергоемкость процесса за счет использования энергии тепла, расходуемого на формирование зоны 4 ослабления в материале.
В качестве рабочего агента могут быть использованы пороховые газы. При этом в скважинах 1 размещают заряды дымного пороха (на чертежах не изображены), которые инициируют после формирования зоны 4 ослабления в материале. Газы, образующиеся при горении пороха в замкнутом пространстве за герметизированной зоны 4 ослабления, имеют достаточно высокое давление для осуществления дальнейшего расширения зоны 4 ослабления материала.
По одному из вариантов реализации предложенной технологии нагрев материала при формировании зоны 4 ослабления может быть осуществлен с помощью размещаемых в скважинах 1 электродов (на чертежах не изображены), которые подключают к высокочастотному генератору, расположенному на поверхности. В качестве электродов могут быть использованы электроды любой известной конструкции. В результате воздействия высокочастотного поля в объеме обрабатываемого материала формируется температурное поле, которое вызывает температурные напряжения, достигающие критических величин в зоне 4 ослабления, и образование трещин 5 между смежными скважинами 1.
Другой вариант реализации заявленной технологии предусматривает осуществление нагрева материала с помощью устанавливаемых в скважинах 1 электрических нагревателей (на чертежах не изображены), которые подключены к источнику переменного тока, расположенному на поверхности. В качестве нагревателей могут быть использованы, например, пластины или спирали из тугоплавкого металла. При прохождении электрического тока через нагреватели они нагреваются. Выделяемое нагревателями тепло воздействует на материал в зоне 4 ослабления и приводит к образованию трещин 5 между смежными скважинами 1.
Нагрев материала в зоне 4 ослабления может быть осуществлен с помощью термитной смеси, которую размещают в скважинах 1. В качестве термитной смеси может быть использована любая известная смесь веществ, которая при сгорании выделяет значительное количество тепла, например, порошков металлического алюминия и окислов некоторых металлов (железа, никеля и других). При дистанционном поджигании заряда с термитной смесью в скважине 1 выделяется тепловая энергия, которая воздействует на материал в зоне 4 ослабления. В материале под действием тепла возникают температурные напряжения, которые приводят к образованию трещин 5 между смежными скважинами 1.
Пример реализации способа образования протяженного развития направленных трещин.
С помощью установленного на поверхности бурового станка в базальте бурят четыре скважины 1 диаметром 0,2 м до плоскости 2 предполагаемого раскола материала. Направление бурения скважин 1 задают таким образом, чтобы в плоскости 2 предполагаемого раскола базальта скважины 1 располагались в вершинах квадрата. Расстояние (А) между смежными скважинами 1 должно составлять не более 0,5 м. Затем на дне каждой скважине 1 размещают нагревательный элемент 3 в виде электрического нагревателя и соединяют каждый нагревательный элемент 3 с помощью кабеля с расположенным на поверхности источником электрического тока. К нагревательным элементам 3 подводят электрический ток. При прохождении электрического тока через нагревательные элементы 3 они нагреваются. Выделяемая при нагреве нагревательных элементов 3 тепловая энергия передается в окружающий скважины 1 базальт. В базальте формируются температурные напряжения, которые достигают критических величин и приводят к образованию трещин 5 между смежными скважинами 1, то есть к образованию зоны 4 ослабления в базальте. Затем образовавшуюся в материале зону 4 ослабления герметизируют. Для этого в каждой скважине 1 размещают пакер. Перед герметизацией зоны 4 ослабления в каждой скважине 1 размещают шланг (на чертежах не изображен), один конец которого располагают в зоне 4 ослабления, а другой - на поверхности. После герметизации зоны 4 ослабления расположенный на поверхности конец одного из шлангов присоединяют к манометру, а расположенные на поверхности концы остальных трех шлангов присоединяют через вентиль к баллонам со сжатым воздухом. Затем открывают вентиль и воздух из баллонов под давлением 6,0 МПа по шлагам поступает в зону 4 ослабления. Под давлением поступающего воздуха происходит дальнейшее развитие трещин 5 в базальте. При этом давление воздуха в зоне 4 ослабления контролируют с помощью манометра. Когда давление в зоне 4 ослабления резко снизится, определится момент выхода трещин 5 на свободную поверхность. После этого вентиль перекрывают и прекращают подачу воздуха в зону 4 ослабления из баллонов.
Следует отметить, что дальнейшее развитие трещин 5 из зоны 4 ослабления, которая имеет форму плоской фигуры, расположенной в плоскости 2 предполагаемого раскола, также происходит в плоскости 2 предполагаемого раскола, что позволяет отделять от материала блоки заранее заданных размеров. Заявленная технология может быть использована практически при работе с любыми минеральными или искусственными материалами. Наиболее предпочтительно использование изобретения при образовании протяженного развития трещин в твердых материалах, например, в гранитах, базальтах, габбро, бетонах и рудных телах.
1. Способ образования протяженного развития направленных трещин в минеральных и искусственных материалах, включающий предварительное ослабление материала, герметизацию зоны ослабления материала и нагнетание рабочего агента под давлением в ослабленный материал, отличающийся тем, что перед ослаблением материала бурят, по меньшей мере, две скважины, по меньшей мере, до плоскости предполагаемого раскола и по периметру зоны ослабления размещают в скважинах, по меньшей мере, три нагревательных элемента, а ослабление материала осуществляют в плоскости его предполагаемого раскола локальным нагревом материала до образования трещины между смежными скважинами, при этом нагнетание рабочего агента под давлением осуществляют до выхода трещин на свободную поверхность.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние между смежными скважинами составляет не менее 0,1 м и не более 1,2 м.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют до температуры не более 1200°С.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего агента используют газ.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего агента используют жидкость.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего агента используют перегретый пар, который получают при подаче жидкости в зону локального нагрева материала.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего агента используют пороховые газы.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют с помощью электродов, которые подключают к высокочастотному генератору.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют с помощью электрических нагревателей.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют с помощью термитной смеси.
