Способ термомеханического разрушения горных пород

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ц64984О

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05.10.77 (21) 2533685/22-03 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 28.02.79. Бюллетень № 8 (45) Дата опубликования описания 28,02.79 (51) М. Кл

E 21С 21/00

E 21С 37/18

Е 21С 3/00

Государственный комитет (53) УДК 622.243.94 (088.8) ло делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения В. В. Кузнецов, Н. В. Нестеров, Ю. И. Протасов и Г. А. Вартанов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ

ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к способу термомеханического разрушения горных пород и может оыть использовано для отоойки породы от массива путем комбинированного воздействия на него электрическим током или электромагнитным излучением и ударными нагрузками, Известен способ термического разрушения горных пород электромагнитным излучением, которые генерируют от источника и направляют в глубину породы, при этом для уменьшения энергоемкости разрушения породу сначала оолу чают электромагнитными волнами одной частоты до образования в глубине ее электромагнитного поля напряженностью около 30 — 200 кВ/см-, а затем облучают электромагнитными волнами с частотой в один или несколько порядков выше частоты первоначального облучения (11.

Благодаря такому попеременному воздействию на породу электромагнитных излучений различной частоты удается создать в массиве нагретые участки и добиться их сравнительно быстрого разрушения.

Однако энергоемкость процесса разрушения при этом остается сравнительно высокой, а эффективность отбойки незначительной.

Наиболее близким техническим решением нз известных является способ термомеханического разрушения горных пород, прп котором в глу бине породы создают нагретые участки и воздействуют на породу удар5 ными нагрузками (2J

При этом спосоое нагретые участки создают с помощью нагревателей и сообщают породе ударные нагрузки с частотой ударов от 1 до 10 — 25 в секунду. Но при этом

10 не удается совместить возникающие в массиве породы механические и термические напряжения из-за малой частоты ударов.

Создаваемые упругие волны успевают затухнуть за время между ударами и каждый

15 удар производит независимое от других воздействие на породу. В результате ударное и тепловое воздействие на массив породы производится раздельно, причем значительная часть энергии упругой деформа20 ции породы рассеивается по массиву, что обуславливает сравнительно высокую энергоемкость разрушения и невысокую производительность отбойки.

Цель изобретения заключается в том, 25 чтобы уменьшить энергоемкость процесса разрушения.

Это достигается. благодаря тому, что в процессе разрушения определяют частоту колебаний на поверхности породы от удар30 ных нагрузок и частоту их воздействия ус3 танавливают равной частоте колебаний поверхности породы для образования в неи стоячих упругих волн, а затем совмещают узлы стоячих волн с центром нагретых участков породы.

«1астоту ударного воздействия выбирают в пределах, определяемых соотношением ! == (0,7 — 1,0)

649840

4 с

/ = (0,7 — 1,0)—

2 где С вЂ” скорость звука в породе, км/с;

l — расстояние от центра нагретого участка (канала пробоя) до поверхности породы, м.

НапрЛмер, для гранитов С=4,58 км/с при

l=— - 0,5 м имеем

j = (0,7 — 1,0) —, где С вЂ” скорость звука в породе, км/с;

l — расстояние между нагретым участком и поверхностью породы, м.

При таком выполнении способа происходит совмещение в породе максимума механических напряжений, создаваемых упругой волной, с максимумом термических напряжений, так как здесь бегущая упругая волна отражается от нагретого участка и наносит как бы удар по нему. Периодическое повторение этих ударов в случае, если их частота равна частоте колебаний поверхности массива и удовлетворяет указанной выше формуле, приводит к тому, что в породе совмещаются термические и упругие напряжения и нагретый участок входит в резонанс. Это обуславливает снижение энергоемкости разрушения, так как рассеяние волн при этом незначительно.

На чертеже показана принципиальная схема осуществления предлагаемого способа.

Для реализации способа используют устройство, включающее высоковольтный трансформатор 1, подключенные к нему электроды 2, которые устанавливаются на поверхности массива породы 3 или заглубляются в него, и ударный механизм 4. В качестве ударного механизма может быть использован перфоратор известной конструкции, электро- или гидроударник. Ударный механизм 4 снабжен частотомером 5.

В непосредственной близости от ударного механизма 4 устанавливают датчик б, регистрирующий колебания поверхности породы 3.

Способ разрушения горной породы осуществляется в следующем порядке, В начале путем подачи тока на электроды

2 от трансформатора 1 в массиве породы 3 создают канал 7 пробоя на расстоянии от его поверхности, в который затем вводят энергию от трансформатора 1. Энергия электрического тока, выделяясь в канале 7, отводится от него в окружающую породу за счет ее теплопроводности и в ней таким образом создается нагретый участок 8. Так как в нагретом участке 8 температура повышена, то в ием появляются термонапряжения и микротрещины.

После образования нагретого участка 8 породу подвергают воздействию ударных нагрузок с помощью механизма 4. При этом вначале рассчитывают частоту j ударного воздействия по формуле

c)0

25 зо

00! = (0,7 — 1,0) = 3,2 — 5,0 кГц.

2 0.5

Затем устанавливают ио частотомеру 5 рабочую частоту ударов механизму 4 в рассчитанных пределах и воздействуют им на породу. 11ри этом производят изменение частоты работы ударного механизма 4 до тех пор, пока она не совпадет с частотой колебания поверхности массива 3, регистрируемой датчиком 6. От каждого удара ооразуется продольная упругая волна, которая доходит до нагретого участка 8.

Часть энергии волны отражается от нагретого участка 8, а часть передается ему, что увеличивает суммарную величину напряжений в нем. Отраженная волна встречается с волной, созданной последующим ударом и накладывается на нее, так как частота выбрана таким образом, чтобы происходило наложение волн. Участок породы от поверхности массива до нагретого участка 8 как бы входит в резонанс и при равенстве введенной энергии разрушения откалывается.

Максимум механических напряжений создастся в узлах (точках «крепления») резонирующего участка, т. е. в точках, где максимальны термонапряжения и происходит их сложение. Вследствие этого происходят достижение условия разрушения и снижение энергетических потерь на рассеяние энергии волны по массиву и общей энергоемкости разрушения, которые, как показывают эксперименты, достигают 30%, Формула изобретения

i. Способ термомеханического разрушения горных пород, при котором в глубине породы создают нагретые участки и воздействуют на породу ударными нагрузками, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости разрушения, определяют частоту колебаний на поверхности породы от ударных нагрузок и частоту их воздействия устанавливают равной частоте колебаний поверхности породы для образования в ней стоячих упругих волн, а затем совмещают узлы стоячих волн с центром нагретых участков породы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту ударного воздействия выбирают в пределах, определяемых соотношением

649840

Составитель В. Махаева

Тскред г1. Строганова

Редактор 3. Ходакова

Корректор О. Тюрина

Заказ 80/13 Изд. № 189 Тираж 657 Подписное

1-1ПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, %-35, Раушскан наб., д. 4,5

Типографии, пр. Сапунова, 2

5 где С вЂ” скорость звука в породе, км/с;

1 — расстояние между нагретым участком и поверхностью породы, м.

Источники информации; принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 581275, кл. Е 21С 37/18, 1976.

2. Патент США № 3826537, кл. 299-14, 5 опубли к. 1974.