Способ создания щелей в горных породах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля, породы и газа, внезапными разломами почвы и т.п. Цель - повышение эффективности создания свободных от разрушенной породы щелей с учетом напряженного состояния пород. Для этого вдоль щели бурят параллельные скважины (С) на расстоянии Δ L друг от друга, равном ΔL=0,8D 2/M .(3+0,1F), м. Затем разрушают перемычки (П) между С усилием F на стенку одной С в сторону соседней, равным F≥2ΔL (NΣ NTGφ+C), н, где F - коэффициент крепости пород по классификации проф.М.М.Протодьяконова

N - коэф. концентрации напряжений в П, учитывающий изменение исходных напряжений в П в результате выбуривания компенсационной и нагружающей С 2

Σ N - исходные нормальные к плоскости предполагаемой щели напряжения, Н/м 2

φ - угол внутреннего трения пород

град

C - сцепление пород

Н/м 2

D - диаметр С, в сторону которой направлено давление, м

M - ширина разрушаемой П, м. Для разрушения П устанавливают в С 2 устройство, состоящее из трубчатого стержня 5 и расположенных на наружных его поверхностях в плоскости большей оси эллипса дополнительных элементов 6, на продольных краях которых установлены давильные пяты 7. Стержень 5 и элементы 6 выполнены из материала с эффектом памяти, термоциклированного с возможностью принятия соответственно формы поперечного сечения эллиптической и гофрированных пластин при нагревании свыше т-ры мартенситового превращения. При нагревании размещенного в стержне 5 нагревательного элемента 8 до номинальной т-ры тепловая энергия преобразуется в механическую. Стержень 5 с элементами 6 изменяют форму и размеры, за счет чего П испытывает с торца давление, под действием которого происходит ее двухплоскостной сдвиг. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК щ) Е 21 С /04

Г йв

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4155039/24-03 (22) 02.12.86 (46) 07. 08.90. Бюл. 8 29 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (72) Э.Н. Работа, А.П. Линецкий и А.И. Нимец (53) 622.232(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 954567, кл. E 21 С 37/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР и 1312166, кл. Е 21 С 37/04, 1985.. (S4) СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЩЕЛЕЙ В ГОРНЫХ. .ПОРОДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (S7) Изобретение относится к горной пром-сти и м,б. использовано для борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля, породы и газа, внезап" ными разломами почвы и т.п. Цель повышение эффективности создания свободных от разрушенной породы щелей с учетом напряженного состояния по„„SU„„1583602 А1

2 род. Для этого вдоль щели бурят параллельные скважины (С) на расстоянии

Д 1 друг от друга, равном Д1 = О,SD /

/m (3 + 0,1f), м. Затем разрушают перемычки (П) между С усилием F на стенку одной С в сторону соседней, равным

F 7 281(Nb„tg q + С), Н, где f - коэффициент крепости пород по классификации проф. М.М. Протодьяконова; N —, коэф„ концентрации напряжений в П, учитывающий изменение исходных напряжений в П в результате выбуривания компенсационной и нагружающей С 2;

6 — исходные нормальные к плоскости предполагаемой щели напряжения, Н/м2;

v - угол внутреннего трения пород, град; С вЂ” сцепление пород, Н/м2;

D — диаметр С, в сторону которой направлено давление, м; m - ширина разрушаемой П, м, Для разрушения П устанавливают -в С 2 устройство, состоящее из трубчатого стержня 5 и расположенных на наружных его поверхностях в плоскости большей оси эллип1583602

1О са дополнительных элементов 6, на продольных краях которых установлены давильные пяты 7. Стержень 5 и элементы 6 выполнены из материала с эффектом памяти, термоциклированного с возможностью принятия соответственно формы поперечного сечения эллиптической и гофрированных пластин при нагревании свыше т-ры мартенситового

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля, породы и газа, внезапными разломами почвы, для создания. разгрузочных полостей, для локализации распространения подвижных тектонических разломов и трещин, для создания буроотрывных исполнительных органов, для отделения мраморных и гранитных блоков, дробления негабарита в карьерах, для статического разрушения горных пород, а также для создания системы разрывных нарушений в нефтеносных и газоносных пластах для увеличения их деби-3О та.

Целью изобретения является повышение эффективности создания свободных от разрушенной породы щелей с учетом напряженного состояния пород, На фиг. 1 показана схема располоения скважин и система напряжений в горных породах; на фиг. 2 и 3 - устройство в скважине соответственно до и после мартенситного превращения, . gp поперечный разрез.

Способ осуществляют следующим образом.

Известными методами для пород, в которых предполагается образование искусственного нарушения (щели), устанавливают коэффициент крепости f угол внутреннего трения ы, сцепление С, исходные нормальные напряжения И

Угол внутреннего трения и сцепление горных пород определяют по их паспорту прочности перед осуществлением предлагаемого способа. Под исходными напряжениями, действующими в горном массиве, понимают нормальные к участку предполагаемого разрывного нарушения напряжения, имеющие место до бурения скважин (фиг. 1), В частпревращения. При нагревании размещенного в стержне 5 нагревательного элемента 8 до номинальной т-ры тепловая энергия преобразуется в механическую, Стержень 5 с элементами 6 изменяют форму и размеры, за счет чего П испытывает с торца давление, под действием которого происходит ее двухплоскостной сдвиг. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. ности, если в горных породах участок предполагаемого нарушения горизонтальный и планируется вдали от концентраторов напряжений (эон опорного давления, целиков и т.д.), то в качестве исходных напряжений можно принять напряжения, равные весу столба вышележащих пород 6и уН. Если же участок вертикальный, то &„= Ag H.

При наклонном участке (сои d + i1 sin 4) H, где 1 - коэффициент, учитывающий тектонические процессы нагружения пород или боковой отпор; средний объемный вес пород;

Н - глубина разработки.

Когда скважины бурят .в зоне опорного давления, то в качестве Ь„ необходимо, принимать напряжения, имеющие место в зоне опорного давления, которые определяют известными экспериментальными методами или расчетным путем.

Для выбранных значений диаметра D компенсационной скважины 1, мощности предполагаемого нарушения m и установленной крепости пород определяют ширину разрушаемой перемычки (расстояние между скважинами) д 1 из зивисимости

О 80

А1 м

m(3+0,if) полученной иэ условия очистки щели от разрушаемой породы

1 Кс 2 пер 1Гпер где V — объем компенсационной скважины;, Чщ - объем пород в перемычке, и экспериментальных данных о взаимосвязи коэффициента раэрыхления с коэффициентом крепости пород f

1583602

50 в зависимост ь е 0,006 (р + 40, С.

Усилие давильных элементов на торец перемычки на единицу длины скважины со стороны разрушаемой скважины диаметра d, необходимое для ее сдвига, определяют из условия двухплоскостного среза слоя пород мощностью

m, шириной 41, сжатого по нормали исходными напряжениями Ьд, из зависимости

F ), 241(N6„tgy+ С), Н, где q, C - соответственно угол внутреннего трения, град, и сцепление, Н/м, пород

0 5(П+Й) + 41 т

41 коэффициент, учитывающий изменение исходных напря жений в перемычке за счет выбуриваемых скважин.

НеоЬходимое нормальное напряжение

6 на торец перемычки на единицу длины скважины определяют из выражения

6 = F/m, Перед осуществлением способа на жестком стенде при помощи динамометра тарируют нагружающее устройство с давильными элементами, выполненными из сплава титана .и никеля, обладающего эффектом памяти формы и ди апазоном температуры мартенситных превращений от 40 до 70 С.

В процессе тарировки давильного элемента установлена зависимость возникающих при нагреве реактивных напряжений от температуры, исходя из кото" рой и из расчетной формулы для F устанавливают необходимую температуру нагрева давильных элементов для сдвига перемычки между скважинами шириной

dl и мощностью m двухплоскостным срезом путем подстановки значения 6 =

После установления исходных параметров компенсационные скважины 1 и разрушаемые скважины 2 (фиг. 1) бурят по оси 3 предполагаемого нару:шения 4. В разрушаемых скважинах 2 свободно размещают давильное устройство (фиг. 2) в исходном состЬянии..

Устройство включает трубчатый стержень 5 из материала с эффектом памяти, .термоциклированный с воэможностью принятия эллиптической формы поперечного сечения при нагревании свыше температуры мартенситного превращения. На наружных поверхностях стержня 5 в плоскости большей оси эллипса расположены дополнительные элементы 6 из материала с эффектом памяти формы с формой поперечного сечения в виде гофрированных пластин, термоциклированных с возможностью выпрямления при нагревании свыше температуры мартенситного превращения. На продольных краях элементов 6 установлены давильные пяты 7. В стержне установлен нагревательный элемент 8. Устройство ориентируют в скважине так (фиг. 2), чтоЬы ось, вдоль которой расположены элементы 6, была направлена по оси 3 предполагаемого нарушения 4 (плоскости воздействия устройства и перемычки должны совпадать).

При нагревании стержня и элемента

8 до номинальной температуры проис25 ходит преобразование тепловой энергии в механическую. Они изменяют в поперечном сечении форму и размеры.

За счет этого перемычка между скважинами испытывает с торца давление инЗр тенсивностью 5, под воздействием которого происходит ее двухплоскостной сдвиг.

Если намеченной программой разрушения предусмотрен только двухплос35 ocTнои сдви пород перемыЧки То давильные элементы охлаждением приводят в исходное состояние и вынимают их из скважин.

Для получения разгружающего эфир фекта производят дальнейший нагрев элементов от 60 до 70 С. На этом этапе элементы 6 распрямляются. 9 результате породы перемычки выталки: ваются в компенсационную скважину.

Новая форма стержня 5 представляет собой эллипс.

В скважине такой давильный элемент при нагреве получает возможность изменить первоначальную форму. В pegp зультате фиксированного увеличения размера давильного элемента, жесткость которого намного превосходит жесткость разрушаемых пород, породы перемычки испытывают со стороны да вильной пяты давление интенсивностью

4 . В неопасных по взрыву (газа, пыли, и т.n,) условиях в качестве нагрева теля могут Ьыть использованы электронагревательные элементы, в частности

1 i8)602 может быть применена электропроводная резина.

В условиях, опасных по взрыву (газа, пыли и др,), в качестве теплоносителей могут быть использованы геотермвльные воды, тепловые отбросы промышленных установок (нагретая вода или воздух), пар.

Нагрев осуществляют пропусканием электрического тока по электронагревательным элементам, подключенным к

1 пускателю, или путем пропускания теплоносителя внутри трубчатых давильных элементов. 15 формула изобретения

1. Способ создания щелей в горных породах, включающий бурение вдоль щели параллельных скважин и разрушение перемычек между скважинами усилием на стенку одной скважины в сторону соседней, о т л и ч а юЩ и и с я тем, что, с целью повыше- 25 ния эффективности создания свободных от разрушений породы щелей с учетом напряженного состояния пород, скважины бурят на расстоянии Д1. одно от другой ° pBBHQM 30

0 802 (З+0,11:) а величину усилия принимают равной

Г 261(N6„tgg+ С), Н, . где D — диаметр скважины, в сторону которой направлено давление, м

m — ширина разрушаемой перемычки м 40

Ф

f, - - коэффициент крепости пород по классификации проф.

M.M. Протодьяконова; — коэффициент концентрации напряжений в перемычке, учитывающий изменение исходных напряжений в перемычке в результате выбуривания компенсационной и нагружающей скважины, 0 5(D+d)+81

81 исходные нормальные к плоскости предполагаемой щели напряжения, Н/м2; угол внутреннего трения пород, град„ сцепление пород, Н/м2; диаметр скважины, из которой передается давление, м, С

2. Устройство для создания щелей в горных породах, включающее стержень из материала с эффектом памяти формы, термоциклированный с возможностью принятия эллиптической Формы поперечного сечения при нагревании свыше температуры мартенситного превращения. и нагреватель стержня, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности создания свободных от разрушенной породы щелей с учетом напряженного состояния пород, оно снабжено давильными пятами и дополнительными элементами из материала с эффектом памяти Формы, продольно установленными на наружной поверхности стержня в плоскости большей оси эллипса и связывающими давильные пяти со стержнем, при этом дополнительные элементы в поперечном сечении имеют Форму гофрированных пластин и термоциклированы с возможностью их выпрямления при нагревании свыше температуры мартенситного превращения.

1583602 в - н

Составитель О. Попов

Техред Л.Серд окова

Корректор M. Максимишинец

Редактор С. Пекарь

Заказ 223 .1 Тираж 392 Подписное

ВНЙИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðoä, ул. Гагарина,101