Способ гидроимпульсного разрушения горных пород

 

Изобретение относится к горному делу, может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых и служит для экономии энергии ультразвука при совместном воздействии на горную породу гидравлической струей и ультразвуком. Генерирование ультразвука осуществляют в импульсном режиме, при этом длительность импульса ультразвука находят как функцию длины и скорости струи жидкости в импульсе , а также расстояния между насадкой гидромонитора и забоем.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 С 25/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОЧСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4885659/03 (22) 22,10.90 (46) 15.04.93. Бюл. ¹ 14 (?1) Военизированные горноспасательные части Донбасса (72) Г.Ю. Валуконис, M.Ã. Левертов, Б.С. Любарский и О.И, Малофеева (56) Авторское свидетельство СССР

N 1380347, кл. Е 21 С 45/00, 1986. (54) СПОСОБ ГИДРОИМПУЛЪСНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых, Цель изобретения — экономия энергии ультразвука, что в целом повышает КПД импульсных гидромониторных установок, Для понимания сущности заявляемого технического решения необходимо рассмотреть некоторые особенности ультразвуковых колебаний, а также вызываемые ими физические эффекты.

Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны с частотами приблизительноот1,5 — 2.0 10. Гцдо10 Гц. Область частот ультразвука подразделяют на три подобласти: Ультразвук низких частот(УНЧ) — 1,5 10 — 10 Гц; ультразвук средних частот

4 (УСЧ) — 10 —; ультразвук высоких час5 7 тот (УЗВЧ) — 10 -10 Гц. По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука, По этой же причине граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, . - Ж 1809036 Al (57) Изобретение относится к горному делу, может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых и служит для экономии энергии ультразвука при совместном воздействии на горную породу гидравлической струей и ультразвуком.

Генерирование ультразвука осуществляют в импульсном режиме, при этом длительность импульса ультразвука находят как функцию длины и скорости струи жидкости в импульсе, а также расстояния между насадкой гидромонитора и забоем.

Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеется место ряд особенностей распространения, имеющих важное значение для решаемой технической задачи.

Первая особенность заключается в том, что, например, для УЗВЧ длины волн составляют в возрухе 3,4 10 — 3,4 10 см, в воде 1,5 10 — 1,5 10 см и в стали

5 10 — 5 10 см.

Другая особенность состоит в том, что ультразвук в газах и, в частности, в воздухе, распространяется с большим затуханием. В противоположность газам жидкости итвердые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в

1000 раз меньше, чем в воздухе.

Следующая важная особенность ультразвука — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т,е. при данной амплитуде плотность потока энер1809036 гии пропорциональна квадрату частоты.

При этом ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, в частности, распространению ультразвуковых волн в жидкостях сопутствует движение среды (акустическое течение), скорость которого зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; она составляет доли процента от скорости ультразвука.

К числу важнейших явлений относится также кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков иэ имеющихся субмикроскопических зародышей пара или газа в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной (части) фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка многих сотен и тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см . г

Интенсивность потока энергии ультразвука, получаемой в современных мощных излучателях, значительно выше и может достигать (в масле и воде) 30 Вт/см, что в

3 10 раза больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании (10 Вт/см ), В настоящее время разработаны еще более мощные излучатели.

Генерацию ультразвука можно осуществить используя явление магнитострикции. У ферромагнитных материалов (никель, железо и др,) под действием магнитного поля происходит незначительное изменение линейных размеров. Так, например, никелевый стержень, помещенный в переменное магнитное поле, совершает дополнительные колебания с соответствующей частотой (до 50 кГц). Амплитуда колебаний максимальна в случае резонанса, Электрические методы генерации ультразвука основаны на явлении электрострикации (обратный пьезоэлектрический эффект). Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение высокой частоты, то пластина будет совершать колебания соответствующей частоты, особенно интенсивные в резонансе. Таким способом можно получать частоты до 10 кГц. Последнее вре4 мя вместо кварца успешно применяют титанат бария.

При включении монитора образуется струя жидкости, скорость которой, даже при давлении 20-50 МПа и выше не превышает нескольких десятков метров в секунду, Скорость ультразвука в воздухе при

Т=О С равна 331,8 м/с, а в обычных услови5 ях — примерно 340 м/с. В воде скорость ультразвука существенно выше: при

Т=273 К 1407, при T=293 К 1484 и при Т-303

К 1510 м/с. Еще выше она в металлах и для температурного интервала 17 — 25 С состав"0 ляет: в стали 5900 — 6100, латуни — 4280 4700, железе — 5930 м/с. Поэтому волны ультразвука иэ генератора по его стволу, насадке и струе жидкости практически мгновенно передаются на разрушаемый массив.

Поскольку ультразвуковые волны обладают малой длиной волны, они как и свет, могут образовывать строго направленные пучки. Для них также справедливы, законы отражения и преломления. Поэтому с по20 мощью вогнутого зеркального рефлектора или линзы ультразвуковые волны можно направить в строго определенном направлении — сфокусировать вдоль оси ствола и струи. При этом ультразвук почти не дифрагирует и распространяется прямолинейно.

Ослабление звуковой волны в воде незначительно и даже.для расстояния в несколько десятков метров им можно пренебречь. Струя гидромонитора действу30 ет как своеобразный трубопровод, передающий энергию ультразвука на забой разрушаемого массива, Повышение эффективности воздействия струи на разрушаемый материал дости35 гается за счет того, что одновременно действует гидродинамическая сила и концентрированная энергия ультразвука, интенсивность которой, как указывалось, достигает 30 Вт/см и выше. При этом упру40 гие колебания высокой энергии образуют трещины в массиве, что облегчает его раскалывание струей воды. Во-вторых, в струе жидкости возникает акустическое течение того же направления, Оценим величину этого

45 эффекта, Допустим, скорость струи 15 м/с, а скорость акустического движения струи всего

0,2% от скорости ультразвука, что для воды с температурой 303 К составит (1510.0,2):100=3,02 м/с. Таким образом, суммарная скорость струи повышается до

15+3=18 м/с, Давление струи на преграду, как известно, прямо пропорционально квадрату скорости, следовательно, вданном случае оно возрастет в 18;15 =324 225=1.4 раза. Совершенно понятно, что столь заметное повышение скорости и давления струи должны резко повысить эффективность разрушения материала, В третьих, при соответствующей интенсивности ультразвука в струе возникают кавитационные пузырьки. Так как давле1809036 ществовании в ультразвуковом поле (за счет диффузии, коагуляции и ультразвуковых гидродинамических течений) мелкие газовые пузырьки соединяются в более крупные.

Определенную работу на груди забоя выполняют мелкие частицы горной породы, особенно зерна и осколки высокопрочных и твердых материалов — минералов (кварц, корунд и др,), которые действуют как абразив.

Под давлением ультразвука они ударяются о материал с силой, в несколько тысяч раз превышающей собственный вес. При этом могут наблюдаться разрушения двух типов; выкрэшивание размельченного материала непосредственно под частицей абразива и образование трещин, приводящих к выкалыванию частиц материала, имеющих размеры порядка размеров минеральных зерен. В образовавшиеся трещины устремляются кавитационные пузырьки, способствующие отделению отколовшегося кусочка от массы материала. Далее этот кусочек выносится течением.

Для правильного понимания положительного эффекта, возникающего при реализации заявленного способа необходимо уяснить следующее.

Представим себе, что на поток жидкости, формируемый в импульсном режиме, непрерывно воздействуем ультразвуком, В тех случаях, когда между двумя гидроимпульсами имеется воздушный промежуток, струя жидкости перестанет быть проводником ультразвука от насадки монитора до забоя разрушаемых горных пород. В периоды существования таких промежутков энергия ультразвука практически будет истрачена впустую. Именно поэтому важно, чтобы источник ультразвука также работал в импульсном режиме. при этом импульс ультразвука должен быть согласован с гид20

55 ние при схлопывании пузырьков достигает многих сотен и даже тысяч атмосфер, то э го создает значительные удары волны, также способствующей разрушению твердого материала.

Обработка горных пород ультразвуком способствует высвобождению из них газов, Дегазирующее действие упругой волны ультразвука связано с эффектами, которые сопровождают распространение интенсивных 10 колебаний в водно-породной среде. Так, за счет кавитационных процессов возникают исключительно благоприятные условия для создания большого количества микроскопических газовых пузырьков. В период раэре- 15 жения звуковой волны в кавитационной плоскости давление практически отсутствует, что не может не привести к высвобождению газов в виде пузырьков. При. дальнейшем суроимпульсом и в целом короче по cpBBHBHlhlo с последним (это вытекает из большей скорости ультразвука по сравнению со скоростью струи жидкости), Расстояние между гидроимпульсами во времени составляет I0-20Я, от длительности самих импульсов, К тому же надо учесть, что прохождение "межимпульсного промежутка" от насадки до забоя также занимает некоторое время — порядка 20-30Д. Следовательно, экономия ультразвука при его импульсном режиме, составит не менее 30-50 .

Таким образом, именно наличие отличительных признаков заявленного способа и обеспечивает получение положительног0 эффекта, указанного в цели, Этот вывод подтверждается также тем обстоятельством, что у заявленного решения появляется свойство, несовпадающее со свойствами, проявляемыми признаками в известных решениях, и не равные сумме этих свойств.

Так, если рядом с обычным гидромонитором мы разместим автономный излучатель ультразвука и будем воздействовать им на массив, то вообще даже следов разрушения не получим из-за того, что ультразвук в воздухе распространяется с большим затуханием (в 1000 больше, чем в воде).

С другой стороны, акустическое сопротивление воды, примерно, в 3500 раз больше чем воздуха, поэтому при данной величине колебательной скорости общая акустическая мощность излучателя больше для жидкости чем для автономно установленного излучателя в газовой среде.

Струя гидромонитора, как известно, состоит из нескольких частей, различающихся структурой. Наиболее эффективно воздействует на разрушаемый массив первая ее часть, представляющая собой наиболее плотный и монолитный участок. Далее струя воды смешивается с воздухом и в конце концов полностью превращается в поток брызг. Длина первого участка струи определяется в основном рабочим давлением жидкости и диаметром насадки, При взаимодействии струи с ультразвуком она проявляет новое свойство — устойчивость по отношению к окружающему ее . атмосферному воздуху. Направленный поток ультразвуковых волн, пространственно и по направлению совпадающий с очертаниями и направлением струи, предохраняет ее от смешивания с воздухом, Пузырьки воздуха извне практически не проникают в струю и не разрыхляют ее. Ультразвук как бы создает своеобразный изолирующий канал, препятствующий образованию брызг.

В итоге длина монолитного участка струи

1809036 ъ Iи I 1и — I

1и гг —, ч (2) и 1 (3) (4) гу=1и/ч1 з

I з =т =—

v> (5) 1 резко возрастает (что также повышает ее дальнобойность и разрушающую эффективность), Для рабочего давления 12 IVltla u диаметра насадки 10 мм это возрастание в зависимости от интенсивности ультразвуково- го излучения составляет не менее 50-100, Сказанное полностью относится к импульсному режиму.

Длительность ультразвукового импульса и время задержки этого импульса по сравнению с началом гидроимпульса могут быть определены исходя из следующих соображений.

Пусть расстояние между насадкой гидромонитора и забоем равно!, Длину струи жидкости в импульсе обозначим через I>.

При этом заранее принимаем условие: 1и>1, так как при обратном соотношении теряет смысл применение ультразвука из-за обязательного наличия воздушного промежутка между струей и насадкой или забоем.

Тогда длительность гидроимпульса г, можно найти из выражения: где v> — скорость струи жидкости, Время 0, за которое струя жидкости из насадки достигает забоя, равно:

Ультразвук это же расстояние преодолеет за время т ; где чг — скорость ультразвука в жидкости.

Тогда время задержки тз ультразвукового импульса по отношению к гидроимпульсу может быть найдено из выражения:

Однако ч2»ч, поэтому второй дробью в уравнении (4) можно принебречь. Тогда тз приближенно будет равно:

Длительность ультразвукового импульса находим из выражений (1) и (5):

5 Пример. Расстояние между насадкой гидромонитора и забоем 1-20 м. Длина струи жидкости в импульсе Iи=45 м. Скорость струи жидкости v>-35 м/с. Скорость ультразвука в жидкости vz=1500 м/с.

10 Тогда т=45:35=1,29 с.

Время задержки ультразвукового импульса гз =20:35=0,57 с.

Следовательно длительность ультразвукового импульса будет равна: zу =1,29-0,57=

15 =0,.72 с

Поправка на скорость ультразвука в жидкости т составляет всего 20:1500=0,013 с.

Это менее 2 от приведенной выше цифры.

Длительность ультразвукового импуль20 са, определяемого выражением (6), является .оптимальной и приводит к максимальной экономии энергии ультразвука. Таким образом, выражение (6) конкретизирует условия . достижения положительного эффекта, указанного в цели.

Особенно эффективно применение заявленного способа при разрушении горных пород повышенной крепости. Уже при ис-. пользовании излучателей ультразвука с ин30 тенсивностью потока энергии 1 — 5 Вт/см

2 эффективность разрушения массива повы шается в 2 — 3 раза, при этом экономится

30-50% и более энергии ультразвука, Формула изобретения

Способ гидроимпульсного разрушения горных пород, включающий формирование . струи жидкости в импульсном режиме и воздействие на нее сфокусированными по оси

40 ствола гидромонитора ультразвуковыми волнами, отличающийся тем, что, с целью экономии энергии ультразвука, его воздействие производят в импульсном режиме, согласованном с импульсным режи-.

45 мом струи жидкости, причем длительность импульса ультразвука ту определяют из зависимости

50 где гз =I/ч — время задержки ультразвукового импульса по сравнению с началом импульса жидкости;

1и — длина струи жидкости в импульсе;

55 1 — расстояние между посадкой гидромонитора и забоем; ч — скорость струи жидкости,