Способ разрушения монолитных объектов

 

Изобретение относится к горному делу и строительству и может быть использовано для добычи углей и руд, разрушения негабарита, фундаментов и других монолитных объектов. Способ разрушения монолитных объектов вкллючает бурение шпура, размещение в нем распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, высоконапорного воздушного шланга и пневмопатрона, герметизацию устья шпура с помощью пакера. Для образования трещин повышают давление в разрушающем устройстве, после падения в нем давления повышают статическое давление воздуха в высоконапорном воздушном шланге, подают воздух в шпур до стабилизации давления в распорном рабочем органе и начинают подавать сжатый воздух в пневмопатрон до его срабатывания. После этого продолжают подачу сжатого воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха в пневмопатрон лишь после обвала монолитного объекта.

Изобретение относится к горному делу и строительству и может быть использовано для добычи углей и руд, разрушения негабаритов, фундаментов и других монолитных объектов.

Известен способ разрушения горных пород, включающий бурение шпура, размещение в нем пневматического патрона, повышение давления воздуха в пневматическом патроне до заданной величины, прекращение подачи воздуха после достижения давлением заданной величины и вытекание воздуха из пневматического патрона в массив через выхлопные отверстия в пневматическом патроне, повторное повышение давления воздуха в пневматическом патроне до заданной величины и так далее [1].

Недостатком известного способа является кратковременное по сравнению со временем всего цикла воздействие импульса сжатого воздуха на массив и поэтому низкий КПД способа.

Известен способ разрушения горных пород, включающий бурение шпура, размещение в нем распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, разрушение объекта повышением гидравлического давления в разрушающем устройстве, отключение гидравлического устройства при падении в нем давления, в котором для повышения качества раскола разнопрочных объектов бурят шпуры в плоскости намеченного раскола, во все шпуры размещают распорные рабочие органы гидравлических разрушающих устройств и повышают давление сначала одновременно во всех разрушающих устройствах, осуществляют цикличное повышение гидравлического давления в разрушающих устройствах с отключением тех из них, в которых наблюдается падение гидравлического давления [2].

Недостатком известного способа является низкая эффективность разрушения из-за невозможности обеспечения с его помощью обвала горной породы.

Целью изобретения является повышение эффективности разрушения путем получения обвала горной породы.

Цель достигается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпура, размещение в нем распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, образование трещин в объекте повышением гидравлического давления в разрушающем устройстве и отключение гидравлического разрушающего устройства при падении в нем давления, в шпуре дополнительно размещают высоконапорный воздушный шланг и пневмопатрон, а устье шпура герметизируют, например, с помощью пакера, после падения давления в распорном рабочем органе повышают статическое давление воздуха в высоконапорном воздушном шланге, подавая воздух в шпур, до стабилизации давления в распорном рабочем органе и начинают подавать сжатый воздух в пневмопатрон до его срабатывания, после чего продолжают подачу сжатого воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу воздуха в пневмопатрон лишь после обвала горной породы.

Изобретательский акт при создании способа заключается в том, что автором впервые установлены явления эффективного получения длинных трещин в массиве при условии, когда начальные трещины получены распором шпура с помощью распорного органа гидравлического разрушающего устройства, дальнейшее продолжение трещин осуществлено подачей в начальные трещины статического давления воздуха через высоконапорный воздушный шланг, а полное разрушение горной породы осуществлено подачей импульсов сжатого воздуха через пневмопатрон в длинные трещины в массиве. Это связано с тем, что начальные трещины наиболее эффективно можно получить с помощью распорных рабочих органов гидравлических разрушающих устройств, продолжение трещин до образования длинных трещин в массиве легко получить нагнетанием сжатого воздуха непосредственно в образованные короткие трещины и далее обрушение горной породы наиболее легко получить "сотрясанием" массива по всему его объему, подавая в образованные длинные трещины импульсы сжатого воздуха через пневмопатрон. Это явление не было известно ранее и поэтому операции по образованию длинных трещин подачей статического давления воздуха в сухие образованные ранее короткие трещины и затем по обвалу горной породы путем подачи импульсов сжатого воздуха в ранее образованные сухие длинные трещины подтверждают изобретательский уровень способа. Для достижения поставленной цели необходимы и достаточны следующие отличительные признаки способа: 1) в шпуре дополнительно с распорным рабочим органом гидравлического разрушающего устройства размещают высоконапорный воздушный шланг с возможностью подачи с его помощью статического давление воздуха в шпур; 2) в шпуре дополнительно с распорным рабочим органом гидравлического разрушающего устройства и высоконапорного воздушного шланга размещают пневмопатрон с возможностью подачи с его помощью импульсов сжатого воздуха в шпур; 3) устье шпура герметизируют, например, с помощью пакета; 4) после падения давления в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства повышают статическое давление воздуха в высоконапорном воздушном шланге, подавая воздух в шпур; 5) воздух в шпур из высоконапорного воздушного шланга подают до стабилизации давления в распорном рабочем органе; 6) после стабилизации давления в распорном рабочем органе путем подачи статического давления воздуха в шпур в тот же шпур начинают подавать сжатый воздух в пневмопатрон до его срабатывания; 7) подачу сжатого воздуха в пневмопатрон продолжают до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха в пневмопатрон лишь после обвала горной породы. Совокупность семи отличительных признаков способа соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия".

Способ разрушения горных пород реализуется следующей последовательностью операций.

Бурят шпур с таким расчетом, чтобы в пробуренном шпуре можно было установить распорный рабочий орган гидравлического разрушающего устройства, высоконапорный воздушный шланг, пневмопатрон и пакер для герметизации устья шпура после установок в шпуре распорного органа, высоконапорного шланга и пневмопатрона.

В пробуренный шпур помещают рабочий распорный орган гидравлического разрушающего устройства, высоконапорный воздушный шланг с возможностью подачи с его помощи статического давления воздуха или непосредственно в шпур, или в пневмопатрон, также помещенный в шпур.

Устье шпура герметизируют, например, с помощью пакера.

Повышают гидравлическое давление жидкости в разрушающем устройстве до тех пор, пока давление в нем сначала не стабилизируется, а затем не начнет падать. Сначала при повышении давления распорный рабочий орган эффективно образует начальные трещины в стенках шпура. При стабилизации давления эффективность образования начальных трещин падает и при падении давления в разрушающем устройстве процесс образования начальных трещин прекращается.

При падении давления в разрушающем устройстве его отключают, например, прекращением подачи в него жидкости.

После падения давления в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства и его отключения начинают повышать давление в высоконапорном воздушном шланге, подавая сжатый воздух непосредственно в шпур. При этом сжатый воздух заходит в сухие (без нагнетания в них жидкости) начальные трещины и, образуя в них высокое давление, приводит к удлинению и уширению начальных трещин. Пока этот процесс развивается эффективно, давление в разрушающем гидравлическом устройстве растет. При стабилизации давления в гидравлическом разрушающем устройстве процесс удлинения и уширения начальных трещин идет на спад, так как часть сжатого воздуха через образовавшиеся в массиве длинные и широкие трещины выходит из массива.

После стабилизации давления в распорном рабочем органе начинают подавать сжатый воздух в пневомпатрон до его срабатывания. После этого продолжают подачу воздуха в пневмопатрон до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха в пневмопатрон лишь после обвала горной породы.

После размещения в пробуренном шпуре распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, высоконапорного шланга и пневмопатрона и герметизации устья шпура, например, с помощью пакера начинают повышать давление в гидравлическом разрушающем устройстве. При этом с повышением давления сначала примерно пропорционально увеличивается давление распорного рабочего органа на стенки шпура, в результате в стенках шпура образуются начальные трещины. Рабочий орган гидравлического разрушающего устройства выполнен так, чтобы при образовании трещин в стенках шпура жидкость не вытекала из гидравлического разрушающего устройства и не попадала в шпур и на его стенки. Повышение гидравлического давления в разрушающем устройстве осуществляют до тех пор, пока давление в его распорном рабочем органе не начнет падать. Это будет свидетельствовать о том, что процесс образования начальных трещин в стенках шпура в основном закончился. После этого гидравлическое разрушающее устройство отключают, то есть прекращают повышение гидравлического давления поступающей жидкости.

Теперь повышают давление в высоконапорном воздушном шланге. Сжатый воздух поступает в шпур, заполняет образовавшиеся ранее начальные трещины и под его действием трещины увеличиваются по длине и ширине, то есть образуются длинные трещины в разрушаемом массиве. При эффективном образовании длинных и широких трещин давление в гидравлическом разрушающем устройстве сначала растет, так как сжатый воздух образует щели и еще не выходит из массива горной породы, а давит и на гидравлическое разрушающее устройство, повышая в нем давление. Стабилизация давления в гидравлическом разрушающем устройстве свидетельствует о том, что процесс образования длинных трещин в массиве идет на спад, что обусловлено началом выхода части сжатого воздуха из массива через образовавшиеся длинные и широкие трещины.

После стабилизации давления в гидравлическом разрушающем устройстве начинают подавать сжатый воздух в пневмопатрон до его срабатывания. При срабатывании пневмопатрона воздух в импульсном режиме под избыточным давлением через выхлопные отверстия попадает в образованные ранее длинные щели и эффективно разрушает эти щели после каждого очередного срабатывания пневмопатрона. При очередных срабатываниях пневомпатрона все большее количество воздуха попадает в пробуренный шпур под высоким давлением и все сильнее разрушаются длинные трещины и весь массив породы. При этом сначала постепенно увеличивается давление в распорном рабочем органе, так как сжатый воздух давит и на него. Через некоторое время после повышения давления оно начинает стабилизироваться. Это свидетельствует о том, что значительная часть воздуха начинает выходить через образовавшиеся трещины из массива наружу. Затем давление в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства и соответственно в шпуре начнет падать, что свидетельствует об интенсивности выхода воздуха из шпура при обрушении горной породы.

Эффективность нового способа разрушения горных пород подтверждается последующими полученными данными.

Первая стадия отбойки угля начинается с образования плоской трещины, рассекающей пласт по нормали к кровле и почве пласта параллельно на расстоянии линии наименьшего сопротивления от свободной поверхности. Начальные условия: в скважине диаметром 100 мм распорный рабочий орган, диаметр резинового рукава 80 мм, диаметр металлических обкладок распорного рабочего органа 100 мм, диаметр скважины 110 мм, мощность пласта 2,5 м. Уголь f = 2,5, растягивающее разрушающее напряжение σ^x = 25 кг/см². Предельное давление в распорном рабочем органе 38 МПа. Сила, развиваемая с помощью распорного рабочего органа на 1 см длины скважины в радиальном направлении, равна 4180 кг/см². Суммарная длина радиальных трещин по обе стороны скважины 167,2 см.

Следующая стадия - подача импульса сжатого воздуха давлением 70 МПа в образовавшуюся полость. В этом случае трещина полностью расколет пласт. На 1 см по длине скважины в трещине и скважине давление газа будет равно 65 МПа. Площадь действия силы, к которой приложено давление сжатого воздуха, равно 200 см². Сила 130000 кг. Учитывая сопротивление угля 250 кг/см², даже на сужение получают разрушающие усилия при линии наименьшего сопротивления 520 см.

Сравнивают с обычным взрыванием. Сила, развиваемая патроном без распорного рабочего элемента просто в скважине, равна 7700 кг, что практически в 17 раз меньше. Выше приведен статический расчет. В действительности процесс нагружения и разрушения в динамике, характеризуемый скоростями нагружения около 400 м/с и распространения трещин со скоростью 500-600 м/с. Поэтому утечка газа за счет пористости и микротрещин угля происходит только в пределах 10-15% . Эти потери восполняются динамическим воздействием и герметизацией скважины распорным рабочим органом. Поэтому сжатый воздух применяется для разрушения угля в скважинах без силового элемента, то есть без распорного рабочего органа - открытой из торца и без трещин, трансформирующей силовые нагрузки в 17 раз.

Техническими преимуществами нового способа разрушения по сравнению с прототипом являются: получение более длинных и широких трещин в разрушаемом массиве, возможность осуществления направленного разрушения, уменьшение количества буримых шпуров и используемых средств разрушения за счет более редкой сетки буримых шпуров.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МОНОЛИТНЫХ ОБЪЕКТОВ, включающий бурение шпура, размещение в нем распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, образование трещин в объекте повышением гидравлического давления в разрушающем устройстве и отключение гидравлического разрушающего устройства при падении в нем давления, отличающийся тем, что в шпуре размещают высоконапорный воздушный шланг и пневмопатрон, а устье шпура герметизируют с помощью пакера, после падения давления в распорном рабочем органе повышают статическое давление воздуха в высоконапорном воздушном шланге, подавая воздух в шпур, до стабилизации давления в распорном рабочем органе и начинают подавать сжатый воздух в пневмопатрон до его срабатывания, после чего продолжают подачу сжатого воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха в пневмопатрон лишь после обвала монолитного объекта.