Способ разрушения горных пород

 

Изобретение относится к горному делу, и м.б. использовано для добычи угля и руд, разрушения негабаритов, фундаментов и иных монолитных объектов. Сущность изобретения: способ разрушения горных пород включает бурение шнура, размещение в нем распорного органа гидравлического разрушающего устройства, пневматического патрона и пакера для герметизации устья шпура. Затем начинают повышать давление в гидравлическом разрушающем устройстве, начинается образование трещин. Повышение давления осуществляют до тех пор, пока давление в распорном органе не начнет падать. Затем начинают повышать давление в гидравлическом разрущающем устройстве, начинается образование трущин. Повышение давления осуществляют до тех пор, пока давление в распорном органе не начнет падать. Затем прекращают повышать давление жидкости и начинают повышать давление воздуха в пневмопатроне до его срабатывания. Продолжают подачу сжатого воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха лишь после падения давления в распорном рабочем органе.

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

Известен способ разрушения горных пород, включающий бурения шпура, размещение в нем пневматического патрона, повышение давления воздуха в пневматическом патроне до заданной величины, перекрытие 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 коэффициент полезного действия 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 выполнения качества раскола разнопрочных объектов бурят шпуры в плоскости намеченного раскола и во все шпуры размещают распорные рабочие органы гидравлических разрушающих устройств и повышают давление сначала одновременно во всех разрушающих устройствах, осуществляют цикличное поочередное 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 образования с его помощью длинных трещин в разрушаемом объекте.

Целью изобретения является повышение эффективности разрушения путем образования длинных трещин в разрушаемом объекте.

Поставленная цель достигается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпура, размещение в нем распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, разрушение объекта повышением гидравлического давления в разрушающем устройстве и отключение гидравлического устройства при падении в нем давления, в шнуре дополнительно размещают пневматический патрон и после падения давления в рабочем органе повышают давление воздуха в пневматическом патроне до его срабатывания, после чего продолжают подачу воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха лишь после падения давления в распорном рабочем органе.

Автором впервые установлено явление эффективного получения длинных трещин в массиве при условии, когда начальные трещины получены распором шпура с помощью распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, а дальнейшее продолжение трещин осуществляется подачей в начальные трещины импульсов сжатого воздуха через пневматический патрон. Это связно с тем, что начальные трещины наиболее эффективно получить с помощью распорных рабочих органов гидравлических разрушающих устройств, а дальнейшее продолжение трещин легче осуществить подачей импульсов сжатого воздуха непосредственно в сухие (без нагнетания в них жидкости) трещин, которые затем быстро и эффективно удлиняются сжатым воздухом, попадающим в них. Это явление не было известно ранее и поэтому, по мнению автора, операции по продолжению трещин, то есть по образованию длинных трещин в массиве, подтверждают изобретательский уровень способа. Для достижения поставленной цели необходимы и достаточны следующие отличительные признаки способа: 1) в шпуре дополнительно размещают пневматический патрон (обязательно в том же шпуре, где уже установлен распорный рабочий орган гидравлического разрушающего устройства), 2) после падения давления в распорном рабочем органе повышают давление воздуха в пневматическом патроне, 3) повышение давления в пневматическом патроне осуществляют до срабатывания пневматического патрона, 4) после срабатывания пневматического патрона продолжают подачу воздуха в него до стабилизации давления в распорном рабочем органе; 5) подачу воздуха в пневматический патрон прекращают после падения давления в распорном рабочем органе. Из приведенного ниже описания способа с однозначностью следует, что ни исключить ни заменить на эквивалентный любой из пяти отличительных признаков способа невозможно. Это поясняется тем, что признаки названы однозначно в смысле выполняемых ими функций и режимов, при которых выполняются конкретные функции, и одновременно признаки названы обще, чтобы различные варианты выполнения конкретных операций при конкретных режимах не зависели от средств для выполнения операций (или конкpетных конструкций распорного рабочего органа и пневматического патрона). Третий и четвертый признаки по отдельности сами по себе являются известными. Однако ни третий, ни четвертый признаки не служили ранее для продолжения начальных трещин в массиве и образования длинных трещин. Остальные три признака неизвестны даже по отдельности сами по себе. Поэтому, по мнению автора, совокупность пяти 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 орган гидравлического разрушающего устройства, пневматический патрон и пакер для герметизации устья шпура после установки в шпуре распорного органа и пневмопатрона. В пробуренный шпур размещают распорный рабочий орган гидравлического разрушающего устройства обязательно с таким расчетом, чтобы при срабатывании рабочего органа жидкость не попадала в пробуренный шпур, на стенки шпура и в массив. В пробуренном шпуре размещают пневмопатрон с таким расчетом, чтобы после срабатывания пневмопатрона сжатый воздух выходил в шпур. В пробуренном шпуре (в его устье) устанавливают пакер для герметизации устья шпура. Повышают гидравлическое давление жидкости в разрушающем устройстве до тех пор, пока давление в нем сначала не стабилизируется, а затем не начнет падать.

При падении давления в разрушающем устройстве его отключают, например, прекращением подачи жидкости в гидравлическое разрушающее устройство. После падения давления в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства и его отключения повышают давление воздуха в пневматическом патроне до его срабатывания. После этого продолжают подачу воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе. После вторичного падения давления в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства подачу сжатого воздуха в пневматический патрон прекращают.

После размещения в пробуренном шпуре распорного органа гидравлического разрушающего устройства, пневмопатрона и пакера начинают повышать давление в разрушающем устройстве. При этом с повышением давления примерно пропорционально увеличивается давление распорного рабочего органа на стенки шпура. В результате в стенках шпура образуются трещин. 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 трещин в стенках шпура в основном закончился. После этого гидравлическое разрушающее устройство отключают, то есть прекращают повышение гидравлического давления поступающей жидкости.

Теперь повышают давление воздуха в пневматический патрон до его срабатывания. При срабатывании пневматического патрона воздух в импульсном режиме через выхлопные отверстия пневмопатрона под избыточным давлением попадает в образованные ранее рабочим органом начальные сухие (без принудительного заполнения жидкостью) трещины и эффективно увеличивает длину каждой трещины после каждого очередного срабатывания пневмопатрона. при очередных срабатываниях пневмопатрона все большее количество сжатого воздуха попадает в пробуренный шпур и все дальше увеличивается длина трещин в массиве. При этом постепенно увеличивается давление в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства по мере того, как снижается постепенно эффективность увеличения длины и размеров трещин в массиве, так как давление воздуха в шпуре повышается и воздух все сильнее давит на распорный орган гидравлического разрушающего устройства. Через некоторое время после повышения давления оно начинает стабилизироваться. Это свидетельствует о том, что большая часть воздуха начинает через образовавшиеся трещины выходить из шпура наружу. Затем давление в распорном рабочем органе гидравлического разрушающего устройства и соответственно в шпуре начинает падать, что свидетельствует об интенсивном выходе воздуха из шпура через многие длинные и широкие трещины в массиве. После этого подачу сжатого воздуха в пневмопатрон прекращают, так как эффективное образование длинных трещин в массиве в основном закончилось.

Эффективность нового способа разрушения горных пород подтверждается следующими полученными данными.

Процесс формирования распространения трещин в массиве горных пород осуществляется следующим образом. Порода песчаник с f = 16, для которой разрушающее значение х растяжения составляет 16 МПа. Диаметр распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства равен 100 мм, предельное избыточное давление 38 МПа, коэффициент пакеровки 1,3, диаметр резинового рукава 80 мм, а раздвижка распорного органа равна 24 мм. Зазор в скважине для обеспечения прохода пакера = 10% или 10 мм. Следовательно, диаметр скважины - 110 мм. Смятие стенок скважины при раздвижке рабочего органа равна 3% от диаметра скважины, что составляет около 3 мм. Активная раздвижка рабочего органа, обеспечивающая разрыв породы будет равна 11 мм. При модуле упругости для такого типа пород в 2-8.105 кг/см2 разрывное смещение на стенке скважины составит 3-5 мм. Рабочим органом развивается усилие при диаметре скважины 110 мм на 1 см ее длины в 41800 кг. Тогда радиальная длина трещины с обеих сторон скважины составит 26 см, или с каждой стороны скважины по 13 см.

При срабатывании пневматического патрона со сжатым воздухом давлением 70 МПа с учетом объема патрона, зазора в скважине и трещины давление будет равно 50 МПа. Разрывное усилие 13000 кг. В этом случае суммарная длина трещины с обоих сторон скважины будет равна 81,3 см, то есть по 40,6 см с каждой стороны скважины. При следующей подаче сжатого воздуха с тем же избыточным давлением избыточное давление из патрона составит 40 МПа, а сила будет равной 32500 кг. Суммарная длина трещины составит 203 см или с каждой стороны скважины по 102 см. Затем цикл повторяется и сила уже в этом случае будет равна 65100 кг, а суммарная длина трещины - 406,8 см, или по 2 м с каждой стороны скважины. Циклы периодически повторяются и этот процесс будет продолжаться до момента разрушения скважины.

В этом примере сделано допущение, что процесс представлен статическим. Поэтому приведены заниженные результаты. Занижение составляет примерно 30-35% . Утечка воздуха через стенки скважины и трещины составляет не более 15% , так как скорость движения газа составляет 400-330 м/c, а скорость распространения трещин в этом случае равна 1000-15000 м/с. Таким образом, развитие трещин ограничивается герметичностью системы в смысле выхода газов на дневную поверхность. Трещины практически могут иметь очень большую длину до нескольких десятков метров. Это имеет большое значение для управления состоянием массива.

Техническими преимуществами предлагаемого способа по сравнению с известным являются получение более длинных и широких трещин в разрушаемом массиве, возможность осуществления направленного разрушения массива, уменьшение количества буримых шпуров и используемых средств разрушения за счет более резкой сетки буримых шпуров.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение шпура, размещение в нем распорного рабочего органа гидравлического разрушающего устройства, разрушение породы путем повышения гидравлического давления в разрушающем устройстве и отключение гидравлического разрушающего устройства при падении в нем давления, отличающийся тем, что в шпуре размещают пневматический патрон и пакер для герметизации устья шпура и после падения давления в распорном рабочем органе повышают давление воздуха в пневматическом патроне до его срабатывания, после чего продолжают подачу сжатого воздуха до стабилизации давления в распорном рабочем органе и прекращают подачу сжатого воздуха лишь после падения давления в распорном рабочем органе.