Способ интенсификации гео- и горнотехнологических процессов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в различных областях наук о Земле - нефте-и газодобыче, геоэкологии. Сущность изобретения состоит в том, что наносят редкоземельные элементы на режущий инструмент или внутренние поверхности частей машин и механизмов, контактирующих с массивом горных пород, подводят к ним возбуждающее напряжение, возбуждают упругие колебания в выбранном диапазоне частот и согласуют их с собственными частотами угля, породы или руды и, нагнетая в них разупрочняющие или упрочняющие растворы, повышают эффективность и снижают энергоемкость гео- и горнотехнологических процессов, что позволяет значительно снизить энергозатраты и повысить производительность труда по сравнению с имеющимися традиционными классическими способами. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к различным областям наук о Земле, в частности горному делу, подземному строительству, нефте- и газодобыче, и может быть использовано для повышения эффективности различных гео- и горнотехнологических процессов.

Известен способ управления свойствами горных пород, включающий помещение и закрепление в массиве виброисточников, нагружение элементов массива с их помощью, установку датчиков в скважинах и подбор амплитудно-частотных параметров виброисточников, виброисточники размещают по всей длине очистного забоя, датчики в скважине устанавливают за зоной опорного давления на глубину разработки призабойной части пласта, определяют предел прочности и текучести пород, возбуждают упругие колебания в массиве в диапазоне амплитуд с граничными значениями, соответствующими пределу прочности и пределу текучести и с длиной волны, не менее чем в два раза превышающей расстояние от забоя до максимума зоны опорного давления, а вибровоздействия прекращают при смене деформации сжатия на растяжение [1] Известный способ трудоемок, нетехнологичен, локален, поскольку использует виброисточники ударного типа, не обеспечивает необходимого частотного диапазона воздействия на массив и пласт, трудно осуществлять синхронизацию работы группы виброисточников за счет различных контактных условий источника и массива, так как при работе источника последний разрушает часть массива, с которым он находится в контакте, и КПД передачи упругой энергии в массив весьма низок.

Известен также способ интенсификации гео- и горнотехнологических процессов, согласно которому на массив воздействуют породоразрущающим инструментом и ультразвуковыми колебаниями в месте контакта последнего с массивом, предварительно определяют направление максимального сжимающего напряжения в массиве, причем направление ультразвуковых колебаний ориентируют перпендикулярно направленности максимального сжимающего напряжения с опережением относительно воздействия породоразрушающим инструментом [2] Известный способ трудоемок, нетехнологичен, работает лишь в ультразвуковом диапазоне частот, не использует резонансных свойств пород в массиве, использует источники колебаний с низким КПД передачи энергии упругой волны в массив.

Цель изобретения снижение энергоемкости и увеличение эффективности за счет работы в резонансном режиме.

Цель достигается тем, что согласно способу вибровоздействия на массив осуществляют в резонансном режиме, когда частота вибровоздействия на массив равна частоте собственных колебаний массива, а в качестве магнитострикционного излучателя используют редкоземельные элементы, которые наносят на внутренние части режущего инструмента и исполнительных органов машин и механизмов.

Наряду с вибровоздействиями нагнетают в массив разупрочняющие вещества, которые проникают в поры и трещины массива, съедают перегородки между порами и трещинами и делают их сообщающимися, вследствие чего прочность пород снижают на 10-40% по сравнению с первоначальной.

Нагнетают в массив нагретые технологические растворы до 80^оС и инициируют в массиве кавитирующие явления, снижающие прочность массива на разрыв от 10 до 60% и увеличивающие проницаемость массива на 10-80% На фиг. 1,2 приведены схемы реализации предлагаемого способа: 1 режущий инструмент-шарошка Ф140 мм; 2 слой редкоземельного элемента, нанесенный на внутреннюю поверхность режущего инструмента; 3 источник возбуждающего напряжения; 4 блок согласования; 5 микропроцессор для управления работой виброисточника.

Способ осуществляют следующим образом.

Внутреннюю поверхность режущего инструмента-шарошки 1 покрывают слоем 2 редкоземельного элемента и посредством электродов последовательно подключают к источнику 3 возбуждающего напряжения, который последовательно подключен через блок 4 согласования с микропроцессором 5. Возбуждающее напряжение от источника 3 возбуждает электромагнитные колебания в слое 2, до 50% энергии которых переходит в упругие колебания, причем для управления параметрами упругие колебания изменяют величину возбуждающего напряжения и их частоту.

Аналогичным образом наносят слой редкоземельного элемента на внутренние части режущих частей машин и механизмов, контактирующих с горными породами, и возбуждают упругие колебания в режущем инструменте, согласуя частоту их колебаний с собственной частотой массива пород, то есть осуществляют работу режущих частей машин и механизмов в резонансном режиме, что позволяет снизить усилие резания от 10 до 60% и значительно повысить производительность процесса. Перед разрушением пород, руд, угля, грунта возбуждают в них упругие колебания, определяют их спектры, выявляют резонансные частоты и при вибровоздействиях с использованием слоя редкоземельного элемента возбуждают в массиве их собственные частоты, которые найдены ранее экспериментальным путем.

Для повышения эффективности вибровоздействия дополнительно нагнетают в массив разупрочняющие растворы, например ПАВ, гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, которые под воздействием вибрации проникают в поры и трещины массива и "съедают" перегородки между ними, вследствие чего прочность пород на разрыв снижается от 10 до 40% по сравнению с первоначальной. Для крепких и малопористых пород нагнетают в массив технологические, нагретые до 80^оС в зоне разрежения упругой волны возникают гидроразрывы мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газом, которые схлопываются в зоне сжатия упругой волны, то есть на пути распространения упругой волны в зоне нагретых свыше 30^oС пород возникают кавитирующие явления, которые способствуют снижению прочности пород на разрыв от 10 до 60% и увеличению их проницаемости до 80% Сущность способа состоит в том, что нанося редкоземельные элементы на внутренние части режущих инструментов и испытательных органов машин и механизмов и возбуждая посредством слоя редкоземельных элементов упругие в выбранном диапазоне частот в массиве пород, порождают волны сжатия и растяжения на пути упругой волны, причем волны сжатия и растяжения способствуют миграции распространению флюидов-жидкостей и газовоздушных включений, содержащихся в порах и трещинах массива пород на несколько порядков быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Миграция флюидов в порах и трещинах массива сопровождается изменением порового давления и, как правило, изменением прочностных свойств пород, окружающих эти поры и трещины, и способствуют: перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн; истечению газов из пор и трещин, разломов пород при вибрации, то есть способствует дегазации локального участка массива пород; инициирует в местах где породы нагреты свыше 30^оС кавитирующие явления, имеющие место в массиве пород при определенных начальных и граничных условиях, например, совпадении частоты зондирующих импульсов с собственными частотами флюидов, содержащихся в порах, трещинах и разломах массива; совпадении направления распространения упругой волны с направлением простирания пор и трещин в пространстве; наличии твердых включений во флюидах; при перепаде давлений и температур на пути распространения упругой волны.

Таким образом, возбуждая упругие колебания в массиве пород в резонансном режиме, закачивают в массив упругую энергию и управляют состоянием и свойствами пород в массиве в совокупности с нагнетанием в массив различных технологических растворов, способствующих снижению прочности и повышающих эффективность разрушения пород в массиве.

Преимущества способа состоят в следующем: возможность возбуждать в массиве упругие колебания в широком диапазоне частот, включая и резонансный режим; возможность управлять состоянием и свойствами пород в массиве; снизить прочность на разрыв от 10 до 40% и увеличить проницаемость массива от 10 до 80% Известно устройство для интенсификации гео- и горнотехнологических процессов, включающее контактирующий с горной породой породоразрушающий инструмент, на внутренней поверхности которого расположены магнитострикционные излучатели, связанные с источником возбуждающего напряжения [2] Известное устройство трудоемко, нетехнологично, не позволяет работать в широком диапазоне частот и возбуждать упругие вибровоздействия в резонансном режиме, не использует для управления состоянием и свойствами пород в массиве упругий миграционный геоэффект и эффекты кавитации во флюидосодержащих горных породах.

Цель изобретения повышение эффективности и расширение функциональных возможностей устройства.

Цель достигается тем, что устройство дополнительно снабжено блоком согласования и микропроцессором, с которыми связаны магнитострикционные излучатели, выполненные в виде нанесенного на внутреннюю поверхность инструмента слоя редкоземельных элементов.

Слой редкоземельного элемента покрыт слоем компаунда, обладающего водоотталкивающими и вибростойкими свойствами.

Устройство работает следующим образом.

От источника 3 возбуждающего напряжения посредством электродов подают возбуждающее напряжение на слой 2, в которой генерируют электромагнитные колебания, до 50% энергии которых переходит в упругие колебания, и режущий инструмент является источником колебаний, то есть шарошка излучает колебания, равные собственной частоте массива. Колебания от шарошки 1 передаются через блок 4 согласования в микропроцессор 5, в котором заранее задана программа работы виброисточника в выбранном диапазоне частот и параметрами упругих колебаний управляют, изменяя величину возбуждающего напряжения и его частоту.

Преимущества устройства состоят в следующем: виброисточником являются режущий инструмент и исполнительные органы машин и механизмов; возможность возбуждать колебания в выбранном диапазоне частот и работа в резонансном режиме, то есть на частоте собственных пород, слагающих массив; возможность снизить усилие резания от 10 до 60% за счет работы в резонансном режиме и повысить производительность до 300% по сравнению с традиционными способами.

Использование заявляемого изобретения позволит значительно снизить энергоемкость процесса и повысить производительность от 60 до 300% по сравнению с традиционными способами.

Формула изобретения

1. Способ интенсификации гео- и горнотехнологических процессов, согласно которому на массив воздействуют породоразрущающим инструментом в комбинации с вибровоздействием посредством магнитострикционных излучателей, отличающийся тем, что вибровоздействие на массив осуществляют в резонансном режиме, когда частота вибровоздействия на массив равна частоте собственных колебаний массива, а в качестве магнитострикционного излучателя используют редкоземельные элементы, которые наносят на внутренние части режущего инструмента и исполнительных органов машин и механизмов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наряду с вибровоздействиями нагнетают в массив разупрочняющие вещества типа ПАВ для снижения прочности пород на 10 - 40% по сравнению с первоначальной.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагнетают в массив нагретые технологические растворы до 80^oС, инициируют в массиве кавитирующие явления, снижающие прочность массива на разрыв от 10 до 60% и увеличивающие проницаемость массива на 10 - 80%.

4. Устройство для интенсификации гео- и горнотехнологических процессов, включающее контактирующий с породой породоразрушающий инструмент, на внутренней стороне которого расположены магнитострикционные излучатели, связанные с источником возбуждающего напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительно блоком согласования с микропроцессором, с которыми связаны магнитострикционные излучатели, выполненные в виде нанесенного на внутреннюю поверхность инструмента слоя редкоземельных элементов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что слой редкоземельного элемента покрыт слоем компаунда, обладающего водооталкивающими и вибростойкими свойствами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2