Устройство для разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона и способ разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона

 

Использование: для разрушения скальной породы, бетона и других материалов. Сущность изобретения: плотные материалы разрушают посредством размещения в шпуре, выполненном в плотном материале, средства для впрыска газа, который получают поджиганием, соответственно, сконструированного заряда взрывчатого вещества или ракетного топлива, причем для разрушения материала повышают давление газа в шпуре для начала образования и распространения конических трещин из угла дна шпура до поверхности подлежащего разрушению материала. 2 с. и 12 з. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к горному делу, а более точно к устройству и способу для разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона.

Со времени изобретения динамита в 1866 г. взрывные работы с помощью взрывчатых веществ стали основной технологией, используемой для карьерной разработки твердых скальных пород. Несмотря на многочисленные совершенствования этой технологии карьерной разработки, проведенные в течение многих лет, пока не существует способов, приемлемых для непрерывной выемки твердого скального грунта при разработке месторождения и в гражданском строительстве. Обычная технология бурения взрыва остается единственной, которая может быть использована для выемки более твердых скальных пород, таких как гранит и гипс, с приемлемой эффективностью. Для эффективной выемки более мягких, обычно осадочных скальных пород, были разработаны многочисленные механические и водоструйные вспомогательные системы. Недавние совершенствования установок туннельного бурения позволяют этим установкам резать относительно твердые скальные породы при сопротивлении сжатию 300 МПа, но износ режущего инструмента остается серьезной проблемой. Однако эти системы не способны осуществлять эффективную разработку более твердых скальных пород. Кроме того, установки туннельного бурения обладают ограниченной мобильностью и способностью резать отверстия непрерывной формы.

Обычная технология бурения и взрыва, способная к разработке самых твердых скальных пород с приемлемой эффективностью, ограничена необходимостью использования циклично бурения, взрыва и отвала, что приводит к неэффективному использованию установок для каждого цикла, которые часто служат помехой для работы друг друга. Обычная техника бурения и взрыва ограничена также значительным повреждением скальной породы, оставленной вокруг разработки, причем это часто требует дополнительного и дорогостоящего крепления грунта. Для коммерческих операций разработки месторождения способ обычно бурения и взрыва ограничен тем, что вся скальная порода, вынутая из горной выработки за один цикл бурения, беспорядочно смешана и вся скальная порода должна быть удалена с рудника, раздроблена, перемолота и обработана для удаления руды. Многочисленные операции по разработке месторождения содержат изъятие бедных отложений, где рудоносная порода ограничена небольшой частью разрабатываемой поверхности. Способ, с помощью которого рудоносная порода могла бы селективно выбираться и транспортироваться на поверхность для помола и экстрагирования при остальной пустой породе, оставленной под землей, значительно улучшил бы экономику многих операций разработки месторождений. Для гражданского строительства обычный метод бурения и взрыва часто ограничен в связи с тем, что большая взрывная волна и сильное ударное воздействие на почву, связанные с каждым взрывом, препятствуют использованию этого метода при городском строительстве. Кроме того, остаточный ущерб, причиненный оставшейся скальной породе, часто подвергает опасности механическую целостность структуры, требует дополнительного и дорогостоящего крепления грунта.

Вследствие вышеописанных присущих ограничений обычных методов бурения и взрыва в последние 20 лет были проведены значительные исследования, посвященные разработке альтернативных технологий быстрой выемки грунта, приемлемых для твердых скальных пород. В течение этих двух десятилетий были рассмотрены методы воздействия струей воды (Янг, 1977), высокоскоростного снаряда (Лундквист, 1974), взрывов малых зарядов (Лундквист и Петерсон, 1983). Как непрерывные (Цинк и др. и 1983), так и импульсные технологии воздействия струй воды (Янг, 1977; Янг, 1985) были исследованы достаточно подробно. В общем, при использовании технологии непрерывной струи воды нельзя обеспечить создание достаточно высоких давлений струй воды эффективной резки более твердых скальных пород. Несмотря на то, что технологии импульсного воздействия струей воды позволяют резать самые твердые породы, энергетическая эффективность этих технологий и механическая сложность устройств генерирования импульсных струй препятствует коммерческой разработке этих технологий. Технологии быстрой выемки грунта, основанные на использовании воздействия снаряда, включили рассмотрение воздействия очень небольших снарядов (шарики) (Синг, 1960), очень больших воздействий снарядов, когда снаряды могут быть выпущены из 104-миллиметровых военных пушек (Лундквист, 1974), и даже включили рассмотрение разрывных снарядов, которые бы увеличили разрушение скальной породы посредством своего детонационного воздействия (Лоун, 1973). Малая эффективность воздействия с помощью небольших шариков препятствует дальнейшей разработке этих методов, в то время как очень большие проблемы, связанные с воздушной взрывной волной при использовании больших снарядов и взрывных шариков, препятствует их коммерческой разработке.

Вследствие относительной эффективности обычных технологий бурения и взрыва, значительные исследования были посвящены уменьшению масштаба и автоматизации методов бурения и взрыва так, чтобы они могли быть использованы при непрерывном бурении и взрывах небольших зарядов. Наиболее значительным из этих методов является система спирального бурения и взрыва Рапидекс, которая подвергалась достаточно широкому изучению в 70-х годах (Лундквист и Петерсон, 1983). Интерес к дальнейшему развитию технологий непрерывного бурения и взрыва ограничен вследствие относительно больших взрывных нагрузок, требуемых в этих системах и требующих последующие значительные условия, направленные на предохранение как оборудования, так и персонала, работающего вблизи разрабатываемой поверхности. Количественные взрывные характеристики этих методов непрерывного бурения и взрыва часто остаются высокими вследствие использования обычных зарядов и обычно требуется несколько взрывных скважин, чтобы почти одновременно детонировать заряды для адекватной работы техники (Кларк и др. 1979).

Третий типа разработки более эффективных технологий выемки грунта включал рассмотрение способов применения технологий управляемого образования трещин для процесса разрушения скальных пород. Так как менее одного процента всей энергии, затрачиваемой при обычной технологии бурения и взрыва, используется на создание требуемых разрывных трещин в скальной породе, то чрезвычайно привлекательно исследовать методы, с помощью которых энергия, требуемая для образования трещин в скальной породе, может быть намного более эффективна в процессе разрушения. Недавно разработанные Мерилендским университетом (Дэлли и Фоурни, 1977), Шведским фондом изучения взрыва (Бьярнхольт и др. 1983) и другими исследованиями (Янг и Фоурни, 1983) технологии управляемого образования трещин показали, при адекватном инициировании и управлении образованием трещин количество зарядов, требуемых для достижения данного требуемого разрушения, может быть значительно сокращено. В результате другого исследования в области управляемого образования трещин в скальной породе показано, что при разработке как статической, так и динамической технологий, геометрия процесса разрушения может значительно уменьшить требование энергии. В общем, в этих методах используются приемы, с помощью которых основные разрушающие трещины скальных пород могут быть развиты при приблизительно параллельном расположении относительно свободной поверхности, что приводит к уменьшению потребления энергии для развития трещин. Один статический способ, основанный на этой методе, включает механическое устройство, которое может действовать в относительно неглубоких шпурах и посредством захватов может тянуть (растрескивать) скальную породу в направлении свободной поверхности, от которой бурили шпур (Купер и др. 1980, Андерсон и Свенсон, 1982). При динамическом методе, в котором используется похожая геометрия, применяется взрывание стальных поршней в неглубоких шпурах, наполненных водой, так, что быстрое повышение давления в шпуре приводит к образованию и развитию трещин из области концентрации напряжений, которые имеют место на четком угле дна шпура (Денисарт и др. 1976). Трещина, образованная таким образом, будет иметь тенденцию распространения от отверстия и параллельно свободной поверхности, из которой пробурен шпур. Несмотря на то, что этот метод дает высокую эффективности разработки скальной породы, трудности, связанные с быстрой потерей жидкости, находящейся под давлением, когда имеет место образование других трещин, помимо как у дна шпура, и при частом застревании стальных поршней в неполностью разрушаемых отверстиях, препятствуют дальнейшему коммерческому развитию этой технологии. С целью решения проблемы застревания поршней был также предложен способ использования высокого давления высокой скорости порций воды, вспрыскиваемых в неглубокие шпуры (Лавон, 1980).

Основываясь на получении высокой эффективности разрушения скальных пород, которая может быть достигнута с помощью специальных геометрий разрушения скальных пород, и на предпосылке того, что могут быть разработаны более эффективные методы создания давления и распространения трещин, исследования в 1984 г. показали, что небольшие заряды взрывчатого вещества или ракетного топлива могут быть использованы для эффективного приложения технологий управляемого растрескивания и уникальным геометриям разрушений скальных пород (Янг и Баркер, 1984). Основная геометрия разрушения скальных пород была частично основана на геометрии, предложенной Денисартом и др. (1976). Возникающее распространение трещин основано на образовании и распространении трещины от дна неглубокого шпура, в котором быстро повышается давление. Можно ожидать, что такая трещина будет сначала распространяться в скальную породу, а затем повернется в направлении свободной поверхности, поскольку поверхностные эффекты приобретают важность, приводя, таким образом, к удалению большого объема скальной породы. Этот тип растрескивания дает остаточную воронку, оставленную на скальной поверхности начальным проникновением трещины в скальную породу, что позволяет назвать ее проникающей конической трещиной. В противоположность более ранней работе Денисарта, в более поздних попытках исследования рассмотрены возможности образования и распространения конических трещин из неглубоких шпуров небольшими зарядами ракетного топлива или взрывного вещества (Янг и Баркер, 1984).

Выемка твердого скального грунта как для разработки месторождения, так и для гражданского строительства обычно выполняется с помощью традиционного способа бурения и взрыва. Вследствие циклической природы операции бурения и взрыва (бурение, взрыв, вентилирование и отвал) скорости выемки породы ограничены и использование оборудования неэффективно. Были продемонстрированы многочисленные системы быстрой выемки породы, в которых нашла применение новая технология образования и распространения трещин, способная проводить разработку самых твердых скальных пород при эффективностях (энергия на единицу объема вынутой скальной породы) в четыре-десять раз больших, чем можно было бы достичь с помощью стандартной технологии бурения и взрыва. Значительное совершенствование этой концепции заключается в использовании зарядов скорее ракетного топлива, чем зарядов взрывчатых веществ, и конструкции устройств для содержания зарядов и уплотнения взрывных шпуров.

Известно устройство для разрушения материала твердых плотных пород и бетона (см. авторское свидетельство СССР N 1125368), содержащее средство для генерирования газа и связанное с ним средство для впрыска генерированного газа в шпур, имеющее средство для его уплотнения.

Это устройство включает в себя корпус, смонтированный на поворотной платформе, на которой также установлены две мачты. Одна из мачт имеет буровой ствол, ее располагают над твердым включением и выбуривают в нем ступенчатый шпур. Затем на это место разворачивают другую мачту и опускают на поверхность включения ствол с упругим кольцом. Ствол не входит при этом в шпур, выбуренный в твердом включении, а лишь соприкасается с поверхностью твердого включения. В ствол впрыскивают топливо воздушную смесь, а затем производят взрыв. Под действием взрыва забойка набивки проталкивается вниз по стволу, тем самым сжимая и воспламеняя топливо воздушную смесь. Сила взрыва распространяется в шпур, выполненный в твердом включении, вызывая при этом возникновение во включении трещины.

Важно отметить, что скальные породы, находящиеся поверх твердого включения, не получают трещины и остаются после взрыва на своем месте. Предположительно за гусеничным транспортным средством устройства следует экскаватор, который после растрескивания включения удаляет скальные породы, находящиеся поверх включения, и само растрескивающееся твердое включение.

Известный способ разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона заключается в том, что с поверхности, подлежащей разрушению, формируют шпур и подают в шпур газ с помощью средства для впрыска газа. В результате этого происходит взрыв, распространяемый в шпур, выполненный в твердом включении, вызывая возникновение трещины в нем и дальнейшее его разрушение.

Однако следует отметить, что в известных устройстве и способе уплотнение средства для впрыска генерированного газа в шпур производится у поверхности (например, у выхода на поверхность шпура в материале) материала, подлежащего разрушению (к примеру, материалом, подлежащим разрушению, является само твердое включение, а не находящиеся поверх него скальные породы), и не внутри шпура. Вследствие этого, сила взрыва будет передаваться по всей длине шпура, что приведет к рассеянию энергии по этой длине, в результате чего уменьшается длина трещин, возникающих в твердом включении под действием энергии взрыва.

Кроме того, известные устройство и способ не обеспечивают распространения трещины из угла дна шпура, а скорее приводят к образованию большого количества мелких трещин по длине шпура.

Таким образом, вышеописанные устройство и способ не обеспечивают эффективной и быстрой выемки грунта.

Техническим результатом изобретения является создание устройства и способа разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона, обеспечивающих эффективность и быструю выемку грунта непрерывным бурением и взрывом, используя принцип проникающей конечной трещины.

Этот технический результат достигается устройством для разрушения материалов, в том числе твердых плотных скальных пород и бетона, содержащим средство для генерирования газа и связанное с последним средство для впрыска генерированного газа в шпур, имеющее средство для его уплотнения, и согласно изобретению средство для впрыска генерированного газа со средством уплотнения размещено внутри шпура, выполненного в разрушаемом материале на расстоянии от свободной поверхности последнего с возможностью обеспечения уплотнения части шпура вблизи его дна.

Этот технический результат достигается и в способе разрушения материалов, в том числе твердых плотных скальных пород и бетона, согласно которому с поверхности подлежащего разрушению материала формируют шпур, подают в шпур газ с помощью средства для впрыска газа и согласно изобретению средство для впрыска газа размещают в шпуре и уплотняют в последнем на расстоянии от свободной поверхности подлежащего разрушению материала, повышают давление газа для начала образования и распространения конической трещины из угла дна шпура до поверхности подлежащего разрушения материала.

Преимуществом изобретения является то, что предлагаемые устройство и способ предусматривают наличие средства для уплотнения впрыскивающего средства, находящегося в шпуре на расстоянии от поверхности материала, подлежащего разрушению, а не у поверхности материала, подлежащего разрушению. Это отличие представляет собой важный отличительный признак изобретения по сравнению с известными устройством и способом.

Размещение уплотнения на поверхности на расстоянии от выхода на поверхность шпура в материале, подлежащем разрушению, обеспечивает концентрацию находящегося под давлением газа в нижней части шпура. При этом энергия передается только материалу, находящемуся в нижней части шпура, благодаря чему образующие трещины распространяются из угла дна шпура и доходят до поверхности разрушаемого материала, а не проходят по всей длине шпура в разрушаемом материале. Вследствие обеспечения уплотнения у дна шпура, согласно изобретению обеспечивается возможность создания значительно более высоких давлений газа внутри шпура, например свыше 500 МПа, и благодаря этому возможность образования и распространения трещины, доходящей до поверхности, в отличие от известных устройства и способа, которые способны создавать лишь значительные более низкие давления и не могут обеспечить образование и распространение трещины, доходящей до поверхности.

Кроме того, посредством уменьшения уплотняемой части шпура по сравнению с известными способами и устройством изобретение обеспечивает распространение трещины из угла дна шпура, доходящей до поверхности разрушаемого материала, обеспечивая возможность удаления большого количества материала, расположенного над трещиной.

На фиг. 1 изображена общая траектория конической трещины в материале при известном процессе ее развития с быстрым нарастанием давления; на фиг. 2 - различные варианты шпуров, сформированных посредством ударного бурения; на фиг. 3: А трубчатая направляющая с пробойным зарядом ракетного топлива и пробойником, используемыми в устройстве для разрушения материала, согласно изобретению; Б трубчатая направляющая с пробойником и шарнирным соединением, используемыми в устройстве для разрушения материала, согласно изобретению; В гильза трубчатой направляющей со спирально навитой на нее ленточной прокладкой, используемой в устройстве для разрушения материала, согласно изобретению; на фиг. 4 узел удлинителя стрелы, бура, трубчатой направляющей, опорного конуса и средства для управления зарядом, используемых в устройстве для разрушения материалов, согласно изобретению; на фиг. 5 А, Б узел гильзы, трубчатой направляющей, патрона и средства управления зарядом, используемых в устройстве для разрушения материалов, согласно изобретению; на фиг. 6 - вариант выполнения средства уплотнения для шпура двухступенчатой конструкции, используемого в устройстве для разрушения материала, согласно изобретению; на фиг. 7 А Г стандартный патрон пятидесятого калибра с зарядом ракетного топлива, используемый в устройстве для разрушения материалов, согласно изобретению; на фиг. 8, 9 варианты выполнения рудничной установки, использующей устройство для разрушения материалов, согласно изобретению: на фиг. 10 А В три варианта выполнения отвальных систем, используемых в рудничной установке на фиг. 9; на фиг. 11 А, Б многоступенчатое буровое долото, используемое в устройстве для разрушения материала, согласно изобретению.

На фиг. 1 проиллюстрировано известное развитие проникающей конической трещины, которое имеет место, когда, в основном, цилиндрический шнур 1 уплотнен и реактивное топливо или взрывной заряд 2 воспламеняется в шпуре 1. В процессе сгорания в шпуре 1 быстро повышается давление и по периметру дна 3 шпура 1 начинается образование трещины скальной породы. Начальная трещина обычно распространяется вниз в породу и затем поворачивается в сторону свободной поверхности, так как поверхностные эффекты становятся движущей силой. В данном случае проникающие конические трещины 4 создают с помощью неглубоких шпуров 1 с небольшими зарядами 2 ракетного топлива.

На фиг. 2 проиллюстрированы различные типы шпуров, которые могут быть использованы с целью облегчения разрушения материалов проникающей конической трещиной 4. Шпур 5 может быть пробурен с дном 6 с четким углом 90^o. Скругленный или изношенный карбидный конец долота создает дно 7 шпура 8 с радиусом скругления. Такое скругленное дно 7 шпура 8 является вредным. Может быть использовано другое долото, которое создает цилиндрический шпур 9 с выемками 10 на его дне, перпендикулярными боковым стенкам шпура 9. Крайне четкие, если не имеют выемки, днища шпуров способствуют образованию конической трещины. Предпочтительные шпуры 11 и днища 12 образуются с помощью долота ударного бурения. Хотя днища шпуров, полученных с помощью бурения алмазным сердечником, являются более четкими, шпуры 11 и днища 12, полученные с помощью ударного бурения, позволяют получить очень хорошие образования конической трещины. Дополнительные дефекты в виде микротрещин 13, возникающих в породе в результате ударного бурения, особенно по радиусу дна шпура, являются более чем достаточными для адекватного образования трещины. Таким образом, предпочтительное ударное бурение шпура исключает необходимость построения специальной геометрии дна шпура.

Устройство для разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона содержит средство для генерирования газа и связанное с ним средство для впрыска генерированного газа в шпур, имеющее средство для его уплотнения. Средство для впрыска генерированного газа со средством уплотнения размещено внутри шпура, выполненного в разрушаемом материале на расстоянии от свободной поверхности последнего с возможностью обеспечения уплотнения части шпура вблизи его дна. Средство для генерирования газа выполнено в виде трубчатой направляющей 14 (см. фиг. 3А) с пробойным зарядом ракетного топлива 15 и пробойником 16 с резьбой закрывается заглушкой 17 (см. фиг. 3Б). Шаровое шарнирное соединение 18 имеет штырь 19 с каналом 20, в который входит забойная штанга 21. Шарнирное соединение 18 позволяет установить гильзу 22 трубчатой направляющей 14 соосно шпуру для полного введения трубчатой направляющей 14 внутрь шпура при неточном совмещении из-за смешения опорного конуса 23 (см. фиг. 4), описанного ниже.

Средство для впрыска генерированного газа в шпур выполнено в виде вышеуказанной цилиндрической гильзы 22, имеющей камеру 24 (см. фиг. 5 Б) для генерирования газа и сообщенный с камерой 24 канал 25, имеющий выходное отверстие для впрыска газа в шпур.

Средство для уплотнения средства для впрыска (см. фиг. 6 А, В) выполнено в виде латунной ленточной прокладки 26, спирально навитой вокруг конической части 27 гильзы 22.

Использование спиральной прокладки 26 для уплотнения позволяет лучше сохранить давление газа и более высокое максимальное давление в шпуре. Спирально навитая ленточная прокладка 26 эффективно снижает утечку газов реактивного топлива в течение возрастания давления и распространения трещины, а также уменьшает эрозию вокруг внешней части гильзы 22.

Другой вариант выполнения средства для уплотнения (см. фиг. 6) предназначен для уплотнения шпура 28 с двумя ступенями 29, 30. Шпур 28 бурится так, чтобы имело место очень небольшое изменение диаметра у уплотняющего ступени 29. Наличие слишком большого диаметра у этой ступени 29 приведет к значительному ее скалыванию и растрескиванию при увеличении давления, таким образом позволяя давлению газа падать и препятствуя разрушению материала проникающей конической трещиной. Предпочтительно небольшое изменение диаметра уменьшает скалывание или растрескивание ступени 29. Гильза 31 имеет коническую часть 32 для частичной подгонки внутри шпурам 28 и образует уплотнение 33 у уплотняющей ступени 34.

Для воспламенения заряда ракетного топлива 15 устройство содержит систему зажигания, состоящую из патронов 35 (см. фиг. 7 А) пятидесятого калибра, содержащих дополнительное ракетное топливо 36, размещенное в полой оболочке 37.

Полая оболочка 37 или кожух могут быть выполнены из пластмассы или алюминия. Алюминиевые оболочки 37 или кожухи частично реагируют со сгорающим ракетным топливом, обеспечивая дополнительную реактивную энергию, а расплавленный алюминий служит для дополнительного улучшения уплотнения шпура у ступени с большим ступенчатым радиусом. Для немного большего размера разрушения проникающей конической трещиной или для работы, требующей значительно большего заряда ракетного топлива, могут быть использованы стандартные 20-миллиметровые патроны. Патрон 35 имеет запальный капсюль 38, канальный заряд 39 и вспомогательную набивку 40.

Средство 41 управления зарядом (см. фиг. 4), предназначенное для введения патронов 35 в пробойный заряд ракетного топлива 15, размещено на трубчатой направляющей 14 и содержит простой гидравлический цилиндр 42 (фиг. 5 Б) двойного действия, пробойный блок или затвор 43, активизирующийся цилиндром 42, качающийся питатель 44 (см. фиг. 5А), используемый для позиционирования патронов 35 с возможностью центровки с пробойником при поступлении патронов 35 из подающей трубы 45. Питатель 44 управляется пневматическим или гидравлическим цилиндром (не показан). Средство 41 содержит также простой механический пружинный зажим 46 (см. фиг. 5 Б) для удаления патрона 35 и небольшой воздушный струйный коллектор 47, расположенный под пробойной частью 48 трубчатой направляющей 14 и используемый для выброса патрона 35.

Устройство содержит также средство для приложения усилия к средству для впрыска для обеспечения значительного сопротивления усилию, воздействующему на средство для впрыска, в результате повышения давления газа выполнено в виде одной или более стрел 49 (см. фиг. 8), используемых в рудничных установках 50 на гусеничном ходу и выполненных с возможностью поворота вокруг своих продольных осей, и удлинителя 51, смонтированного на стреле 49 с помощью монтажной плиты. Удлинитель 51 имеет внутренние гидравлические цилиндры 52 и выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси стрелы 49.

Цилиндры 52 находятся внутри уплотненного трубчатого каркаса 53. Бур 54, являющийся средством для формирования шпура в поверхности материала, и трубчатая направляющая 14 смонтированы на противоположных сторонах удлинителя 51 с плитами скольжения 55, 56 и дополнительно поддерживаются люльками 57, 58. На торце 59 удлинителя 51 смонтирован опорный конус 23 приблизительно параллельно разрабатываемой поверхности 60. Этот конус 23 является средством для центровки, функционально связанным со средством для формирования шпура и средством для впрыска газа, для последовательного центрирования средства для формирования шпура и средства для впрыска газа с шпуром, т. е. он определяет последовательность взрыва.

Рудничная установка содержит также отвальный лоток 61 (см. фиг. 9) и конвейерную систему 62, присоединенную к рудничной тележке.

На фиг. 10 А В показаны три возможные известные отвальные системы для использования с рудничным устройством изобретения. Стандартные отвальные вспомогательные устройства используют собирающие рычаги 63, собирательные диски 64 или грузовые цепи 65, пластины подошвы 66 и конвейеры 67. Установки, оборудованные режущими инструментами с резцами нанесенного или цилиндрического типа, являются стандартными. Осколки породы, образующиеся во многих различных операциях, обычно мелкие и легко собираются собирающимся диском 64 или грузовой цепью 65. Для установок, модифицированных двумя стрелами, буром, проникающей конической трещиной и средством управления зарядом, полученное распределение размеров осколков породы включает больше более крупных осколков и меньше более мелких и обычно предпочтительными в этом случае являются собирающие рычаги 63 в качестве вспомогательных устройств. Отвал происходит непрерывно во время бурения и взрыва шпуров.

На фиг. 11 А, Б представлены детали специального карбидного многоступенчатого долота стального бура 68, используемого для создания небольшого изменения диаметра шпура одного из уплотняющих средств. Трехкомпонентная комбинация долота включает стальные карбидные вставки 69, 70 для ступенчатых частей долота. Ведущий наконечник 71 малого диаметра для бурения конической растрескивающей части шпура должен испытывать самую большую величину износа и является отдельно заменяемым.

Способ разрушения материалов твердых плотных скальных пород и бетона с помощью вышеописанного устройства осуществляется следующим образом.

Сначала экскавационный бур 54 (см. фиг. 4) поворачивают в соответствующее положение вокруг опорного конуса 23 и с его помощью бурят шпур 28 для проникающей конической трещины в разрабатываемой поверхности 66.

Шпуры имеют сравнительно небольшую величину отношения глубины к диаметру, составляющие диапазон примерно (2,5 1) 0 1, а предпочтительно примерно (3 1) (4 1). Шпуры могут быть пробурены с четким дном для увеличения образования трещин на дне шпура или с выемкой у дна или в других местах для обеспечения предпочтительного образования трещин. Микрорастрескивание от ударного бурения является крайне выгодным для этого процесса благодаря образованию центров образования трещин.

После того, как будет пробурен шпур 28 для получения проникающей конической трещины, поворачивают трубчатую направляющую 14 вокруг опорного конуса 23 в положении совмещения с осевой линией шпура 28. В то же самое время экскавационный бур 54 поворачивают в положение, в котором первоначально находилась трубчатая направляющая 14. Средство 41 управления зарядом перемещают вперед до тех пор, пока гильза 31 (см. фиг. 7) перфоратора не расположится в шпуре 42 для проникающей конической трещины (см. фиг. 6). Гильза 31 устанавливается, забивается и уплотняется в ступенчатом шпуре 28, полученном с помощью ударного бурения. Жидкое ракетное топливо поступает в камеру 24 (см. фиг. 5 Б) через отверстие, отверстие закрывается.

После того, как гильза 31 (см. фиг. 6) займет свое положение в шпуре 28 для проникающей конической трещины, производится воспламенение заряда ракетного топлива 15 и впрыск находящегося под высоким давлением газа на дно шпура 28 для проникающей конической трещины под нижним концом гильзы 31. Коническая часть 32 образует уплотнение с уплотняющей ступенью 43, обеспечивая нарастание давления газа на дне шпура 28, под действием которого происходит образование трещины в скальных породах. Трещины распределяются с боков дна шпура 28 так, что трещина распространяется примерно параллельно поверхности, в которой пробурен шпур 28, и большая, обычно плоская изымаемая часть материала разрушается и падает с поверхности для отвала и транспортирования из рудника.

Эта трещина будет распространяться с меньшей затратой энергии благодаря ее расстоянию от свободной поверхности и будет таким образом отделять и изымать материал более эффективно, чем при обычном методе бурения и взрыва или просто бурения. Благодаря меньшим энергиям, требуемым для эффективного разрешения материала, скорость, передаваемая разрушенному материалу, будет меньше, чем при обычном разрешении и, таким образом, оборудование и/или персонал могут находиться близко к поверхности, подвергаемой бурению и экскавации, давая возможность проводить процесс непрерывно.

Система быстрой выемки грунта с помощью малых зарядов целесообразна для операций разработки месторождений и гражданского строительства, где чувствительные конструкции, оборудование и персонал находились бы вблизи разрабатываемой поверхности. Эта система предпочтительна в отдельных операциях разработки месторождений, где рудоносная порода могла бы быть фрагментарной и обрабатываться отдельно от пустой породы. Пустая порода тогда могла бы оставаться под землей и быть исключена из традиционных операций перевозки и измельчения.

Формула изобретения

1. Устройство для разрушения материалов, в том числе твердых плотных скальных пород и бетона, содержащее средство для генерирования газа и связанное с последним средство для впрыска генерированного газа в шпур, имеющее средство для его уплотнения, отличающееся тем, что средство для впрыска генерированного газа со средством уплотнения размещено внутри шпура, выполненного в разрушаемом материале, на расстоянии от свободной поверхности последнего с возможностью обеспечения уплотнения части шпура вблизи его дна.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для уплотнения выполнено в виде ленточной прокладки, функционально связанной со средством для впрыска газа в шпур.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для впрыска и средство для уплотнения содержат коническую гильзу.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для впрыска выполнено в виде цилиндрической гильзы, имеющей камеру для генерирования газа и сообщенный с камерой канал, имеющий выходное отверстие для впрыска газа в шпур.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для генерирования газа содержит заряд ракетного топлива и систему зажигания для воспламенения заряда.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит средство для приложения усилия к средству для впрыска для предотвращения выброса его из шпура при повышении давления газа.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство для формирования шпура в поверхности материала, подлежащего разрушению, и средство для центровки, функционально присоединенное к средству для формирования шпура и средству для впрыска газа для последовательного центрирования средства для формирования и средства для впрыска со шпуром.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что средство для центровки выполнено с возможностью поворота вокруг оси для последовательного центрирования средства для формирования и средства для впрыска со шпуром.

9. Способ разрушения материалов, в том числе твердых плотных скальных пород и бетона, согласно которому с поверхности подлежащего разрушению материала формируют шпур, подают в шпур газ с помощью средства для впрыска газа, отличающийся тем, что средство для впрыска газа размещают в шпуре и уплотняют в последнем на расстоянии от свободной поверхности подлежащего разрушению материала, повышают давление газа для начала образования и распространения конической трещины из угла дна шпура до поверхности подлежащего разрушению материала.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что средство для впрыска уплотняют посредством выполнения уплотняющей ступени на внутренней поверхности шпура вблизи его дна.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в углу дна шпура выполняют выемку для облегчения образования и распространения конической трещины.

12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что шпур выполняют с соотношением глубины к его диаметру от 2,5:1 до 10:1.

13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что расстояние установки средства уплотнения принимают от свободной поверхности подлежащего разрушению материала равным не менее половины глубины шпура.

14. Способ по п. 9, отличающийся тем, что средство для впрыска газа уплотняют в шпуре сцеплением конической части средства для впрыска газа со шпуром.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 22-2001

(73) Патентообладатель:Фирма "Санберст Екскевейшн, Инк. (US)

Договор № 12398 зарегистрирован 24.04.2001

Извещение опубликовано: 10.08.2001