Способ разрушения горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, разборки сооружений, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня и кристаллического сырья. Способ включает бурение шпуров, заполнение шпуров неньютоновской жидкостью, а затем сыпучим материалом и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую нагрузку. Продольные трещины формируют одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось шпура. Угол между двумя любыми плоскостями находится в пределах от 90 до 180^o. Изобретение обеспечивает повышение эффективности разрушения горной породы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для раскалывания негабаритов, разборки сооружений, отбойки блоков от массива, добычи строительного камня и кристаллического сырья.

Известен способ разрушения горных пород по патенту РФ 2079654, кл. Е 21 С 37/02, опубл. в БИ 14, 1997 г. Он включает бурение шпуров, заполнение их сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, внедрение в сыпучий материал клиньев таких размеров, чтобы разрыв горной породы происходил в зоне их сходящихся поверхностей.

В этом способе силовое воздействие осуществляют лишь на стенки шпуров. Поэтому размеры разрыва от каждого из шпуров, следовательно, и эффективность разрушения горной породы оказываются сравнительно небольшими.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разрушения горных пород по патенту РФ 2131032, кл. Е 21 С 37/02, опубл. в БИ 15, 1999 г., включающий бурение шпуров, которые сперва заполняют неньютоновской жидкостью, а затем сыпучим или монолитным материалом, который под действием механической нагрузки становится сыпучим, и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку.

В этом способе из одиночного шпура разрыв горной породы осуществляют лишь в одной плоскости (формируют одну трещину вдоль шпура), что обуславливает его относительно низкую эффективность.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности разрушения горной породы за счет ее разрыва из одного шпура по трем направлениям одновременно.

Задача решается тем, что в способе разрушения горных пород, включающем бурение шпуров, которые заполняют неньютоновской жидкостью, а затем сыпучим материалом, и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, согласно предлагаемому техническому решению продольные трещины формируют одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось шпура, при этом угол между двумя любыми плоскостями находится в пределах от 90 до 180 градусов.

Принятая совокупность признаков позволяет разрушать горную породу растягивающими усилиями и таким образом, что каждая из трех формируемых продольных трещин способствует развитию двух остальных. В результате порода разрушается одновременно в трех направлениях с минимальной затратой энергии. Это позволяет при разрушении заданного объема горной породы уменьшить количество требуемых шпуров и тем самым существенно сократить объем буровых работ. Следует также отметить, что при добыче ценного кристаллического сырья, содержащего, например, изумруды, за счет уменьшения количества шпуров снижается вероятность безвозвратной потери драгоценных ювелирных камней, которые разрушаются внедряющейся в горную породу буровой коронкой.

Таким образом, принятая совокупность признаков, обеспечивающая возможность из одного шпура образовывать три трещины одновременно, в сравнении с выбранным прототипом позволяет существенно повысить эффективность разрушения горных пород.

Целесообразно, чтобы угол между двумя любыми плоскостями, проходящими через ось шпура, составлял 120 градусов. В этом случае каждая из трех формируемых продольных трещин не только способствует развитию двух остальных трещин, но и развивается с ними в одинаковых условиях. В результате образуется система из трех одинаковых симметричных шпуру трещин, устойчивая к влиянию различных внешних факторов (микротрещин, пор, неоднородностей). Это позволяет наиболее просто управлять процессом разрыва горной породы, создавать эффективную технологию отделения блоков камня от массива.

Целесообразно шпуры бурить таким образом, чтобы любые три соседние шпура, не лежащие в одной плоскости, проходили через вершины равносторонних треугольников, перпендикулярных осям шпуров. Это позволяет разбирать массив камня на шестигранные блоки правильной формы, которые затем легко укладывать при возведении стен и других сооружений.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показана схема до формирования в стенке шпура продольных трещин, разрез вдоль шпура; на фиг.2 - схема формирования продольных трещин, разрез поперек шпура; на фиг.3 - схема взаимного положения шпуров.

В горной породе 1 (фиг.1) бурят шпур 2, в забое которого формируют поперечную трещину 3 известным способом. Часть шпура 2 заполняют сыпучим материалом 4 таким образом, чтобы он перекрывал поперечную трещину 3. После этого шпур 2 заполняют неньютоновской жидкостью 5, а возле устья - сыпучим материалом 6. В шпур 2 вводят штангу 7 с кольцевым упором 8, на торце которого установлены режущие органы 9 под углом, например, 120^o друг к другу. К верхнему торцу штанги 7 (выходящему за пределы шпура 2) прикладывают периодическую ударную нагрузку. Клинья 9 прорезают в стенках шпура 2 бороздки 10 и внедряются в сыпучий материал 6. Когда торец кольцевого упора 8 вступает в контакт с сыпучим материалом 6, в шпуре 2 в момент действия ударного импульса повышается давление неньютоновской жидкости 5 до возникновения продольных трещин 11 (см. фиг.2). Развитие продольных трещин 11 осуществляют вытеснением в них неньютоновской жидкости 5 из шпура 2 путем перемещения штанги 7 в направлении забоя. Заполнение шпура 2 неньютоновской жидкостью 5 и ее вытеснение в продольные трещины 11, при необходимости, осуществляют многократно. Когда продольные трещины 11 достигают требуемых размеров, операции по вытеснению в них неньютоновской жидкости 5 из шпура 2 прекращают.

Для разбора массива горных пород на блоки одинаковых размеров и формы шпуры 2 (фиг. 3) бурят таким образом, чтобы любые три соседние шпура 2, не лежащие в одной плоскости, проходили через вершины равносторонних треугольников 12, перпендикулярных шпуру. Продольные трещины 11 ориентируют так, чтобы образовывались блоки с шестью гранями. Полученные блоки затем проходят дальнейшую обработку либо используются для возведения каменных стен или других сооружений.

Предлагаемый способ основан на применении сочетания двух закономерностей, установленных в ходе специальных исследований. Первая из них заключается в том, что при импульсном воздействии на неньютоновскую жидкость в ней возникает и длительное время сохраняется градиент давления в направлении от точки приложения силы. Благодаря этой особенности процессом разрыва горной породы можно управлять и создавать симметричные относительно шпура трещины. При этом неньютоновская жидкость используется в качестве адаптирующегося к размерам создаваемой трещины клина. Она, в отличие от высокоподвижной жидкости, не проникает и, следовательно, не развивает встречающиеся на пути создаваемой трещины поры и микротрещины, которые имеются в любой горной породе. Для неньютоновской жидкости, обладающей значительным сопротивлением изменению внешней формы, легче раздвигать поверхности создаваемой трещины, чем проникать в нее на большую глубину. Поэтому неньютоновская жидкость продолжает развивать трещину и тогда, когда последняя выходит на свободную поверхность. Вместе с этим неньютоновская жидкость с горной породой имеет относительно большую площадь взаимного контакта, из-за чего прикладываемая к ней сила (нагрузка) передается поверхностям трещины многократно увеличенной. Усилие, с которым неньютоновская жидкость воздействует на поверхности трещины, не может быть достигнуто существующими механизмами.

Вторая закономерность обусловлена количеством одновременно формируемых трещин. Характер развития трещины во многом зависит от напряженного состояния среды, в которой она формируется. С другой стороны, трещина вокруг себя сама создает поле напряжений, определяемое ее размерами и ориентацией. Из-за этого развивающиеся трещины взаимодействуют между собой. Если угол между двумя трещинами меньше 90^o, то каждая из них своим полем сдавливает другую и тем самым мешает ее развитию. В этом случае преимущественно развивается трещина с наибольшими размерами. Вместе с этим существуют условия, когда трещины способствуют развитию друг друга. Эти условия возникают при веерном расположении трех трещин относительно шпура и угле между двумя любыми трещинами в пределах от 90 до 180 градусов. Причем, как показали эксперименты, наиболее устойчивое и равномерное развитие одновременно трех трещин происходит тогда, когда угол между двумя любыми трещинами составляет 120 градусов.

Применение сочетания отмеченных закономерностей обеспечивает возможность управляемого и устойчивого развития ориентированной системы трещин растягивающими усилиями и тем самым разрушения горной породы по заданным направлениям и с наименьшей затратой энергии.

Предлагаемым способом технически реализуется идея использования особенностей разрыва хрупкой среды неньютоновской жидкостью и закономерностей взаимодействия трещин, развивающихся в хрупкой среде, для повышения эффективности разборки массива горных пород на блоки требуемых размеров. Способ может применяться на любых горных предприятиях без создания специальных технических средств.

Формула изобретения

1. Способ разрушения горных пород, включающий бурение шпуров, которые заполняют неньютоновской жидкостью, а затем сыпучим материалом, и внедрение в сыпучий материал клиньев, к которым прикладывают периодическую ударную нагрузку, отличающийся тем, что продольные трещины формируют одновременно в трех плоскостях, проходящих через ось шпура, при этом угол между двумя любыми плоскостями находится в пределах от 90 до 180^o.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол между двумя любыми плоскостями, проходящими через ось шпура, составляет 120^o.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что шпуры бурят таким образом, чтобы любые три соседние шпура, не лежащие в одной плоскости, проходили через вершины равносторонних треугольников, перпендикулярных осями шпуров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3