Устройство для направленного разрушения горной породы

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для разрушения горной породы с целью добычи ценного кристаллического сырья, строительства дорог и туннелей в гористой местности, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов. Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет возможности использования для разрыва горной породы неньютоновской жидкости и формирования трещин в нескольких плоскостях одновременно. Устройство включает гидроцилиндр, ударный поршень и насадок в виде раздвижных щек с твердосплавными наконечниками, установленный в подпоршневой части гидроцилиндра и примыкающий своей боковой поверхностью к внутренней поверхности гидроцилиндра с возможностью осевого перемещения. К гидроцилиндру через радиальное отверстие подсоединен механизм подачи неньютоновской жидкости, на внутренней поверхности гидроцилиндра выполнена винтовая канавка, с помощью которой указанное радиальное отверстие соединено с подпоршневой частью гидроцилиндра. На внешней поверхности насадка выполнены кольцевые пазы, в которых установлены кольца из упругого материала для устранения продольного перемещения раздвижных щек относительно друг друга. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для направленного разрушения горной породы с целью добычи ценного кристаллического сырья, строительства дорог и туннелей в гористой местности, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.

Известно скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ № 2167295, кл. Е 21 С 37/06, опубл. в БИ №14, 2001. Оно включает трубу, герметизирующую втулку, надетую на конец трубы, узел вращения трубы относительно герметизирующей втулки, шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения, вибратор, закрепленный на конце штока, и штуцер для нагнетания рабочей жидкости в трубу. На конце трубы со стороны герметизирующей втулки выполнена коническая резьба, а на другом ее конце надет стакан с центральным отверстием в дне. Шток пропущен через трубу и центральное отверстие в дне стакана и выполнен с кольцевым упором в дно стакана изнутри и кольцевым выступом на свободном от вибратора конце. По всей длине боковой поверхности кольцевого выступа выполнена винтовая канавка. Герметизирующая втулка выполнена из упругопластичного материала. Штуцер для нагнетания рабочей жидкости установлен на трубе между кольцевым упором и кольцевым выступом штока.

Устройство предназначено для образования наплавленных трещин в скважинах. При отсутствии скважин оно не может быть использовано для разрушения горной породы. Это обусловливает относительно низкую эффективность работы устройства и ограничивает область его применения, ибо бурение скважин трудоемко и не всегда возможно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для направленного разрушения горной породы по авторскому свидетельству СССР № 1786255, кл. Е 21 С 37/00, 37/12, опубл. в БИ № 1, 1993. Оно включает гидроцилиндр с обратным клапаном, ударный поршень и насадок, установленный в под поршневой части гидроцилиндра и примыкающий своей боковой поверхностью к внутренней поверхности гидроцилиндра с возможностью осевого перемещения. Подпоршневая часть гидроцилиндра выполнена в продольном сечении шестиугольной формы, а насадок выполнен в виде двух раздвижных щек с твердосплавными наконечниками. При этом щеки имеют в продольном сечении форму неправильных четырехугольников, образующих при смыкании клин с обращенным к поршню основанием и треугольным углублением в нем.

Устройство предназначено для разрыва горной породы низковязкой жидкостью и лишь в одной плоскости. Имеет обратный клапан, снижающий надежность. Это обусловливает сравнительно низкую эффективность работы устройства.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности работы устройства за счет возможности использования для разрыва горной породы неньютоновской жидкости и формирования трещин в нескольких плоскостях одновременно.

Задача решается тем, что в устройстве для направленного разрушения горной породы, включающем гидроцилиндр, ударный поршень и насадок в виде раздвижных щек с твердосплавными наконечниками, установленный в под поршневой части гидроцилиндра и примыкающий своей боковой поверхностью к внутренней поверхности гидроцилиндра с возможностью осевого перемещения, согласно предлагаемому техническому решению к гидроцилиндру через радиальное отверстие подсоединен механизм подачи неньютоновской жидкости, на внутренней поверхности гидроцилиндра выполнена винтовая канавка, с помощью которой указанное радиальное отверстие соединено с подпоршневой частью гидроцилиндра, а на внешней поверхности насадка выполнены кольцевые пазы, в которых установлены кольца из упругого материала для устранения продольного перемещения раздвижных щек относительно друг друга.

В результате подсоединения к гидроцилиндру через радиальное отверстие механизма подачи неньютоновской жидкости и выполнения на внутренней поверхности гидроцилиндра винтовой канавки, с помощью которой указанное радиальное отверстие соединено с подпоршневой частью гидроцилиндра, предлагаемое устройство способно осуществлять разрыв горной породы неньютоновской жидкостью. Благодаря кольцевым пазам на внешней поверхности насадка, в которых установлены с возможностью радиального расширения кольца из упругого материала для устранения продольного перемещения раздвижных щек относительно друг друга, насадок можно составлять из множества (более двух) раздвижных щек. В совокупности это повышает эффективность работы устройства за счет разрыва горной породы неньютоновской жидкостью и формирования трещин в нескольких плоскостях одновременно.

Целесообразно, чтобы раздвижные щеки образовывали усеченный конус, к большему основанию которого примыкает правильная пирамида, и чтобы при этом плоскости взаимных контактов раздвижных щек проходили через ось усеченного конуса и ребра правильной пирамиды, а малое основание усеченного конуса было обращено к ударному поршню. Это позволяет ориентировать плоскости разрыва горной породы, а через зазоры, образующиеся между раздвижными щеками при их расхождении в радиальном направлении, подавать неньютоновскую жидкость в формируемые трещины.

Целесообразно, чтобы при этом правильная пирамида была бы треугольной. Это позволяет одновременно образовывать три трещины под углом 120° друг к другу и тем самым обеспечивать условие устойчивого развития системы трещин таким образом, что формируемые трещины способствуют взаимному росту.

Целесообразно корпус механизма подачи неньютоновской жидкости выполнить в виде трубы с продольной прорезью и снабдить штоком. установленным с возможностью возвратно-поступательного движения. Это позволяет подавать неньютоновскую жидкость порциями заданного объема, запирать канал подвода неньютоновской жидкости в гидроцилиндр во время действия ударной нагрузки, осуществлять дозаправку механизма подачи неньютоновской жидкости в процессе работы.

Целесообразно корпус механизма подачи неньютоновской жидкости снабдить емкостью с каналом подвода ее содержимого к продольной прорези трубы. Это дает возможность механизировать заправку механизма подачи неньютоновской жидкости.

Целесообразно в корпусе механизма подачи неньютоновской жидкости выполнить радиальное отверстие, в котором установить штуцер для нагнетания жидкого компонента неньютоновской жидкости. Это позволяет изменять соотношение компонентов неньютоновской жидкости и тем самым регулировать ее текучесть в процессе работы устройства.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показано устройство для направленного разрушения горной породы, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство для направленного разрушения горной породы (фиг.1) состоит из гидроцилиндра 1 с конусным расширением 2 на конце, продольными прорезями 3, винтовой канавкой 4 на внутренней поверхности гидроцилиндра 1 и радиальным отверстием 5. На конце гидроцилиндра 1 со стороны конусного расширения 2 по окружности выполнены дополнительные отверстия 6. В гидроцилиндре 1 установлен насадок 7, примыкающий своей боковой поверхностью к внутренней поверхности конусного расширения 2 с возможностью осевого перемещения. Насадок 7 состоит из раздвижных щек 8 (фиг.2), образующих усеченный конус, к большему основанию которого примыкает правильная пирамида. Со стороны малого основания усеченного конуса в насадке 7 выполнено несквозное осевое отверстие 9. На боковой поверхности усеченного конуса имеются кольцевые пазы 10, в которых установлены кольца 11 из упругого материала, исключающие возможность продольного перемещения раздвижных щек 8 относительно друг друга. В дополнительных отверстиях 6 установлены штыри 12 от выпадения насадка 7 из гидроцилиндра 1 во время транспортирования устройства. В гидроцилиндр 1 введен ударный поршень 13 (далее поршень 13) с двухступенчатым кольцевым выступом 14 на выходящем из гидроцилиндра 1 конце, поперечным отверстием 15 и кольцевым пазом 16, в котором установлено уплотнительное кольцо (не обозначено). При этом насадок 7 расположен в под поршневой части гидроцилиндра 1. Поршень 13 пропущен через шайбу 17, установленную на свободном от конусного расширения 2 торце гидроцилиндра 1. На поршень 13 между ступенью (с большим радиусом) кольцевого выступа 14 и шайбой 17 надета пружина 18. В поперечном отверстии 15 через продольные прорези 3 установлен стержень 19, длина которого больше диаметра поршня 13. К отверстию 5 подсоединен механизм подачи неньютоновской жидкости, который имеет корпус 20 в виде двух соединенных торцами и имеющих единую ось труб с разными диаметрами. В корпусе 20 установлен притертый к внутренней его поверхности шток 21 с кольцевым выступом 22, который выполняет функцию поршня. На корпус 20 со стороны торца с большим диаметром навинчен стакан 23 с отверстием (не обозначено), в котором установлен штуцер 24. Для установки штока 21 в исходное положение в корпусе 20 выполнено радиальное отверстие с резьбой (не обозначено), в котором установлен штуцер 25. Механизм подачи неньютоновской жидкости снабжен емкостью 26 с каналом подвода ее содержимого к продольной прорези (не обозначена), выполненной в трубе (корпусе 20). Свободный от стакана 23 конец корпуса 20 подсоединен к гидроцилиндру 1 с помощью втулки 27 и стопорной гайки 28. Емкость 26 заполнена сыпучим материалом 29. В корпусе 20 выполнено радиальное отверстие с резьбой (не обозначено), в которое вкручен штуцер 30 для нагнетания в зону приготовления неньютоновской жидкости 31 ее жидкого компонента. Гидроцилиндр 1 своим торцом со стороны конусного расширения 2 уперт в поверхность 32 горной породы, в которой образуют лунку 33 и трещины 34.

Малое основание усеченного конуса насадка 7 обращено в сторону поршня 13. Плоскости взаимных контактов щек 8 проходят через ребра правильной пирамиды и ось усеченного конуса. Количество щек 8 определяет число одновременно формируемых трещин 34. Щеки 8 выполнены из твердого сплава либо снабжены твердосплавными вставками (не показано), которые расположены в вершине правильной пирамиды. Кольца 11 из упругого материала для устранения продольного перемещения раздвижных щек 8 относительно друг друга изготовлены из одного или нескольких витков стальной проволоки. Они позволяют щекам 8 свободно раздвигаться в радиальном направлении, но исключают возможность их продольного перемещения относительно друг друга.

Высоту ступени с меньшим диаметром кольцевого выступа 14 поршня 13 выбирают такой, чтобы при ее контакте с шайбой 17 пружина 18 не подвергалась динамическому воздействию ударной нагрузки. Ход поршня 13 задают расстоянием от стержня 19 до кольцевого выступа 14. Продольную прорезь 3 в гидроцилиндре 1 делают длиннее хода поршня 13.

Отверстие 5 соединено с подпоршневой частью гидроцилиндра 1 витовой канавкой 4. Ее параметры (поперечное сечение и число витков) определяются требованиями к сопротивлению, которое винтовая канавка 4 должна оказывать неньютоновской жидкости 31 в статическом и динамическом режимах нагнетания.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство прикрепляют к стреле самоходной машины и с ее помощью со стороны конусного расширения 2 гидроцилиндра 1 придавливают к поверхности 32 горной породы. Через отверстие 5 и винтовую канавку 4 в гидроцилиндр 1 между поршнем 13 и насадком 7 подают неньютоновскую жидкость 31 путем перемещения штока 21 в направлении отверстия 5. Поддавливая шток 21 нагнетаемой через штуцер 24 жидкостью (маслом), к поршню 13 со стороны его кольцевого выступа 14 прикладывают нагрузку ударными импульсами. Ударные импульсы через поршень 13, неньютоновскую жидкость (практически несжимаемую) и насадок 7 воздействуют на поверхность 32 горной породы и образуют в ней лунку 33. Насадок 7 проникает в лунку 33 до упора конусного расширения 2 гидроцилиндра 1 в поверхность 32. После этого дальнейшее проникновение насадка 7 в лунку 33 сопровождается раздвижением его щек 8, между которыми начинает проникать неньютоновская жидкость 31 и оказывать дополнительное силовое воздействие на горную породу. В результате в горной породе от одновременного воздействия на нее неньютоновской жидкости 31 и щек 8 насадка 7 возникают трещины 34. Дальнейшее развитие трещин 34 происходит под действием давления проникающей в них неньютоновской жидкости 31. Максимальные размеры трещин 34, которые можно сформировать в конкретных условиях, определяются техническими параметрами устройства, свойством неньютоновской жидкости 31 и режимом ее нагнетания. Создав трещины 34 предельных (максимальных) размеров, устройство перемещают в другую точку для продолжения работ по разрушению горной породы.

Предлагаемым устройством разрушение горной породы производят пластичным веществом (неньютоновской жидкостью 31) типа пластилина, обладающего высоким сопротивлением изменению формы. Такие вещества не могут подаваться насосами, предназначенными для нагнетания обычной жидкости. Известные конструкции клапанов также не работают в таких условиях. Поэтому устройство снабжено механизмом подачи неньютоновской жидкости. Вместо клапана на внутренней поверхности гидроцилиндра 1 выполнена винтовая канавка 4 (далее канавка 4), соединяющая радиальное отверстие 5, через которое подается неньютоновская жидкость 31, с подпоршневой частью гидроцилиндра 1. Канавка 4 оказывает слабое сопротивление движению неньютоновской жидкости 31 при статическом режиме ее нагнетания, но очень сильное при импульсном режиме нагнетания. Поршень 13 при перемещении в сторону насадка 7 перекрывает витки канавки 4, резко увеличивая сопротивление движению неньютоновской жидкости 31. Когда поршень 13 находится в верхнем положении, и неньютоновская жидкость 31 через отверстие 5 подается в статическом режиме, сопротивление канавки 4 прохождению через нее неньютоновской жидкости 31 оказывается минимальным. По мере перемещения поршня 13 под действием ударной нагрузки в направлении насадка 7 сопротивление канавки 4 возрастает до максимального значения. Кроме этого, в момент приложения к поршню 13 ударной нагрузки отверстие 5 перекрыто штоком 21, который поддавливается давлением жидкости, подаваемой через штуцер 24. В результате неньютоновская жидкость 31 может вытесняться из гидроцилиндра 1 только через насадок 7 в трещины 34.

Лунка 33 задает ориентацию плоскостей, в которых формируются трещины 34 (происходит разрушение). Поэтому ее надо создавать в первую очередь (до воздействия на горную породу неньютоновской жидкостью 31). Для этого насадок 7 имеет форму усеченного конуса, примыкающего боковой поверхностью к внутренней поверхности конусного расширения 2, из-за чего до контакта гидроцилиндра 1 с поверхностью 32 щеки 8 насадка 7 раздвигаться не могут и тем самым образуют непроницаемую для неньютоновской жидкости 31 заглушку. Лунка 33 формируется только в результате внедрения насадка 7 в горную породу под действием ударных импульсов. Ее можно рассматривать как отпечаток насадка 7 на поверхности 32. Количество граней в лунке 33 соответствует форме вершины правильной пирамиды. После контакта гидроцилиндра 1 с поверхностью 32 щеки 8 насадка 7 получают возможность с углублением в лунку 33 расходиться в радиальном направлении. С этого момента они стремятся раздвинуть грани лунки 33 как за счет внедрения насадка 7 в горную породу, так и за счет давления неньютоновской жидкости 31 на поверхность отверстия 9. Из-за того, что плоскости взаимных контактов щек 8 проходят через ребра пирамиды и ось усеченного конуса, по линиям смыкания граней лунки 33 концентрируются и возрастают растягивающие напряжения до разрыва горной породы с образованием трещин 34.

Предлагаемым устройством реализуется идея направленного разрушения горной породы путем образования в ней трещин по заданным плоскостям. Согласно механике хрупкого разрушения развивающиеся трещины взаимодействуют между собой. Если угол между двумя трещинами меньше 90°, 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, при которых трещины способствуют развитию друг друга. Эти условия возникают при веерном расположении трех трещин и угле между двумя любыми трещинами в пределах от 90° до 180°. Причем, как показали эксперименты, наиболее устойчивое и равномерное развитие одновременно трех трещин происходит тогда, когда угол между двумя любыми трещинами составляет 120°. Для выполнения этого условия предполагается щекам 8 насадка 7 придавать такую форму, чтобы примыкающая к большому основанию усеченного конуса правильная пирамида оказывалась треугольной.

Известные нагнетательные установки не предназначены для подачи неньютоновской жидкости 31 типа пластилина под большим давлением (100 МПа и более). В предлагаемом устройстве неньютоновская жидкость 31 приготавливается из сыпучего материала (например, сухой глины) и жидкого компонента непосредственно в механизме ее подачи. Для этого корпус 20 выполнен в виде трубы (или двух труб с разными диаметрами) с продольной прорезью, за счет чего можно заправлять устройство без его разборки (во время работы). В корпусе 20 с возможностью возвратно-поступательного движения установлен притертый к его внутренней поверхности шток 21. Благодаря такой конструкции во время действия ударной нагрузки обеспечивается запирание канала подвода неньютоновской жидкости 31 к гидроцилиндру 1 путем воздействия на шток 21 давлением жидкости, нагнетаемой через штуцер 24. Подаваемый через отверстие 5 объем неньютоновской жидкости 31 определяется ходом штока 21, величина которого (хода штока) регулируется втулкой 27 с накидной гайкой 28. Возврат штока 21 в исходное состояние осуществляют нагнетанием жидкости (масла) через штуцер 25.

Корпус 20 механизма подачи неньютоновской жидкости 31 снабжен емкостью 26 с каналом подвода ее содержимого (сыпучего материала 29) к продольной прорези корпуса 20. В то время, когда шток 21 перемещается в крайнее правое положение (в направлении от отверстия 5), через указанную прорезь вовнутрь корпуса 20 под действием собственного веса поступает сыпучий материал 29 (один из компонентов неньютоновской жидкости 31). Отметим, что неньютоновская жидкость 31 может состоять и из одного компонента, например восковых шариков, которые в исходном состоянии являются твердыми и способны перемещаться как сыпучий материал, а под действием давления штока 21 во время его перемещения в направлении отверстия 5 превращаются в пластичную массу.

Для приготовления неньютоновской жидкости 31 через штуцер 30 с заданным расходом подают жидкий компонент неньютоновской жидкости, который пропитывает сыпучий материал 29, поступивший через продольную прорезь из емкости 26. При движении штока 21 в направлении отверстия 5 поданный через штуцер 30 жидкий компонент и сыпучий материал 29 перемешиваются, спрессовываются и образуют сплошную пластичную массу (неньютоновскую жидкость 31). Соотношение компонентов неньютоновской жидкости 31, обуславливающее ее текучесть, регулируется расходом подаваемого через штуцер 30 жидкого компонента и периодом возвратно-поступательного движения штока 21. В крайнем левом по чертежу положении штока 21 ни один из компонентов неньютоновской жидкости 31 в зону ее приготовления не подается.

Для автоматизации приготовления неньютоновской жидкости 31 и работы устройства в целом шток 21 имеет кольцевой выступ 22, выполняющий функцию поршня, помещенного в ту часть корпуса 20, которая имеет больший диаметр. Из-за этого попеременной подачей жидкости под давлением через штуцера 24 и 25 шток 21 совершает возвратно-поступательное движение.

Отметим, что для наглядности и простоты изображения на фиг.1 не показаны неньютоновская жидкость 31 внутри гидроцилиндра 1 и уплотнительные элементы некоторых узлов устройства.

Эффективность работы устройства обуславливается также особенностями неньютоновской жидкости 31, которая расклинивает поверхности трещин 34 подобно клиньям. Но в отличие от механических клиньев она не концентрирует напряжения на контакте с горной породой, а проникает в трещины 34 и воздействует на большую площадь поверхности, создавая огромные растягивающие усилия. В то же время по сравнению с обычной жидкостью она обладает высоким сопротивлением движению между двумя сближенными поверхностями. Неньютоновской жидкости 31 легче раздвигать поверхности трещин, чем проникать в них на большую глубину. Преимущественное направление движения неньютоновской жидкости 31 совпадает с направлением действия ударной нагрузки (направлением перемещения поршня 13), т.е. в глубь разрушаемой горной породы. Использование совокупности особенностей неньютоновской жидкости 31, принципов разрушения и новых элементов конструкции позволяет существенно повысить эффективность работы устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для направленного разрушения горной породы, включающее гидроцилиндр, ударный поршень и насадок в виде раздвижных щек с твердосплавными наконечниками, установленный в подпоршневой части гидроцилиндра и примыкающий своей боковой поверхностью к внутренней поверхности гидроцилиндра с возможностью осевого перемещения, отличающееся тем, что к гидроцилиндру через радиальное отверстие подсоединен механизм подачи неньютоновской жидкости, на внутренней поверхности гидроцилиндра выполнена винтовая канавка, с помощью которой указанное радиальное отверстие соединено с подпоршневой частью гидроцилиндра, а на внешней поверхности насадка выполнены кольцевые пазы, в которых установлены кольца из упругого материала для устранения продольного перемещения раздвижных щек относительно друг друга.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что раздвижные щеки образуют усеченный конус, к большему основанию которого примыкает правильная пирамида, при этом плоскости взаимных контактов раздвижных щек проходят через ось усеченного конуса и ребра правильной пирамиды, а малое основание усеченного конуса обращено к ударному поршню.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что правильная пирамида является треугольной.

4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что корпус механизма подачи неньютоновской жидкости выполнен в виде трубы с продольной прорезью и снабжен штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного движения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что корпус механизма подачи неньютоновской жидкости снабжен емкостью с каналом подвода ее содержимого к продольной прорези трубы.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что в корпусе механизма подачи неньютоновской жидкости выполнено радиальное отверстие, в котором установлен штуцер для нагнетания жидкого компонента неньютоновской жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2