Электроимпульсный способ резания блоков горных пород

Авторы патента:

E21C37/18 - с помощью электрических способов и устройств

Владельцы патента RU 2468205:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области резания блоков из природного камня и искусственных материалов. Электроимпульсный способ резания блоков осуществляется путем подачи импульсов высокого напряжения на перемещаемое по блоку, погруженному в жидкость, двухэлектродное устройство с высоковольтным и заземленным электродами. Перед подачей импульсов высокого напряжения на высоковольтный электрод под нижнюю поверхность приподнятого блока подводят заземленный электрод, а высоковольтный электрод устанавливают на боковую поверхность блока на выбранном расстоянии от заземленного электрода. После этого, подавая импульсы высокого напряжения на высоковольтный электрод, по мере разрушения горной породы над заземленным электродом электродное устройство поднимают на высоту блока, затем опускают в исходное положение и операции повторяют до образования необходимого реза. Изобретение позволяет упростить технологию резания блоков горных пород и повысить эффективность работ. 2 ил.

Изобретение относится к области обработки (резания) блоков из природного камня и токонепроводящих искусственных материалов (бетона, керамики и др.) импульсами высокого напряжения и может найти применение в строительной промышленности и горном деле для резания крупных блоков горных пород и изделий из искусственных материалов на блоки меньших размеров.

Известен электроимпульсный способ резания (разрушения) горных пород перемещающимся двухстержневым электродным устройством (патент на изобретение RU №2232271, МПК 7 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 10.07.2004, Бюл. №19), по которому шаг перемещения электродов устройства между двумя электрическими импульсами выбирают из следующего условия:

причем

где W_з - энергия, запасаемая источником импульсов высокого напряжения, Дж;

L - межэлектродный промежуток, мм;

W_опт - оптимальная энергия разрушения за один импульс для горной породы категории крепости по шкале М.М. Протодьяконова, равной 5, Дж;

n - число импульсов между высоковольтным и заземленным электродами.

Основные недостатки этого устройства заключаются в том, что для выноса разрушенной породы (шлама) из прорезаемой щели необходим промывочный узел и что эффективность резания сравнительно низка, т.к. при реализации способа нет возможности оптимально учитывать конкретные условия для перемещения двухстержневого электродного устройства, поскольку по этому способу устройство необходимо перемещать обязательно с постоянно выбранным шагом независимо от того, внедрился или не внедрился разряд в горную породу, каков результат воздействия на горную породу электрических разрядов.

Второй недостаток устранен в способе-прототипе, по которому работает известное устройство для резания горных пород (патент на изобретение RU №2393349, МПК 8 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 27.06.2010, Бюл. №18). Согласно этому способу разрезаемый блок погружают в жидкость, на него устанавливают двухэлектродное устройство, снабженное высоковольтным и заземленным электродами, в межэлектродный промежуток с помощью промывочного узла подают промывочную жидкость, к высоковольтному электроду подводят импульсы высокого напряжения, и одновременно устройство перемещают по блоку горной породы в одну сторону, до края блока, а затем в обратном направлении. Операции перемещения электродов повторяют многократно.

Основной недостаток способа-прототипа связан с необходимостью в промывочной системе для удаления продуктов разрушения, образующихся между электродами. При этом процесс удаления продуктов разрушения по способу-прототипу осложняется тем, что призабойные концы электродов существенно перекрывают образующуюся щель, препятствуя прокачке промывочной жидкости, обогащенной шламом, вдоль реза. Удаление шлама из межэлектродного промежутка путем отсасывания (вверх) еще больше усложняет процесс и систему промывки.

Основным техническим результатом предложенного решения является упрощение и удешевление способа. Он позволяет вести весь процесс резания без применения какой-либо промывочной системы, т.к. образующиеся при резании продукты разрушения выпадают из щели вниз под действием собственного веса.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном способе резания блоков горных пород путем подачи импульсов высокого напряжения на перемещаемое по блоку, погруженному в жидкость, двухэлектродное устройство с высоковольтным и заземленным электродами, согласно предложенному решению, перед подачей импульсов высокого напряжения на высоковольтный электрод под нижнюю поверхность приподнятого блока подводят заземленный электрод, а высоковольтный электрод устанавливают на боковую поверхность блока на выбранном расстоянии от заземленного электрода, после чего, подавая импульсы высокого напряжения на высоковольтный электрод, по мере разрушения горной породы над заземленным электродом электродное устройство поднимают на высоту блока, затем опускают в исходное положение и операции повторяют до образования необходимого реза.

Нецелесообразно процесс резания блоков этим устройством вести сверху вниз, перевернув устройство на 180° и установив его заземленный электрод на верхнюю поверхность блока. При таком варианте изоляционное покрытие высоковольтного электрода препятствует удалению шлама из прорезаемой щели за счет воздействия на него электрического разряда, да и при межэлектродном промежутке более 10-15 мм нет гарантии полного удаления шлама из щели без подачи в нее промывочной жидкости даже при отсутствии такого препятствия.

Пример конкретного выполнения предложенного способа осуществляют с помощью двухэлектродного устройства, изображенного на фиг.1 и 2. На фиг.1 приведено продольное сечение этого устройства, вертикально установленного в заполненном водой баке, в который помещен блок горной породы, а на фиг.2 представлен поперечный разрез устройства в горизонтальной плоскости. Двухэлектродное устройство содержит высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды, призабойные концы которых выполнены в виде заостренных пластин. Высоковольтный электрод 1 снабжен изоляционным (полиэтиленовым) покрытием 3, к нижнему концу которого прикреплен диэлектрический держатель 4 заземленного электрода 2, имеющий Г-образную форму. Верхний конец высоковольтного электрода 1 с изоляционным покрытием 3 пропущен через центральные продольные прорезы нижней направляющей 5 и верхней направляющей 6, через каретку 7, перемещающуюся по верхней направляющей 6, а также через узел периодических подъемов и спусков 8 двухэлектродного устройства. Направляющие 5 и 6, а также диэлектрический держатель 4 выполнены из стеклотекстолита. Концы направляющих 5 и 6 заведены в винипластовые швеллеры 9, которые прикрепляют в вертикальном положении к противоположным стенкам полиэтиленового бака 10 напротив предполагаемого реза. В баке 10 на продольные бетонные опоры 11 кладут блок горной породы 12, при этом опоры располагают так, что предполагаемый рез блока горной породы находится между этими блоками. Верхний конец высоковольтного электрода 1 электрически соединен с источником импульсов высокого напряжения 13, а электрод 2 заземлен с помощью заземляющего проводника 14, изготовленного из оплетки кабеля. Для обеспечения развития каналов электрических разрядов 15 в горной породе и предупреждения перекрытий разрядов по поверхности блока горной породы 12 бак 10 заполняют водой 16 до уровня выше этого блока.

Способ осуществляют следующим образом. На дно бака 10 кладут бетонные опоры 11, располагая их так, чтобы между ними был продольный зазор для прохождения заземленного электрода 2 и его диэлектрического держателя 4. На эти опоры 11 устанавливают блок горной породы 12 из песчаника на известковом цементе и бак 10 заполняют водой 16. Под нижнюю поверхность блока горной породы 12 подводят заземленный электрод 2; одновременно высоковольтный электрод 1 устанавливают призабойным концом на боковую поверхность блока 12 на расстоянии от заземленного электрода, выбранном для конкретной горной породы с учетом параметров импульсов высокого напряжения. Затем на высоковольтный электрод 1 от источника 13 подают импульсы высокого напряжения. Между призабойными концами электродов 1 и 2 непосредственно в горной породе происходят электрические разряды, отрывающие кусочки горной породы (шлам) от блока 12 на высоту h (фиг.1). Высота h имеет переменное значение и если h=0, т.е. отрыва горной породы над заземленным электродом 2 не происходит, например, когда энергии одного электрического разряда недостаточно для отрыва породы, то заземленный электрод препятствует подъему двухэлектродного устройства вверх. По мере разрушения горной породы над заземленным электродом 2 узел периодических подъемов и спусков 8 поднимает двухэлектродное устройство на высоту блока 12 через продольные прорезы нижней и верхней направляющих 5 и 6. После этого двухэлектродное устройство с помощью узла 8 опускают в нижнее положение, а с помощью каретки 7 перемещают в направлении прорезаемой в блоке горной породы 12 щели, и операции повторяют до разрезания этого блока на две части или до образования щели заданной глубины.

Таким образом, предложенный способ значительно проще существующих способов, т.к. позволяет вести резание блоков без прокачки промывочной жидкости, и дешевле, т.к. не требует промывочной системы. Кроме того, в предложенном способе электроды не стоят на пути выхода (выноса) шлама из межэлектродного зазора, поэтому в нем нет затрат энергии на переизмельчение шлама. Так, при расстоянии между высоковольтным 1 и заземленным 2 электродами 14-16 мм объем шлама песчаника фракции более 7 мм увеличился по сравнению со способом-прототипом почти на 80%.

Электроимпульсный способ резания блоков горных пород путем подачи импульсов высокого напряжения на перемещаемое по блоку, погруженному в жидкость, двухэлектродное устройство с высоковольтным и заземленным электродами, отличающийся тем, что перед подачей импульсов высокого напряжения на высоковольтный электрод под нижнюю поверхность приподнятого блока подводят заземленный электрод, а высоковольтный электрод устанавливают на боковую поверхность блока на выбранном расстоянии от заземленного электрода, после чего, подавая импульсы высокого напряжения на высоковольтный электрод, по мере разрушения горной породы над заземленным электродом электродное устройство поднимают на высоту блока, затем опускают в исходное положение и операции повторяют до образования необходимого реза.

Изобретение относится к области разрушения горных пород высоковольтными электрическими разрядами, развивающимися внутри горной породы, и доразрушения твердосплавными резцами вращающегося бурового долота.

Электроимпульсная буровая установка // 2445430

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено для проходки вертикальных и наклонных скважин и стволов. .

Электроимпульсное породоразрушающее устройство // 2441127

Изобретение относится к области горного дела, в частности к техническим средствам со стержневыми электродами для разрушения непосредственно высоковольтными разрядами горных пород и искусственных токонепроводящих материалов при бурении скважин, отверстий и т.п., а также при ремонтно-строительных работах.

Бурильная машина // 2439272

Изобретение относится к буровому оборудованию и может быть использовано в горнорудной промышленности. .

Устройство для подрезания блоков горных пород электрическими разрядами // 2427711

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к добыче горных пород на карьерах и подрезанию керна в стволах и к области производства строительных материалов.

Устройство для термомеханического бурения твердых горных пород // 2426857

Изобретение относится к области бурения твердых горных пород не с выбуриванием керна. .

Электроимпульсный буровой наконечник // 2409735

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин без отбора керна сравнительно большого диаметра (400 мм и более) путем разрушения забоя высоковольтными разрядами, развивающимися в горной породе.

Устройство для резания горных пород // 2393349

Изобретение относится к области добычи и обработки строительных токонепроводящих материалов из природного камня высоковольтными импульсными разрядами. .

Электрогидравлический способ разрушения и дробления твердых материалов // 2385417

Изобретение относится к электроимпульсному разрушению и дроблению твердых материалов и может быть использовано в горнообогатительной, металлургической, строительной промышленности.

Устройство для разрушения крепких горных пород // 2376468

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам магнитоимпульсного или взрывомагнитного разрушения, и может быть использовано при скважинной отбойке крепких горных пород.

Способ контроля процесса электроимпульсного разрушения твердых тел // 2471068

Изобретение относится к горноперерабатывающей промышленности, к способам контроля за процессом электроимпульсного разрушения горных пород

Электроимпульсное буровое долото // 2471987

Изобретение относится к техническим средствам для электроимпульсного бурения с обратной внутренней промывкой скважин сплошного бурения или с отбором керна и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, где требуется бурение скважин в крепких горных породах

Электроимпульсный погружной бур // 2477370

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин и проходки стволов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся непосредственно в горной породе, и может найти применение в горной промышленности для проходки скважин и стволов в крепких горных породах глубиной сотни метров

Электромагнитный импульсный механизм // 2487996

Изобретение относится к области горного и дорожно-строительного машиностроения, а именно к электромагнитным импульсным механизмам, и может быть использовано для разрушения горных пород, отделения шламовых образований в ковшах для разливки металлов, активизации рабочих органов горных машин, вибровозбудителя в вибротранспортных машинах и т.п

Устройство для подрезания блоков горных пород высоковольтными разрядами // 2490453

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отрасли промышленности

Электроимпульсный буровой снаряд // 2500873

Изобретение относится к области проходки скважин и стволов высоковольтными разрядами в крепких горных породах и может найти применение в горнодобывающей промышленности, а также в строительной отрасли. В снаряде последовательно соединены гидротоковвод (1), колонна бурильных труб (2) и буровой наконечник, включающий в себя корпус (6), высоковольтные и заземленные электроды (7 и 8) и высоковольтный изолятор (9). Внутри колонны бурильных труб (2) коаксиально укреплен осевой токовод (5), на который свободно надета центральная труба (10) с жестко закрепленными на ней зарядным устройством (14) и источником высоковольтных импульсов (15), под которым установлена пружина-амортизатор (12) в свободно надетом на центральную трубу (10) кожухе (13). К нижнему концу центральной трубы (10) прикреплены один или несколько забойных упоров (11), которые выполнены с возможностью продольного перемещения до выхода из бурового наконечника более чем на 1/3 межэлектродного расстояния. Это увеличивает в несколько раз срок безаварийной работы зарядного устройства (14) и источника импульсов высокого напряжения (15). 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

Способ электроразрядного разрушения твердых материалов // 2500889

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности. Способ электроразрядного разрушения твердых материалов включает формирование шпура в твердом материале, размещение в нем картриджа с веществом, предающим ударную волну, и взрываемым проводником, и инициирование разряда взрывающимся проводником. Картриджи изготавливают из пластичного материала с акустической жесткостью, близкой к акустической жесткости разрушаемого материала. Взрывающийся проводник зажат в материал картриджа. В качестве пластичного материала используется полиэтилен или пластилин. Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения горных пород и утилизации бетонных и железобетонных блоков и конструкций. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Способ комбинированного лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов // 2516422

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения отверстий в бетонных зданиях с целью их укрепления стяжками и в опасных отвесных участках горной породы, для бурения тонких диагностических глубоких отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ, для бурения в стенке скважины локальных боковых отверстий в окружающей породе. Для этого бурение проводят циклически. В каждом цикле бурения забой отверстия подвергают последовательному чередованию тепловых и механических воздействий, а именно в следующей последовательности облучают лазерным излучением, охлаждают хладагентом, механически измельчают на нем слой ослабленного материала и принудительно удаляют шлам из зоны забоя, после чего циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Обеспечивается повышение производительности бурения отверстий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов // 2521260

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения различных отверстий. Для этого лазерное излучение на забой отверстия доставляют посредством оптического волокна из кварца диаметром 0.2-1 мм. Оптическое волокно размещают без возможности вращения с зазором в трубке по оси внутренней полости инструмента сверления. При этом излучающий торец оптического волокна не доходит до торцевой поверхности резцов ребристой коронки на расстояние h≤do/[2tg(arcsinNA)], где d0 - диаметр полости ребристой коронки, NA - числовая апертура оптического волокна. В кольцевой зазор между поверхностью оптического волокна и внутренней поверхностью трубки подают охранный поток газа в направлении забоя, а забой облучают лазерным пучком с пятном излучения на поверхности забоя, диаметр которого меньше внешнего диаметра ребристой коронки на величину (0.6÷2)Δ, где Δ=(20÷35)/q - толщина термически ослабленного слоя материала (см), q=P(l-R)(l-ρ) - плотность поглощенного материалом лазерного излучения (Вт/см2), Р - плотность мощности падающего лазерного излучения (Вт/см2), R - коэффициент отражения от поверхности материала, ρ - тепловые потери излучением от нагретого материала. Для этого перед облучением торцевую поверхность сверлильного инструмента устанавливают на расстояние L=[D-do-(0.6÷2)Δ]/[2tg(arcsinNA)] от поверхности забоя, где D - внешний диаметр ребристой коронки. Бурение производят циклически. В каждом цикле поверхность забоя облучают в течение времени t=(45000÷130000)/q2 (с), обеспечивающего нагрев поверхности забоя до температур в диапазоне температур плавления и кипения материала. Затем поверхность забоя охлаждают хладагентом в течение 1-15 с с коэффициентом теплообмена 300÷5000 Вт/м2·град., после чего сверлильный инструмент перемещают в направлении забоя до касания торцевыми резцами ребристой коронки поверхности забоя. Прилагая продольные усилия, механически измельчают термически ослабленный материал забоя на глубину Δ с одновременным принудительным удалением шлама из зоны забоя. После чего сверлильный инструмент отодвигают от поверхности забоя на расстояние L. Циклы бурения повторяют до достижения заданной глубины отверстия. Обеспечивается производительность бурения кремнеземсодержащих материалов и получение тонких глубоких отверстий в них. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Устройство лазерно-механического бурения кремнеземсодержащих материалов // 2523901

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано для бурения различных отверстий. Устройство содержит электродвигатель, редуктор с полым валом, источник лазерного излучения, инструмент для сверления, механизм возвратно-поступательной подачи инструмента сверления, оптическое волокно, газовую систему, резервуар для жидкости, смеситель, систему впрыскивания жидкости в смеситель, систему отсасывания, каналы для охлаждения оптического волокна, для подачи хладагента в зону забоя и для отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама. В смеситель из газовой системы подается поток газа для распыления в нем жидкости с образованием газокапельной смеси, подаваемой в зону забоя. Инструмент для сверления выполнен из последовательности звеньев в виде колонковых труб. Конечное звено инструмента сверления содержит ребристую коронку, оснащенную термостойкими резцами на ее торцевой и боковой поверхностях. Ведомый торец начального звена инструмента сверления соединен с полым валом цилиндрического редуктора, связанного с электродвигателем. Внутри полости цилиндрического редуктора и колонковых звеньев соосно и без возможности вращения расположена трубка, внутри которой с зазором размещено оптическое волокно из кварца. Кольцевой зазор между поверхностью волокна и внутренней поверхностью трубки служит каналом подвода охранного потока газа для охлаждения оптического волокна и защиты его излучающего торца от частиц разрушаемого материала при лазерной и механической обработке поверхности забоя. Кольцевой зазор между внешней поверхностью трубки и внутренней поверхностью колонковых звеньев служит каналом для подачи хладагента в зону забоя. Кольцевой зазор между внешней поверхностью колонковых звеньев и поверхностью отверстия в материале служит каналом отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама. Обеспечивается повышение производительности бурения отверстий. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.