Устройство для разрушения горных пород

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для отбойки блоков от породного массива, проходки дорог в гористой местности, добычи строительного камня и кристаллического сырья. Устройство включает рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга. Поршень выполнен в виде стакана, в который вставлена контактирующая с его стенками втулка. В стенках стакана и втулки выполнены сквозные продольные прорези. Стакан и втулка выполнены из упругого материала. Сквозные продольные прорези в стенках стакана не совпадают со сквозными продольными прорезями во втулке. Основание стакана обращено в сторону штанги. Обеспечивается повышение эффективности работы устройства. 2 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для отбойки блоков от породного массива, проходки дорог в гористой местности, добычи строительного камня и кристаллического сырья.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2202040, кл. Е 21 С 37⁄06, опубл. в БИ № 10, 2003 г., включающее цилиндрический корпус и клинья, при этом корпус выполнен в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья.

Общим у аналога с предлагаемым устройством является наличие цилиндрического корпуса из упругого материала.

В этом устройстве ударная нагрузка прикладывается за пределами скважины и передается корпусу через штангу, обладающую сравнительно большой массой и, следовательно, высокой инерционностью. Если при одноразовой подаче устройства в скважину не происходит отделение горной породы от массива, то на извлечение его из скважины затрачивается значительная энергия. Поэтому устройство имеет относительно низкую эффективность.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для разрушения горных пород по патенту РФ № 2307934, кл. E21C37/12, E21B43/26, E21F7/00 опубл. в БИ 28, 2007 г., включающее рабочий орган, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки. Оно снабжено направляющей трубой, в которую с возможностью продольного перемещения вставлено средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги. Рабочий орган выполнен в виде поршня, установленного соосно с направляющей трубой с возможностью контакта с торцом штанги.

Общим у прототипа с предлагаемым устройством является наличие рабочего орган в виде поршня, размещенного в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга.

В этом устройстве не предусмотрена возможность изменения размеров и формы поперечного сечения поршня. Поэтому в случае расхождения стенок шпура, например, за счёт раскрытия трещин, формируемых неньютоновской жидкостью, возникает зазор между поршнем и стенками шпура. От этого часть неньютоновской жидкости из шпура вытесняется не в формируемые трещины, а через указанный зазор в свободное пространство шпура за пределы верхнего конца поршня. Этот недостаток возрастает с увеличением количества раз заполнения шпура неньютоновской жидкостью, например, при формировании трещин больших размеров (с большим раскрытием в местах их примыкания к стенкам шпура). Поэтому работа этого устройства после однократного вытеснения неньютоновской жидкости из шпура в формируемые трещины становится сравнительно малоэффективной.

Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности работы устройства за счёт изменения размеров и формы поперечного сечения поршня под размеры и форму шпура, меняющиеся в результате раскрытия примыкающих к его стенкам формируемых трещин.

Проблема решается тем, что в устройстве для разрушения горных пород, включающем рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга, согласно техническому решению поршень выполнен в виде стакана, в который вставлена контактирующая с его стенками втулка, в стенках стакана и втулки выполнены сквозные продольные прорези, при этом стакан и втулка выполнены из упругого материала, сквозные продольные прорези в стенках стакана не совпадают со сквозными продольными прорезями во втулке, а основание стакана обращено в сторону штанги.

Такое техническое решение обеспечивает адаптацию боковой поверхности поршня к стенкам шпура, размеры и форма поперечного сечения которого меняются с раскрытием формируемых трещин. Обусловлено это тем, что после опускания стакана в шпур до заполнения его неньютоновской жидкостью в начальный момент воздействия штанги на стакан со стороны его основания в виде ударной нагрузки максимальное давление создаётся на контакте дна стакана и находящейся в нём неньютоновской жидкости, т. е. внутри стакана. Благодаря сквозным продольным прорезям в стенках стакана и упругости материала, из которого он выполнен, стенки стакана могут под действием давления через боковые поверхности втулки находящейся в нём неньютоновской жидкости расходиться, изменяя тем самым их размеры и форму. Таким же образом может изменять свои размеры и форму находящаяся в стакане втулка. Из-за того, что сквозные продольные прорези стакана и втулки не совпадают, неньютоновская жидкость не может выдавливаться из стакана через его сквозные продольные прорези. В результате создаваемое неньютоновской жидкостью давление внутри стакана придавливает его стенки к стенкам шпура. Далее в период действия ударной нагрузки давление в стакане оказывается всегда выше, чем за его пределами. Поэтому неньютоновская жидкость, находящаяся ниже стакана, не в состоянии преодолевать усилие прижатия стенок стакана к стенкам шпура и может вытесняться из шпура только в формируемые трещины. Таким образом, повышается эффективности работы устройства за счёт изменения размеров и формы поперечного сечения поршня под размеры и форму шпура, меняющиеся в результате раскрытия примыкающих к его стенкам формируемых трещин.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для разрушения горных пород и чертежами фиг. 1 - 2. На фиг. 1 показан общий вид примыкающей к шпуру 1 части устройства для разрушения горных пород , продольный разрез; на фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1.

Устройство для разрушения горных пород (фиг. 1) включает рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре 1, заполненном неньютоновской жидкостью 2 (далее – жидкость 2), и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы 3 (далее – труба 3), в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга 4. Поршень выполнен в виде стакана 5, в который вставлена контактирующая с его стенками втулка 6. В стенках стакана 5 и втулки 6 (фиг. 2) выполнены сквозные продольные прорези 7 и 8 (далее – прорези 7 и 8) соответственно. Стакан 5 и втулка 6 выполнены из упругого материала. Прорези 7 не совпадают с прорезями 8. Основание стакана 5 обращено в сторону штанги 4. В стенках шпура 1 сформированы трещины 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В шпур 1, заполненный жидкостью 2, подают стакан 5 таким образом, чтобы его основание было направлено в сторону штанги 4. В устье шпура 1 устанавливают трубу 3 и размещают в ней штангу 4. Затем штангу 4 поднимают на заданную высоту и отпускают. Под действием силы тяжести штанга 4 разгоняется в режиме свободного падения и соударяется с основанием стакана 5. Под действием ударной нагрузки стакан 5 внедряется в жидкость 2, заполняется ею и далее стремится вытеснить жидкость 2 из шпура 1. Таким образом, в жидкости 2 внутри стакана 5 и под ним создаётся давление. При этом внутри стакана 5 давление жидкости 2 из-за её более близкого расположения к месту приложения ударной нагрузки со стороны штанги 4 оказывается всегда больше, чем под стаканом 5. Поэтому жидкость 5 не может продавливаться между стаканом 5 и стенками шпура 1. Далее давление жидкости 2 под стаканом 5 во время действия ударной нагрузки со стороны штанги 4 возрастает до предела прочности горной породы на растяжение и в стенках шпура 1 возникают и формируются трещины 9. При этом размеры стакана 5 адаптируются под поперечное сечение шпура 1, которое изменяется в результате раскрытия в его стенках формируемых трещин 9. Затем многократным подъёмом и сбрасыванием штанги 4 перемещают стакан 5 вдоль шпура 1 до упора в его забой, вытесняя всю находящуюся в шпуре 1 жидкость 2 в формируемые трещины 9. Во многих случаях для формирования трещин 9 требуемых размеров заполнение шпура 1 жидкостью 2 с последующим её вытеснением в трещины 9 выполняют многократно. Размеры трещин 9 доводят до полного разрушения горной породы, т.е. до её отделения от породного массива. После этого из шпуров 1 (кусков разрушенной горной породы) извлекают стаканы 5 для дальнейшего их использования.

Устройство можно использовать в различных разновидностях технологий разрушения горных пород. В технологии добычи блочного камня, где требуется разборка породного массива по заданным плоскостям, вначале предполагается создавать инициирующие трещины 9 с нужной ориентацией, например, с использованием принятого прототипа, а затем развитие этих трещин 9 до требуемых размеров осуществлять предлагаемым устройством. В технологиях добычи кристаллического сырья, строительства дорог в гористой местности, разборки прочных сооружений предлагаемое устройство предполагают использовать без предварительного создания в стенках шпура 1 инициирующих трещин 9.

Отметим, что во всех технологиях разрушения горных пород с помощью предлагаемого устройства предполагается использовать природные или искусственно созданные известными способами горизонтальные трещины, до поверхности которых пробуривают шпуры 1. Это существенно облегчает полное отделение горных пород от породного массива.

Устройство для разрушения горных пород, включающее рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к поршню периодической ударной нагрузки, выполненное в виде направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения и контакта с поршнем вставлена штанга, отличающееся тем, что поршень выполнен в виде стакана, в который вставлена контактирующая с его стенками втулка, в стенках стакана и втулки выполнены сквозные продольные прорези, при этом стакан и втулка выполнены из упругого материала, сквозные продольные прорези в стенках стакана не совпадают со сквозными продольными прорезями во втулке, а основание стакана обращено в сторону штанги.