Способ отбойки горных пород и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалнстнкескнх

Республик („)934915

К ПАТЕНТУ (61}Дополнительный к патенту (51) М. Кл. (22) Заявлено 17.09.76 (21) 2401805/22-03 (23) Приоритет - (32) 19.09.75 (31} 7510559-3 (331 Швеция

Е 21 С 37/06

Е 21 С 25/60

Государственный «оннтет

СССР по делам нзооретеннй н аткрытнй

Опубликовано07.06,82.Бюллетень № 21

Дата опубликования описания 07.06.82 (53) УДК622,234..54 (088.8) Иностранец

Зрик Вопмар Лавок (Швеция) (72) Автор изобретения

Иностранная фирма

"Атлас Копка Актиеболаг" (Швеция) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОТБОЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к способам отбойки горных пород, особенно скальных, импульсным давлением жидкости и устройствам для его осуществления.

Известные способы отбойки скальных пород, предусматривающие бурение .шпуров и взрывание в них зарядов взрывчатого вещества, имеют ряд недостатков.

В частности, они проявляются в создании шума, образовании газа, пыли и раз- тО летающихся облаков породы, в результате чего машины и обслуживающий персонал должны быть эвакуированы из эоны ведения взрывных работ.

Кроме того, известные способы отбойки скальных пород требуют больших усилий дробления и связаны со значительным износом бурового инструмента, В течение последнего десятилетия де- Ю лаются попытки заменить традиционные методы бурения шпуров и взрывания в них зарядов взрывчатого вещества при проходке тоннелей, разработки полезных ископаемых и аналогичных операций. 25

Одна из таких попыток включает использование высокоскоростных струй воды ипи другой жидкости для создания трещин в породе и ее разрушения. Для этого предлагалось несколько типов устройств для образования пульсирующих струй жидкости, содержащих цилиндр с газовой и гидравлической камерами и размещенный в нем поршень, разгоняемый сжатым газом и сообщающий удар жидкости, которая выбрасывалась через конусообразную насадку в виде струи(1).

Для крепких скальных пород скорость струи жидкости, которая необходима для разрушения породы, составляет порядка

2000 м/с. Однако до сих пор устройства для струй отбойки еще не могут соревноваться с традиционными методами отбойки скальных пород, включающих бурение и взрывание, по скорости подвигания забоя, потребления энергии и общих издержек производства. Более то-. ° го, остаются серьезные технические про ,блемы, такие как усталость частей, находящихся под воздействием давлений е

9349

10 или 20 килобар и повышенный уровень шума в процессе проведения работ, Известен также более старый способ дробления скальных пород, предусматривающий бурение скважины в породе и создание в ней давления воды статически или динамически. При этом вода подается в скважину до тех пор, пока трешины и пары в стенках скважины не будут заполнены водой..Затем подача воды 10 в скважину увеличивается со ступенчатыми переходами. Порода не может поглотить это внезапно подаваемое большое количество воды и, поэтому, разрушаю- щая сила образуется в скважине, вызыва- 15 юшая дробление породы 1.21.

Более близким техническим решением к предлагаемому является способ отбойки горных пород, при котором в породе образуют углубления и воздействуют на его стенки импульсным давлением относительно несжимаемой жидкости, например, водой, которое создают в результате соударения движущейся жидкости со стенками угдубления ГЗЗ.

Устройство для осуществления способа включает камеру для накопления относительно несжигаемой жидкости, в частности воды, и приспособление для ускорения жидкости в виде удлиненного ударного тела, имеющее камеру для (Накопления сжатого газа Г4).

Известный способ позволяет повысить .эффективность разрушения горных пород благодаря тому, что сила удара струи по вогнутой преграде почти вдвое пре35 вышает силу удара струи жидкости по плоской преграде, Однако этот способ применим для

40 разрушения сравнительно некрепких пород, в частности, таких как уголь, что ограничивает область его использования.

Uem изобретения — повышение заметным образом эффективности отбойки пороЬ 45 ды, в частности скальной.

Поставленная цель достигается тем, что углубления в породе выполняют путем механического бурения отверстий цилиндрической формы, жидкость вне отверстия формируют в виде жидкостного поршня или столба, после чего разгоняют до соударения со стенками отверстия с момектом, достаточным для разламывания породы и образования в ней трещин.

Жидкостному поршню придают длину

0,2-2,0 м и скорость 100-300 м/с.

При этом жидкостной поршень направляют для столкновения с донной частью

15 4 бурового отверстия через трубу или шланг, вставляемую в него.

Жидкостный поршень полностью или частично отклоняют в поперечном направлении и для соударения с частью стенки бурового отверстия.

Трубу или шланг вставляют в буровое отверстие выходкым концом и размещают его в непосредственной близости от дна бурового отверстия..

Формируют жидкость в виде жидкостного поршня диаметром, составляющим

70-100 диаметра скважины, Устройство для осуществления способа снабжено присоединенной к камере с жидкостью трубой или шлангом, внутреннее поперечное сечение которых составляет 70-1007 свободного диаметра поперечного сечения бурового отверстия, и регулировочным приспособлением, связанным с трубой или шлангом для расположения его выходного конца на одной прямой с буровым отверстием.

Труба или шланг у выходного конца соединен с дефлекторкой вставкой для отклонения жидкостного поршня в поперечном направлении к стенке бурового отверстия.

При этом труба или шланг и дефлек« торная вставка выполнены в виде единого блока с боковым выходным отверстием.

Для выпуска объема воздуха, находящегося впереди движущегося жидкостного поршня, труба или шланг снабжены вентилируюшим средством.

На фиг. 1 показано устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг, 2 — то же, в увеличенном масшта» бе (часть устройства); на фиг. 3 - другой вариант устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 4 и 5размещение выходного конца трубы или шланга устройства относительно бурового отверстия; на фиг. 6 и 7 - виды самоходной буровой установки, несущей устройство; на фиг. 8 — снаряд, заполненный жидкостью, используемый в устройстве.

Устройство 1, для принудительного нагнетания жидкости в виде поршня или столба 2 в предварительно пробуренное цилиндрическое глухое буровое отверстие

3, которое бурится с применением стандартной буровой техники (в данном варианте столб выталкиваемой жидкости состоит из воды, однако могут применять-, ся другие типы жидкостей); труба 4

5 9349

p=gcv, где P — плотность данной жидкости;

С - скорость звука в данной жидкости;

Ч - скорость жидкости при ударе в дно буровой скважины.

Это давление будет действовать на адно и стенки скважины, если оно будет превышать линейный редел прочности на разрыв данной породы, тогда в не11 будут создаваться условия ддя образования трещин.

Эти трещины распространяются дальше, если жидкость вынуждают протекать и переполнять трешины в течение времени создания избыточного давления, при этом кинематическая энергия ипи импульс силы жидкостного поршня последовательно расходуется, однако для непрерывно,го распространения трещин, когда их плошадь увеличивается, требуется все более низкое давление, Полная отбойка ипи дробление имеет место, когда, по крайней мере, три трешины распространяются до пересечения ими обнаруженной поверхности забоя (выходят на поверхность). Поэтому для полной отбойки требуется, с одной стороны, достаточно высокое давление в скважине, т. е. определенная .минимальная скЬрость жидкостного поршня и, с другой стороны, достаточное количество жидкости с тем, чтобы большое число трещин могло распространяться в направлении обнаженной поверхности забоя. Поскольку диаметр жидкостного поршня является примерно таким же, как и диаметр буровой скважины, последнее требование означает, что жидкостный поршень должен иметь длину, превышаюшую определенную величину, которая зависит от глубины буровой скважины расчетной линии наименьшего сопротивления и расстояния между буровыми скважинами.

Кинетическая энергия жндкостного поршня представлена уравнением =у Д-A.C V

15

30

45 где Π— плотность жидкостного поршня; — плотность поперечного сечения жидкостного поршня; — длина жидкостного поршня;

Ч вЂ” скорость жидкостного поршня, На практике требуемые давление в буровой скважине и энергия зависят от влияния нескольких других факторов. Трбуемое давление снижается иэ-еа налицентрируется регулировочным приспособлением относительно буровой скважины

3 так, чтобы ее выходное отверстие находилось непосредственно перед входным отверстием буровой скважины 3. Задняя головка 5 устройства снабжена каналом

6, проходящим через .нее.,Жидкость подается в трубу 4 через канал 6, при этом запорный клапан 7 в канале 6 препятствует вытеканию жидкости из трубы

4. Зарядная камера 8 для рабочей жидкости располагается вокруг тыльной части трубы 4, Для ускорения жидкостного поршня 2 используется сжатый воздух или пюбой другой сжатый гаэ. Плита 9 вставляется между сжатым газом и жидкостным поршнем 2 (фиг, 1 и 2), Она предназначается для того, чтобы удерживать жидкостный поршень 2 неизменным по форме с целью предупреждения появления в нем так называемых пальцев, когда воздух под высоким давлением действует на поверхность воды. Плита 9 может вставляться в трубу 4 посредством отвинчивания задней головки 5, затем жидкость впускается через канал 6 и отверстие в плите 9, которое расположено соосно ему. В другом случае плита 9 может выполняться без какого-пибо от« верстия, когда жидкость может впускать« ся в трубопровод (не показан), который проходи г радиально относительно трубы

4, При определенных обстоятельствах пдита 9 может отсутствовать, например, при создании жидкостного поршня 2 достаточной длины и регулировании подачи воздуха под давлением с помощью скользящего золотника 10, который может перемешаться посредством подачи управляюшего воздуха к любому из двух кана- 0 лов 11, 12. Перемещением золотника 10 в положение, показанное на фиг. 2, газ, находящийся под давлением в камере 8, действует на заднюю торцовую поверхность жидкостного поршня 2 через ппиту 9, вызывая его ускорение. Непрерыв ное ускорение жидкостного поршня 2 происходит в процессе его движения через трубу 4 благодаря расширению газа под давлением в камере 8. Получивший ускорение жидкостный поршень 2 оставляет трубу 4, выстреливается в буровую скважину 3. Объем воздуха в трубе 4, который находится впереди жидкостного поршня 2 вентилируется через зазор меж1

55 ду трубой 4 и скальной породой.

Когда жидкостный поршень 2 накрывает донную часть буровой скважины 3, в нем мгновенно создается высокое дав15 6 пение и напор потока жидкости (ударнов давление жидкости) составляет чия естественной трещиноватости в породе, в результате чего в скважину должно подаваться большое количество жидкости, чтобы компенсировать утечку ее через эти естественные трещины. Более высокое давление и большая энергия тре- буется для образования трещин в более крепкой породе. Например, при отбойке скальной породы большее давление и большая энергия требуется при воронкообра- tp зуюшей отбойке по сравнению с уступной.

Скорость жидкостного поршня (при использовании воды) составляет 100—

ЗОО м/с, а величина кинетической энергии - 500-20000 Дж. Для того, .чтобы получить указанные скорости и энергию жидкостному поршню придается длина 0,22,0 м. Оптимальная длина поршня зависит от глубины скважины, диаметра и расчетной линии наименьшего сопротивления.

При реализации способа требуется, чтобы трещины возникали у дна скважины и распространялись в направлении поверхности породы. Однако существуют две трудностям. Если данная порода везде одинаковой прочности и скважина дела« ется без острокромочной донной части и углов, которые являются причиной кон-. центрации местных напряжений, тогда трещины возникают произвольно lh скважине по всей сфере действия давления.

Трещины, которые располагаются наиболее близко к входному отверстию скважины, наиболее легко распространяются, 35 поскольку, чем тоньше слой породы между входным отверстием скважины и поверхностью забоя, тем меньше требуется усилия для его деформации. В результате отбойка породы на полную rny40 бину скважины не произойдет.

Зту трудность можно преодолеть путем бурения скважины так, чтобы переход между ее донной частью и стенкой становился настолько острым, чтобы по- 4 пучилась концентрация местных напряжения .с тем, чтобы трещины могли возникать и распространяться от этой зоны в зависимости от создания избыточного давления, для чего нужно, чтобы остальная порода была однородной и одинаковой по прочности. Однако на практике появление более старых, естественно возникших трещин нарушает процесс.

Один из способов устранения этих труд- 55 ностей состоит в введении трубы 4 в буоовую скважину 3 примерно на половину ее глубины, 934915 8

На фиг. 3 показан режим отбойки при, котором с уровня скважина 3 может ориентироваться произвольно относительно устройства 1 для подачи жидкости. Труба в виде шланга 13 вставляется в скважину 3. Жидкостный поршень 2 ускоряется газом, находящимся в камере 8, по направлению к дну скважины 3. Объем воздуха, который заключен между жидкостным поршнем 2 и дном скважины 3, вентилируется через канал 14. Вентиляция воздуха может осуществляться также че-. рез пространство между шлангом 13 и стенкой скважины 3 либо с помощью устройства (не показано) для отсасывания воздуха, которое располагается вокруг шланга 13 у входного отверстия буровой скважины 3.

Аксиапьное положение шланга 13 и . буровой скважины 3 может меняться. В частности, выходное отверстие шланга

13 может располагаться непосредственно против входного отверстия буровой скважины 3.

На фиг. 4 показан вариант выполнения трубы 4 (или шланга 13), обеспечивающий эффект направленного растрескивания или отбойки породы, Направленное растрескивание может применяться при уступкой отбойке, когда отбойка ведется в направлении обнаженной поверхности

15 забоя, Труба 4 частично отрезается на переднем конце для образования направленного в сторону выходного отверстия 16. Боковая стенка трубы 4, расположенная против выходного отверстия

16, выполняется в виде рефлекторной вставки 17. В соответствии с режимом работы распространение трещин происходит в направлении, в котором ориентируется выходное отверстие 16. Таким образом, выходное отверстие 16 направляется в сторону обнаженной .поверхности

15 забоя и тем самым достигается более эффективное использование энергии жидкостного поршня .

На фиг. 5 показан другой вариант предлагаемого устройства для получения направленного эффекта растрескивания.

Дефлекторная вставка 18 конструируется в качестве отдельного блока, который вставляется в буровую скважину 3, примыкая к ее дну, Устройство (фиг. 4) может модифицироваться различными путями для получе. ния эффекта образования трешиноватости в требуемом направлении. Путем исключения вставки 17 распространение трещин будет происходить в направлении вниз, 9

834915,10

55 а также в сторону благодаря наличию отверстия 16. Посредством расположения нескольких отверстий вокруг внешней периферии трубы 4 эффект образования трешиноватости происходит в оптимальном числе направлений.

При использовании сравнительно легкотекучих жидкостей иногда трудно гарантировать, чтобы жидкость полностью, или по крайней мере, большей частью действовала в качестве поршня в процессе ее подачи в предварительно пробуренную скважину, особенно если скважина является глубокой относительно диаметра.

Вариант устройства (фнг. 8) устраняет такого рода трудность. Жидкость заключается в оболочку 19 иэ шобого материала, который легко разрывается под действием давления, возникающего при столкновении жидкостного поршня 2 с дном буровой скважины 3. Таким материалом может быть картон или пластик.

На фиг. 6 и 7 показана буровая установка, несущая устройство, показанное на фиг. 3.

Буровая установка содержит шасси 20, на гусеницах 21 которого смонтирована складная стрела 22, Стрела 22 может отклоняться в стороны, а также подниматься и опускаться относительно шасси

20. Складная стрела 22 несет на своем свободном конце пода1оший механизм 23 с буровым станком 24 для образования скважин в скальной породе, перемещаемый возвратно-поступательно по направляющим подающего механизма 23. Буровой станок приспособлен для сообщения удара буровой штанге 25 в процессе ее одновременного вращения.

Гусеницы 21 также несут устройство (шланг) 13. Шланг 13 простирается вдоль стрелы 22 и соединяется с ней для поглощения сил инерции, возникающих в процессе продвижения жидкостного поршня 2 через этот шланг. Передний конец шланга 13. соединяется с направляющей механизма 23 подачи. Шланг

13 монтируется на направляющей таким образом, что он выступает за нее на величину, соответствующую длине шланга, которым он будет вставляться s буровую скважину 3. Направляющая механизма 23 подачи прижимается и поверхности скальной породы так, чтобы прижимаюшая си ла превышала силу реакции, действующую на шланг в процессе прохождения жидкост ного поршня 2.

Данная установка работает следующим образом.

Буровая скважина 3 бурится посред.ством станка 24 в породе, которая дол-, жна подвергаться отбойке. Затем выходное отверстие шланга 13 направляется к отверстию буровой скважины 3 с помощью регулировочного приспособленияскладной стрелы 22. Жидкостный поршень

2 ускоряется сжатым газом в устройстве

1 до скорости, которая требуется для созе дания условий образования трещин в породе, и направляется в предварительно пробуренную буровую скважину 3.

Устройство (см. фиг. 6 и 7) может использоваться для получения эффекта

l5 направленной трещи новатости, показанного на фиг. 4 и 5. При этом дефектная вставка 18 (фиг, 5) крепится к направляющей подающего механизма 23 "гак, чтобы она вставлялась в буровую скважину 3 в то же самое время, когда. шланг 13 устанавливается соосно с буровой скважиной 3.

Проводилось несколько экспериментов с описанными выше устройствами. Покад зано, что можно значительно уменьшить необходимое силовое давление в зарядной камере 8, если использовать эффект направленной трещиноватости (фиг. 4 и

5). При проведении одного испытания применяют оборудование, показанное на фиг, 1 и 5, где длина трубы 4 составляет 1200 мм. Трубу 4 направляют под углом примерно 45о вверх. Глубина буровой скважины 3 составляет 160 мм, а ее диаметр 41 MM. Соотношение между

35 диаметром трубы 4 и буровой скважиной

3 составляет 0,78. Проводят уступную отбойку (расчетная линия наименьшего сопротивления составляет 250 мм) посредством водяного поршня, имеющего

4а длину порядка 500 мм и силовое давление в камере 8 порядка 100 бар.

Приведенные выше теоретические положения относительно условий, которые должны удовлетворяться для того, что45 бы получить аккуратную отборку, не учитывают эффект, вызываемый сжатием объема воздуха, заключенного между жидкостным поршнем и дном буровой скважины. Исследования этого давления в моделированных буровых скважинах по казывают, что возможное сжатие объема воздуха положительно воздействует на процесс отбойки, особенно это относится к образованию трещин. Эффект сжатия уменьшается, когда становится меньше соотношение относительных плошадей поперечного сечения жидкостного поршня и скважины. (11;, 93

Установлено, что эффективная отбой- ка попучается, если. жидкостный поршень имеет диаметр поперечного сечения 70-100% диаметра свободного поперечного сечения буровой скважины. Под диаметром свободного поперечного сечения подразумевается диаметр пустой буровой скважины ипи внутренний диаметр шланга или трубы в том случае, когда таковые вставляются в буровую скважину. Преимущественно, диаметр жидкостного поршня допжен составпять бопее

80% диаметра свободного поперечного сечения скважины, а предпочтительно, быть равным ему.

Предлагаемое изобретение может также применяться для получения отбойки с интервапами задержкй. Посредством изменения длины трубы собственно между ней и буровой скважиной получают требуемый интервап задержки. Гам, где рас,четная линия наименьшего сопротивления составляет 200-400 мм, подходящий интервал может находиться в пределах 12 мс. Если скорость водяного поршня составляет 200 м/с, это означает, что длины труб варьируются так, что ступень составляет расстояние 0,2»»0,4 м.

Формула изобретения

1. Способ отбойки горных пород, при котором в породе образуют углубления и воздействуют íà его стенки импульсным давлением относительно несжимаемой жидкости, например, водой, которое создают в результате соударения движушейся жидкости со стенками углубления, о т п и ч а ю ш и и с я тем, что, с цепью повышения эффективности отбойки породы, в частности скальной, угпубпения в породе выполняют путем механического бурения отверстий ципиндрической формы, жидкость вне отверстия формируют в виде жидкостного поршня ипи столба и разгоняют его до соударения со стенками отверстия с моментом, достаточным дпя разламывания породы и образования в ней трещин.

2. Способ по п. 1, о т п и ч а юш и и с я тем, что жидкостный поршень имеет длину 0,2-2,0 м и скорость 100300 м/с.

3.Способпопп. 1 и 2, отиич а ю ш и и с я тем, что жидкостный поршень направляют дпя стопкновения с донной частью бурового отверстия.

4915 12

1О

4. Способ попп. 1-3, о тли чаю ш и и с я тем, что жидкостный пор„шень направляют в буровое отверстие через трубу или шланг, вставляемую в него.

5. Способ по пп. 1, 2 и 4, о т и и— ч а ю шийся тем, что жидкостный поршень попностью или частично отклоняют в поперечном направлении дпя соударения с частью стенки бурового отверстия.

6. Способ по пп. 4-5, о т л и ч а— ю ш и и с я тем, что трубу ипи шланг вставляют в буровое отверстие выходным концом и размещают .его в непосредственной близости от дна бурового отверстия.

7. Способ по пп. 1-6, о т и и ч а.ю шийся тем, что формируют жидкость в виде жидкостного поршня диаметром, составляющим 70-100% диаметра скважины.

8. Устройство дпя отбойки горных пород, включающее камеру дпя накоппения относительно несжимаемой жидкости, в частности воды, и приспособпение дпя ускорения жидкости в виде удлиненного ударного тена, имеющее камеру для накоппения сжатого газа, о т л и ч а ю -. ш е е с я тем, что оно снабжено присоединенной к камере с жидкостью трубой или шлангом, внутреннее поперечное сечение которых составляет 70-100% свободного диаметра поперечного сечения бурового отверстия, и регулировочным приспособлением, связанным с трубой ипи шлангом для расположения ее выходного конца на одной прямой с буровым отверстием.

9. Устройство по п, 8, о т п и ч а— ю ш е е с я тем, что труба ипи шпанг у выходного конца соединен с дефпекторной вставкой для отклонения жидкостного поршня в поперчном направлении к стенке бурового отверстия.

10, Устройство по п. 9, о т и и ч аю ш е е с я тем, что труба ипи шланг и дефпекторная вставка выполнены в виде единого блока с боковым выходным отверстием, 11. Устройство по пц. 8-10, о тпичаюшееся тем, чтотруба ипи шпанг снабжены вентипируюшим средством дпя выпуска объема воздуха, находящегося впереди движущегося жидкостного поршня в трубе ипи шланге.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США N 3412554, кл. 60-54.5, опубпик. 1970.

2. Патент Германии % 241966, кл. 5В37/12, опубпик. 1910, 13

3. Авторское свидетельство СССР

М 345276, кл. Е 21 С 25/60, 1969 (прототип).

14

4. Авторское свидетельство СССР

М 154843, кл. E 21 С 25/60, 1961 (прототип).

934915

Составитель Ю. Стрелов

Редактор И. Ковальчук ТехредЖ.Кастелевич Корректор M. Пожо

Заказ 3969/51 Тираж 623 Подписное

ВКИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4