СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК E21C37/00 

Изобретение относится к взрывным работам и предназначено для разрушения горных пород вертикальными и наклонными скважинами.

Известно разрушение горных пород взаимодействием в скважине воды с криогенной жидкостью - азотом в режиме физического взрыва.

Недостатки прототипа: герметизатор в устье скважины, снабженный обратным клапаном, будет выброшен при физическом взрыве без существенного сопротивления и вместо разрушения массива горных пород произойдет выхлоп газа из скважины. Емкость с водой или жидким азотом над устьем скважины и опирающаяся на разрушаемый массив, как это представлено на чертеже прототипа, также будет отброшена, деформирована или разрушена при взрыве, таким образом, аппаратурное выполнение известного способа делает его неработоспособным.

Способ, основанный на ударном контакте двух жидкостей, требует максимально быстрой подачи одной жидкости к другой, находящейся в скважине. Герметизатор в устье скважины уменьшает ее свободное сечение, а обратный клапан тормозит поток жидкости, который должен быть высокоскоростным.

Технология известного способа не предусматривает порядка подачи компонентов: азота в воду или воды в жидкий азот, что не равномерно, так как плотность жидкого азота при температуре кипения 77,35 K под давление 1 кгс/см² равна 0,808 кг/л.

В прототипе не акцентирован оптимальный температурный режим, который имеет решающее значение. Так, при температуре воды 15-20^oC ее расход составит соответственно 4-3 кг на 1 кг жидкого азота, что обусловливает настолько низкое (20-25%) содержание азота (служащего "рабочим телом") в скважине, что эффективность разрушения среды будет весьма незначительной.

Целью изобретения является исключение изложенных недостатков.

Для достижения поставленной цели в скважину, содержащую криогенную жидкость - азот, подают под давлением нагретую или перегретую воду в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости в газ, пропуская высокоскоростной поток воды через ствол артиллерийского орудия, дульную часть которого опускают в скважину на расстояние, превышающее длину отката ствола при физическом взрыве в скважине.

Цель достигается также, тем что для осуществления способа применяют устройство, содержащее бак и герметизатор скважины, при этом герметизатором служит артиллерийский ствол с накатником и тормозом отката, вплотную к казенной части ствола примыкает патрубок бака с дистанционно управляемым шибером, а вся конструкция смонтирована на опоре в виде навесного оборудования к буровому станку или специальному механизму с возможностью совместного движения бака и ствола при откате.

Схема способа разрешения горных пород и устройства для его осуществления представлена на фиг. 1 и 2.

Устройство для осуществления способа включает следующие элементы: скважина 1, ствол артиллерийского орудия 2, затвор 3, тормоз отката 4, накатник 5, полозки люльки 6, бак 7 с нагретой или перегретой водой с теплоизоляцией, электромагнитный кран 8, опора навесного оборудования 9, на которой жестко закреплена люлька артиллерийского орудия и бак 7, последний - с возможностью скольжения вверх-вниз вместе с артиллерийским стволом при его откате. (Крепление лафета орудия к вертикальной опоре 9 и сама опора 9 на фиг. 2 не представлены).

Изложенное в виде навесного оборудования может быть установлено на буровых станках типа СБШ, СБУ, СБР ГОСТ 26698-85 для бурения взрывных скважин на открытых горных работах. Компрессор бурового станка с подачей воздуха от 0,417 до 0,834 м³/с может быть использован для выброса в скважину нагретой воды под давлением сжатого воздуха.

Бак-дозер с жидким азотом, снабженный экранно-вакуумной суперизоляцией, может быть установлен на поворотном механизме, закрепленном на другой опоре (на схеме не представлен).

Заливка в скважину первого компонента - азота - не требует высоких скоростей подачи, вплоть до импульсного выброса, необходимого при подаче в скважину второго компонента - нагретой воды. Поэтому заливка в скважину жидкого азота может быть выполнена из емкости на транспортном средстве, например автоцистерне, после заливки поспешно отъезжающей в сторону от зоны разрушения.

Приведенный порядок подачи компонентов и необходимость нагревания воды обусловлены соотношением их объемов.

При температуре воды 15^oC и ее охлаждении после контакта с жидким азотом до 2^oC с учетом потерь тепла 10% для полного превращения ожиженного азота в газ необходимо 4 кг воды на 1 кг жидкого азота, т.е. 20% последнего в скважине, а 80% воды, служащей лишь теплоносителем для превращения жидкого азота в газ. Низкая эффективность физического взрыва при контакте азота с холодной водой очевидна.

При температуре воды 95^oC на испарение 1 кг жидкого азота требуется 0,56 кг нагретой воды (с учетом потерь 10% тепла), а при температуре 190^oC - 0,29 кг перегретой воды при 15% потерь при тепло-массообмене.

Нагретая вода значительно меньше по объему, чем сжиженный азот плотностью 0,808 кг/л, и при необходимости быстрой подачи в скважину второго компонента целесообразность быстрой подачи воды в скважину, содержащую жидкий азот, очевидна.

Максимальная температура нагретой воды ограничивается естественным пределом 99^oC, а предельно высокая температура перегретой воды 200^oC - техническими причинами, так как при дальнейшем повышении температуры резко повышается давление и, соответственно, увеличивается металлоемкость оборудования.

Подача воды лимитируется диаметром канала ствола артиллерийского орудия, который может быть увеличен удалением из ствола лейнера, защищающего ствол от эрозии. Наряду с увеличением площади сечения канала при этом будет открыта главная поверхность трубы - без нарезов, которые тормозили бы скоростной поток жидкости. С учетом изложенного целесообразно применение стволов с гладкоствольными каналами для стрельбы оперенными снарядами.

Примеры применения способа.

1) Скважина: диаметр 0,25 м, глубина 15, 3 м от устья скважины не заполняют компонентами, длина заряжаемой части 12 м объемом 0,589 м³.

Воду, нагретую до температуры 99^oC, заливают в бак 7 с теплоизоляцией. Бак гибким шлангом высокого давления соединен с ресивером сжатого воздуха от компрессора бурового станка. Опору навесного оборудования к буровому станку ориентируют с расчетом быстрого опускания орудийного ствола в скважину. При расходе 0,56 кг воды на превращение 1 кг азота плотностью 0,808 кг/л в газ состав взаимодействующих жидкостей в объемных процентах: 31% воды и 69% жидкого азота.

Из 589 л заряжаемого объема скважины 406 л занято жидким азотом - до уровня 8,3 от устья скважины; 6,7 скважины - от ее устья свободно.

Длина ствола пушки 2,5 м, на 1 м ствол погружен в скважину. Общая длина канала пушки и свободной от азота части скважины 6,7+1,5=8,2 м. Толщина стенок ствола (у дульного среза) 25 мм, кольцевой зазор между стволом и стенками скважины 5 мм. При диаметре скважины 250 мм канал ствола
250 - (25 + 25) + (5 + 5) = 190 мм.

Подача воды лимитируется диаметром канала ствола 190 мм. При длине 8,2 м объем цилиндра из воды составит 230 л, а подать надо 184 л нагретой воды, длина цилиндра из такого объема воды составит 6,5 м при длине свободного объема скважины и ствола пушки 8,2 м.

Таким образом, выброшенный объем нагретой воды после завершения выброса еще не достигает поверхности жидкого азота, контакт двух жидкостей и их взаимодействие в режиме физического взрыва криогенной жидкости не произойдет даже после выброса всего объемного нагретой воды, необходимого и достаточного для полного превращения жидкого азота в газ, следовательно, после выброса воды будут беспрепятственно закрыты электромагнитный кран или шибер 8 бака 7 и затвор 3 орудия, дистанционное закрытие которого должно быть предусмотрено.

По мере проникновения нагретой воды от поверхности криогенной жидкости до дна скважины происходит все нарастающее по массе превращение жидкого азота в газ, сопровождающееся падающими на стенки скважины и отраженными ударными волнами. Физический взрыв, слагающихся из очагов макровзрывов, будет растянут во времени. Увеличение длительности ударно-волновых процессов в скважине повышает эффективность взрывного разрушения.

Ствол артиллерийского орудия способствует работе разрушения среды поршневым давлением газа, удерживаемого в скважине до разрушения массива, так как в отличие от общепринятой забойки ствол из скважины не выбрасывается.

При откате ствол остается в скважине на длине 1,5-2,0 диаметра скважины - от дульного среза до устья скважины. Кольцевой зазор между стволом и стенками скважины порядка 5 мм на протяжении 375-500 мм создаст достаточно сильное сопротивление, чтобы воспрепятствовать значительной утечке газов (с учетом кратковременности отката) без совершения работы разрушения.

Эффективная работа разрушения, совершаемая газами в подобных условиях, подтверждается практикой применения патронов "гидрокс", где для патрона в стальной гильзе диметром 53 мм применяют резцы для бурения шпуров диаметром 60 мм.

2) Бак 7 заполняют водой, перегретой до 200^oC под давлением 15,86 кгс/см². Принимая температуру воды после выброса 190^oC и дальнейшие потери тепла при тепло-массообмене 15%, получим расход 0,29 кг перегретой воды на 1 кг жидкого азота. Объемное соотношение компонентов: 81% азота и 19% перегретой воды.

На 600 л объема скважины, заполняемой двумя жидкостями, 486 л приходится на азот и 114 л - на воду. Облегчается быстрая подача значительно меньшего объема воды, а главное - возрастает масса жидкого азота в скважине и интенсивность физического взрыва, так как градиент температур между криогенной жидкостью и перегретой водой возрастает до 390^oC.

При работе с перегретой водой не требуется соединение бака 7 с внешним источником давления - ресивером сжатого воздуха от компрессора, так как перегретая вода в баке 7 находится под избыточным давлением.

Затвор после выброса воды необходимо автоматически и быстро закрыть. Модернизация затвора, особенно поршневого для орудий больших калибров, может вызвать затруднения.

Возможна жесткая компоновка выходного патрубка бака 7 с казенной частью орудия (при снятом затворе) с усилением задвижки 8 с электромагнитным приводом и повышением толщины стенок патрубка до уровня артиллерийского ствола.

При основном преимуществе - экологически чистые продукты физического взрыва (вода и азот), способ имеет следующие ограничения:
неприменим в скважинах диаметром менее 200 мм вследствие затруднений быстрой подачи требуемых объемов воды через малые сечения, а также ухудшения условий перемешивания компонентов и затруднения процессов тепло- и массообмена в самой скважине, необходимых для развития физического взрыва;
по тем же причинам способ неприменим для глубоких (25 - 40 м) скважин;
исключено взрывное разрушение целого блока взрывом серии скважин.

Последний недостаток компенсируется возможностью ведения взрывных работ без остановки работы карьера благодаря отсутствию взрывчатых веществ и средств взрывания, исключению ядовитых (и других) газов химического взрыва, и безопасностью работ из-за малых расстояний разлета продуктов разрушения при физическом взрыве.

Преимущественная область применения способа - разрушение среды вблизи населенных мест при введении открытых взрывных работ.

Назначение изобретения - разрушение горных пород вертикальными и наклонными скважинами. Сущность изобретения: в скважину заливают криогенную жидкость - азот, в скважину опускают ствол артиллерийского орудия с накатником и тормозом отката, через канал ствола в скважину выбрасывают нагретую до 99^oС или перегретую до 200^oС воду в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения жидкого азота в газ, и в режиме физического взрыва разрушают горную породу, при осуществлении способа в качестве герметизатора скважины применяют артиллерийный ствол с накатником и тормозом отката. Осуществление изобретения позволит повысить эффективность разрушения горных пород в режиме физического взрыва, 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ разрушения горных пород взаимодействием в скважине криогенной жидкости - азота с водой в режиме физического взрыва, отличающийся тем, что в скважину, содержащую жидкий азот, подают нагретую или перегретую воду в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости в газ, пропуская высокоскоростной поток воды через ствол артиллерийского орудия, дульную часть которого опускают в скважину на расстояние, превышающее длину отката орудия при физическом взрыве. 2. Устройство для разрушения горных пород, содержащее бак для воды и герметизатор скважины, отличающееся тем, что герметизатором служит артиллерийской ствол с накатником и тормозом отката, вплотную к казенной части ствола примыкает патрубок бака с дистанционно управляемым шибером, вся конструкция смонтирована на опоре в виде навесного оборудования к буровому станку или специальному механизму с возможностью совместного движения бака и ствола при откате.