СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1999 года по МПК E21C37/00 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для разрушения горных пород при открытой разработке полезных ископаемых.

Известное разрушение горных пород взаимодействием в скважине воды с криогенной жидкостью в режиме физического взрыва [1] малонадежно вследствие того, что герметизатор с обратным клапаном, размещенный в устье скважины, будет выброшен из скважины в начальной стадии физического взрыва и вместо разрушения горной породы произойдет выхлоп газа из скважины; емкость с водой или жидким азотом над устьем скважины, опирающаяся на разрушенный массив, как представлено на чертеже прототипа, будет отброшена и деформирована при взрыве.

Целью изобретения является устранение изложенных недостатков, достигаемое тем, что ствол артиллерийского орудия заполняют технической поваренной солью, галитом, сильвинитом или их смесью, индукционным нагревом превращают в расплав, ствол опускают в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве, разрушают мембрану у дульного среза, удерживающую расплав, и в скважину выбрасывают соляной расплав в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости, находящейся в скважине, в газ.

Схема способа представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - ствол, 2 - казенник, 3 - затвор, 4 - мембрана, 5 - патрубок, скрепленный с дульным срезом шлицевым соединением, 6 - индуктор, 7 - проводники к источнику тока, 8 - расплав технической поваренной соли, галита, сильвинита, 9 - скважина.

Расплав солей может быть нагрет до 800-1000^oC, что позволит уменьшить массу теплоносителя, необходимую для полного превращения криогенной жидкости в газ, и, следовательно, объем ствола и калибр орудия.

Артиллерийский ствол калибром до 100 мм с люлькой, накатником и тормозом отката может быть закреплен в вертикальном положении на ходовой части орудия после реконструкции его крепления.

Средство передвижения артиллерийского орудия включает кабину оператора с пультом дистанционного управления положением ствола и контроля температуры соляного расплава, образуя агрегат, размещаемый с надежным удалением от бровки уступа при установке артиллерийского ствола над скважиной.

Между патрубком и дульным срезом устанавливают мембрану, закрепляемую шлицевым соединением. Мембрана должна выдерживать лишь гидростатическое давление расплава солей, так как плавление поваренной соли и сильвинита не сопровождается выделением газов. Поэтому требования к механической прочности разрушаемой мембраны минимальны - мембраны выполняют из керамики и уплотняют кольцами из термостойкого полимера.

В ствол засыпают техническую поваренную соль, галитовые отвалы - отходы производства хлористого калия, сильвинит и включают индукционный нагрев. Надежность точной ориентации ствола проверяют пробным опусканием в скважину.

Диаметр скважины для взаимодействия криогенной жидкости с расплавом в оптимальных условиях должен быть не менее 200 мм, поэтому часть ствола, погружаемого в скважину, снабжают кольцевым утолщением - для создания минимального кольцевого зазора, достаточного для опускания ствола в скважину и препятствующего быстрому истечению газа без работы разрушения. Стальное кольцо закрепляют на стволе горячей посадкой.

Бак для жидкого азота с экранно-вакуумной теплоизоляцией, установленный с поворотным механизмом на вертикальной опоре, заполняют из автоцистерны жидким азотом. В качестве эквивалентного материала может быть использован жидкий воздух.

После нагревания соляного расплава до температуры, превышающей температуру плавления соли на 20-50^oC, криогенную жидкость из бака выливают в скважину, дистанционно открывая быстродействующий клапан с шаровым затвором [2], бак поворотным механизмом отводят от скважины в сторону на 90^o или назад на 120-180^oC, после чего вертикально ориентированный ствол опускают вниз, погружая в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве на 1,5-2,0 диаметра скважины.

Так как в стволе нет избыточного давления, выброс соляного расплава в скважину может быть осуществлен сжатым воздухом от компрессора бурового станка.

Для фиксированной глубины погружения ствола в скважину ствол может быть снабжен стальным кольцом-ограничителем, которое будет опираться на поверхность разрушаемого блока в устье скважины. Это опорное кольцо может быть использовано и для выброса в скважину расплава солей: при ударе свободно падающего артиллерийского ствола о преграду керамическая мембрана будет разрушена гидравлическим ударом расплава.

Пример: 100-мм полевая пушка БС-3, длина ствола 35 калибров - 3,5 м. Объем канала ствола 27,4 л. При коэффициенте заполнения 0,85 - объем 23,3 л. Плотность поваренной соли 2,16 г/см³ - масса расплава 50 кг.

Температуры плавления поваренной соли 800^oC, температура расплава 820^oC - для гарантированного слива. При температуре соли после взаимодействия с жидким азотом 10^oC и 15% потерь при тепломассообмене 50 кг расплава соли испарит 855 кг жидкого азота.

При глубине скважины 20 м, диаметре 0,25 м и заполнении жидким азотом на 15 м от забоя объем азота составит 736 л массой 596 кг.

Ствол, не погружаемый в скважину, снабжают теплоизоляцией. После первоначального нагрева ствол целесообразно использовать для разрушения горных пород заранее пробуренных скважин для снижения затрат электроэнергии и эффективного использования оборудования. При этом необходимо иметь на каждый ствол комплект из двух-трех патрубков 5 - чтобы мембрану вкладывать в холодный патрубок.

Возможно разрушение блока двумя-тремя одновременно работающими установками. При физическом взрыве отсутствуют ядовитые газы, слабая сейсмика, нет необходимости в отключении электроэнергии с остановкой горного оборудования, что позволит разрушать горные породы в непрерывном режиме бурения и разрушения без прекращения остальных работ и без вывода людей из карьера.

При температуре расплава поваренной соли 820^oC и температуре жидкого азота минус 195,8^oC перепад температур превышает 1000^oC, что повысит интенсивность ударных волн и эффективность физического взрыва.

Возможность применения артиллерийских орудий вдвое меньшего калибра является дополнительным преимуществом применения расплавов солей для взаимодействия с криогенной жидкостью.

Источники информации
1. Патент РФ N 2026989, E 21 C 37/00, 1995.

2. Быков А.Ф. Быстродействующие клапаны с шаровым затвором. Конверсия в машиностроении. - 1994, N 4, с. 49.

Назначение: разрушение горных пород при открытой разработке полезных ископаемых. Сущность изобретения: горную породу разрушают физическим взрывом при взаимодействии в скважине криогенной жидкости - азота с расплавленным галитом, сильвинитом. Расплав получают в артиллерийском стволе индукционным нагреванием, выбрасывают в скважину с жидким азотом при разрушении мембраны у дульного среза, при этом артиллерийский ствол, опущенный в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве, служит забойкой. Изобретение позволяет повысить надежность реализации способа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разрушения горных пород взаимодействием в скважине в режиме физического взрыва криогенной жидкости - азота с жидкостью при более высокой температуре, отличающийся тем, что криогенная жидкость взаимодействует с расплавом галита, сильвинита или их смесью. 2. Способ разрушения горных пород по п.1, отличающийся тем, что ствол артиллерийского орудия заполняют галитом, сильвинитом, технической поваренной солью, индукционным нагревом превращают в расплав, ствол опускают в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве, разрушают мембрану у дульного среза, удерживающую расплав, и в скважину выбрасывают расплав солей в количестве, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости, находящейся в скважине, в газ.