ДИНАМИЧЕСКИЙ СТРУГ ДЛЯ ДОБЫЧИ КИМБЕРЛИТОВЫХ РУД ПОД ПРИКРЫТИЕМ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ Российский патент 2002 года по МПК E21C27/46 E21D23/00 

Изобретение относится к горным машинам для подземной разработки месторождений, а именно к механизмам и устройствам ударно-скалывающего воздействия на вертикальную плоскость фронтального забоя под прикрытием механизированной крепи, и может быть использовано в динамических стругах для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи и других полезных ископаемых прочностью до 8 кН/см.

Для отделения кимберлитовых руд прочностью от 3 до 8 кН/см от массива применение принципа резания зубьями фрезы нерационально, поскольку он эффективен только при прочности пород менее 2 кН/см.

Наиболее эффективным при отделении кимберлитовых руд от массива является принцип послойного скалывания клиновидным инструментом.

При отработке месторождения с применением механизированной крепи длина фронтального забоя может достигать 200 метров и более. Каждый зуб динамического струга за один цикл перемещения должен проходить это расстояние. При ударном нагружении, как показывают исследования, зубья нагреваются до 300^o и более, что снижает их стойкость, увеличивая расходы на отбойку горной массы. Для снижения нагрева используется вода, которая также способствует трещинообразованию в них за счет совмещения процессов трещинообразования и гидравлического разрыва.

Известно устройство для направленного разрушения горной породы (см. а.с. СССР 1786255, Е 21 С 37/00, 37/12, БИ 1, 1993 г.), включающее гидроцилиндр с обратным клапаном, ударный поршень и насадок, установленный в подпоршневой части гидроцилиндра и примыкающий своей боковой поверхностью к внутренней поверхности гидроцилиндра с возможностью осевого перемещения, причем поршневая часть гидроцилиндра выполнена в продольном сечении шестиугольной формы, а насадок выполнен в виде двух раздвижных щек с твердосплавными наконечниками, при этом щеки имеют в продольном сечении форму неправильных четырехугольников, образующих при смыкании клин с обращенным к поршню основанием и треугольным углублением в нем.

Процесс разрушения протекает, в основном, под действием растягивающих напряжений. Вначале образуется трещина за счет раздвижения щек, а затем, в результате проникновения в эту трещину рабочей жидкости через зазор между твердосплавными наконечниками, происходит гидроразрыв горной породы. В данном примере вода производит охлаждение рабочего инструмента и участвует в разрушении горного массива.

Недостатками известного технического решения являются сложность изготовления, невысокая работоспособность раздвижных щек, большая энергоемкость разрушения ввиду того, что не используется энергия жесткого удара ударного поршня. Разрушение идет, в основном, за счет гидроразрыва.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является динамический струг механизированной крепи для добычи кимберлитовых руд (см. патент РФ 2120033, Е 21 С 27/46, E 21 D 23/00, БИ 28, 1998 г.), в котором на корпусе струга, имеющего механизм перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортировки руды, жестко закреплены по меньшей мере два гидроударных узла с энергией единичного удара не менее 1000 Дж с индивидуальными клиновыми инструментами, параллельно соединенными между собой с одним общим блоком гидроэнергетического питания. Каждый гидроударный узел имеет встроенный элемент включения в работу при 50-75% нагрузки от забоя на клиновом инструменте при движении посредством механизма перемещения струга по секциям механизированной крепи, причем угол атаки лезвия клинового инструмента 31-35% к плоскости забоя по ходу перемещения струга, а расстояние между клиновыми инструментами не превышает трехкратной ширины их лезвия.

Недостатком известного технического решения является большой износ лезвия клинового инструмента за счет перегрева при ударах, а изношенный инструмент повышает расход энергии на разрушение горной массы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение работоспособности клинового инструмента с лезвиями за счет охлаждения его водой и снижение затрат энергии на разрушение кимберлитовых руд за счет жесткого удара при одновременном использовании гидроразрыва.

Поставленная задача решается следующим образом.

В динамическом струге для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи, включающем корпус с механизмом перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортирования кимберлитовых руд, жестко закрепленные на корпусе по меньшей мере, два гидроударных узла с ударниками и клиновыми инструментами, оснащенными лезвиями, согласно техническому решению в центральной части клиновых инструментов выполнена цилиндрическая поршневая полость, в которой установлен поршень с наковальней, взаимодействующей с центральной частью ударника гидроударного узла, а периферийная часть ударника взаимодействует с кольцевой частью наковальни, выполненной на торце клинового инструмента. Цилиндрическая поршневая полость в клиновых инструментах через обратный клапан соединена с общей камерой, установленной на корпусе струга, снабженной компенсатором перепада давлений и соединенной с источником водоснабжения. Лезвие клинового инструмента разделено на две части, и по центру клинового инструмента между частями лезвий выполнен жиклирующий канал, соединенный расширяющимся диффузором с цилиндрической поршневой полостью клинового инструмента.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются следующие.

- В центральной части клиновых инструментов выполнена цилиндрическая поршневая полость, в которой установлен поршень с наковальней, взаимодействующей с центральной частью ударника гидроударного узла.

Данное техническое решение позволит преобразовать ударную энергию ударника гидроударного узла в давление воды в цилиндрической поршневой полости. Как показывают исследования, при этом давление воды может повышаться в десятки раз.

- Периферийная часть ударника взаимодействует с кольцевой частью наковальни, выполненной на торце клинового инструмента.

Данное техническое решение обеспечивает одновременное воздействие на массив горной породы жестких ударных импульсов посредством лезвий клинового инструмента и импульсного гидроразрыва водой в откольной трещине. Этому способствует совмещение процессов трещинообразования и гидроразрыва. Кроме того, вода под большим давлением эффективно охлаждает лезвие клинового инструмента, что повышает его работоспособность.

- При этом цилиндрическая поршневая полость в клиновых инструментах через обратный клапан соединена с общей камерой, установленной на корпусе струга, снабженной компенсатором перепада давления и соединенной с источником водоснабжения.

Данное техническое решение обеспечивает снабжение водой от независимого источника воды под давлением (от общей камеры), что позволяет вести регулировку процесса гидроразрыва. Водоснабжение осуществляется от источника, находящегося вне корпуса струга. При гидроразрыве требуется увеличенный расход воды, которая стекает по забою в отработанное пространство, заполненное сыпучим кусковым материалом.

Вода с транспортного горизонта может подаваться непосредственно в корпус струга, или схема водоснабжения может предусматривать насос для повышения давления перед подачей воды в корпус струга.

- Лезвие клинового инструмента разделено на две части, и по центру клинового инструмента между частями лезвий выполнен жиклирующий канал, соединенный расширяющимся диффузором с цилиндрической поршневой полостью клинового инструмента.

Это обеспечивает подачу воды по центру зарождающейся трещины, что сокращает расход воды и повышает эффективность гидроразрыва. Диаметр жиклирующего канала, как показали исследования, колеблется от 0,5 до 3 мм.

Сущность технического решения поясняется примером выполнения динамического струга для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи и чертежами фиг.1-3.

На фиг. 1 показана принципиальная схема динамического струга и его клиновых инструментов, вертикальный разрез.

На фиг.2 - принципиальная схема клинового инструмента, вертикальный разрез.

На фиг. 3 - схема образования откольной трещины в забое в основании стружки.

Динамический струг для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи включает корпус 1 (фиг.1), на котором жестко, посредством болтовых соединений, закреплены, например, пять гидроударных узлов 2 (один гидроударный узел на фиг.1 не показан). Для зачистки кровли и почвы струг может быть оборудован дополнительными гидроударными узлами 2 пониженной мощности каждый (на фиг.1 не показаны). Гидроударные узлы 2 снабжены клиновыми инструментами 3 с лезвием 4, разделенным на две равные части.

Для повышения эффективности отбойки лезвия 4 клинового инструмента 3 выполняются с закруглениями 5 (фиг.2), которые способствуют образованию зародышевой трещины 6 путем концентрации ударного импульса.

Для перемещения динамический струг снабжен механизмом перемещения (на фиг.1 не показан). Гидроударные узлы 2 параллельно соединены между собой общим блоком гидроэнергетического питания (блоки гидроэнергетического питания серийно выпускают по известным техническим решениям) (не показаны на фиг.1).

Сколотую стружку 7 (фиг.3) устройством для погрузки кимберлитовой руды, выполненным в виде плужка 8 (фиг.1), грузят на конвейер 9 механизированной крепи.

Динамический струг может быть выполнен как одностороннего, так и двухстороннего действия.

В центральной части каждого клинового инструмента 3 (фиг.2) выполнена цилиндрическая поршневая полость 10, в которой установлен поршень 11 с наковальней 12, взаимодействующей с центральной частью 13 ударника 14 гидроударного узла 2. Периферийная часть 15 ударника 14 взаимодействует с кольцевой частью 16 наковальни 12, выполненной на торце клинового инструмента 3.

Цилиндрическая поршневая полость 10 в каждом клиновом инструменте 3 через обратный клапан 17 соединена с общей камерой 18, выполненной на корпусе 1 струга и снабженной компенсатором 19 перепада давлений.

Общая камера 18 магистральным трубопроводом 20 соединена с источником водоснабжения под давлением. Лезвие 4 клинового инструмента 3 разделено на две части, и по центру клинового инструмента 3 выполнен жиклирующий канал 21, соединенный расширяющимся диффузором (позицией не обозначен) с цилиндрической поршневой полостью 10.

Динамический струг работает следующим образом.

Отработка кимберлитовой трубки ведется слабонаклонными слоями высотой 1,8-2,5 м, длиной 50-25 м под прикрытием механизированной крепи.

Отбойку руды производят динамическим стругом с помощью клиновых инструментов 3 его гидроударных узлов 2 на всю высоту слоя (в примере - 2 м) в виде стружки 7 (фиг.3) толщиной 10-30 см по фронту лавы.

Ударником 14 гидроударного узла 2 наносится одновременный удар по наковальне 12 поршня 11 и ее кольцевой части 16 на торце клинового инструмента 3. После серии ударов (возможно и после первого удара) закруглениями 5 частей лезвий 4 образуется зародышевая трещина 6. При последующих ударах в эту зародышевую трещину 6 под большим давлением импульсами подается вода из цилиндрической поршневой полости 10 посредством поршня 11. Поршень 11 преобразует часть ударной мощности гидроударного узла 2 в повышенное давление воды, которая через диффузор и жиклирующий канал 21 подается в зародышевую трещину 6.

На массив одновременно воздействуют жесткие ударные импульсы через лезвия 4 и гидроразрыв водой в импульсном режиме.

Одновременное воздействие эффективно образует трещину 6 под каждым из лезвий 4 клиновых инструментов 3 гидроударных узлов 2. Росту зародышевой трещины 6 помогают смежные растущие трещины от соседних гидроударных узлов 2. В результате образуется откольная трещина (на фиг.3 не показана) и отдельные стружки, которые разваливаются на куски из-за естественной трещиноватости.

В то же время вода способствует охлаждению клинового инструмента 3, обеспечивая его долговечность.

Для повышения эффективности вода в общую камеру 18 подается под давлением через магистральный трубопровод 20 от внешнего водяного насоса (на фиг.2 не показан). Техническим решением предусматривается многократное использование воды, для чего вода после фильтрации через сыпучий материал в отработанном пространстве собирается на транспортном горизонте и подается насосом в забой, оборудованный механизированной крепью. Для компенсации перепада давлений общая камера 18 снабжена компенсатором 19. Снабжение водой всех гидроударных узлов 2 от общей камеры 18 повышает стабильность работы динамического струга.

Изобретение относится к горным машинам для подземной разработки месторождений, а именно к механизмам и устройствам ударно-скалывающего воздействия на вертикальную плоскость фронтального забоя под прикрытием механизированной крепи, и может быть использовано в динамических стругах для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи и других полезных ископаемых прочностью до 8 кН/см. Техническая задача - повышение работоспособности клинового инструмента с лезвиями за счет охлаждения его водой и снижение затрат энергии на разрушение кимберлитовых руд за счет жесткого удара с одновременным использованием гидроразрыва. Динамический струг для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи включает корпус с механизмом перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортирования кимберлитовых руд, жестко закрепленные на корпусе по меньшей мере два гидроударных узла с ударниками и клиновыми инструментами, оснащенными лезвиями. В центральной части клиновых инструментов выполнена цилиндрическая поршневая полость, в которой установлен поршень с наковальней, взаимодействующей с центральной частью ударника гидроударного узла. Периферийная часть ударника взаимодействует с кольцевой частью наковальни, выполненной на торце клинового инструмента. Цилиндрическая поршневая полость у клиновых инструментов через обратный клапан соединена с общей камерой, установленной на корпусе струга. Общая камера снабжена компенсатором перепада давлений и соединена с источником водоснабжения. Лезвие клинового инструмента разделено на две части. По центру клинового инструмента между частями лезвий выполнен жиклирующий канал, соединенный расширяющимся диффузором с цилиндрической поршневой полостью клинового инструмента. 3 ил.

Динамический струг для добычи кимберлитовых руд под прикрытием механизированной крепи, включающий корпус с механизмом перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортирования кимберлитовых руд, жестко закрепленные на корпусе по меньшей мере два гидроударных узла с ударниками и клиновыми инструментами, оснащенными лезвиями, отличающийся тем, что в центральной части клиновых инструментов выполнена цилиндрическая поршневая полость, в которой установлен поршень с наковальней, взаимодействующей с центральной частью ударника гидроударного узла, а периферийная часть ударника взаимодействует с кольцевой частью наковальни, выполненной на торце клинового инструмента, при этом цилиндрическая поршневая полость в клиновых инструментах через обратный клапан соединена с общей камерой, установленной на корпусе струга, снабженной компенсатором перепада давлений и соединенной с источником водоснабжения, причем лезвие клинового инструмента разделено на две части, и по центру клинового инструмента между частями лезвий выполнен жиклирующий канал, соединенный расширяющимся диффузором с цилиндрической поршневой полостью клинового инструмента.