Способ блочного разрушения монолитных объектов и устройства для его осуществления Российский патент 2004 года по МПК E21C37/02 E21C37/08 

Изобретение относится к горному делу, строительству, может использоваться для добычи углей, проходки горных выработок, разборки стен и фундаментов жилых и промышленных сооружений на блоки, годные для дальнейшего использования.

Трещины создаются в динамическом режиме нагружения монолитных объектов в радиальных и тангенциальных плоскостях: по оси и перпендикулярно оси шпура или скважины.

Известен способ безвзрывного разрушения в статическом режиме монолитных объектов, включающий комплект гидроклиньев – DARDA - немецкой фирмы Porsfeld Gmbh und Со, гидроклинья типа С–15W - японской фирмы Hirado Ltd, а также установки: HRS–100, HRS–97, HRS–60, HRS–40, HRS–33, из публикаций в Горном журнале в июне 1996 г. Ю.А. Лебедевым, А.К. Горьковым, А.Б. Макаровым, В.Т. Колодиным в статье: “Безвзрывной раскол скального массива”, стр. 35-40. Способ блочного разрушения монолитных объектов включает бурение шпура или скважины, размещение в нем гидроклинового распорного устройства, имеющего клин и раздвижные матрицы, и пакера, включение насоса, заполнение жидкостью распорного устройства под давлением через канальную трубу, образование трещины, выключение насоса и извлечение распорного устройства.

Для образования в радиальных плоскостях скважины или шпура трещин повышают давление в разрушающем устройстве – гидроклиньях, после чего образуется трещина, затем система отключается.

Недостатком известного способа является статический режим разрушения, требующий высоких давлений.

Зона напряжений в этом случае локальна и поэтому размеры трещины сравнительно малы.

Для получения направленной трещины необходимо бурение не менее трех шпуров или скважин.

Исключается возможность создания тангенциальной - перпендикулярной оси шпура или скважины трещины, необходимой для отделения блока. Поэтому для извлечения блок дробится гидромолотом или другим способом.

Целью изобретения является повышение эффективности способа.

Эффективность способа разрушения основывается на следующих положениях:

1) процесс разрушения осуществляется при динамическом нагружении разрушаемой среды, позволяющем выделять энергию разрушения при импульсном истечении струи жидкости в трещину, варьируя ее мощностью;

2) получением блоков, годных для дальнейшего использования в качестве строительных конструкций;

3) сокращение энергии разрушения прямо пропорционально количеству вновь образованных поверхностей;

4) при погрузке блоков затрачивается значительно меньше времени, чем при погрузке дробленого материала;

5) безопасность работ и экология значительно лучше, чем при других видах разрушения.

Для реализации способа блочного разрушения требуются устройства гидроклиновых трансформаторов двух типов: для образования радиальных и тангенциальных трещин, которые описаны далее и не имеют аналогов.

Указанная цель достигается тем, что в способе блочного разрушения монолитных объектов, включающем бурение шпура или скважины, размещение в нем гидроклинового распорного устройства, имеющего клин и раздвижные матрицы, и пакера, включение насоса, заполнение жидкостью распорного устройства под давлением через канальную трубу, образование трещины, выключение насоса и извлечение распорного устройства, производят отбойку блоков радиально и тангенциально направленными трещинами, при этом вначале перекрывают канальную трубу и статическим напором жидкости с помощью матриц распорного гидроклинового устройства формируют концентрацию напряжений в монолитном объекте в заданном направлении, открывают канальную трубу для выпуска струи, создавая гидродинамический удар по клину, образуют кумулятивную струю на выходе из распорного устройства, под действием которой и при динамическом напоре расклинивающих усилий образуют трещину в монолитном объекте.

При этом, для образования радиально направленных и тангенциально направленных трещин используются следующие гидроклиновые трансформаторы:

Гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи, характеризующийся тем, что он имеет гидроклиновое распорное устройство с клином, канальной трубой для подачи жидкости и раздвижными матрицами, пакер, соединительную муфту, диафрагму, установленную с возможностью перекрытия канальной трубы и выпускного канала в клине, зажатую с помощью их резьбового соединения, при этом канальная труба имеет заостренный торец, расположенный с возможностью взаимодействия с диафрагмой и обеспечения гидроизоляции, а диафрагма выполнена с возможностью разрушения в момент достижения критического давления для нанесения гидродинамического удара по клину, причем клин выполнен с канавками, соединенными с выпускным каналом и расположенными с возможностью образования кумулятивной струи на выходе из распорного устройства и получения динамического напора жидкости для развития трещины, при этом распорное устройство имеет резиновую стяжную трубу и разрезные пружинные кольца для сжатия матрицы в исходное положение после прекращения подачи жидкости под давлением.

Гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с золотниковым выпуском струи, характеризующийся тем, что он имеет гидроклиновое распорное устройство с клином, канальной трубой для подачи жидкости и раздвижными матрицами, пакер, соединительную муфту, золотник, установленный с возможностью перекрытия канальной трубы и выпускных каналов в клине, при этом внутри канальной трубы расположена трубка золотника для подачи жидкости в компенсационную камеру при перекрытии золотником выпускных каналов клина, при этом золотник установлен с возможностью вытеснения жидкости из компенсационной камеры для открытия выпускных каналов клина и импульсного истечения струи из них, причем выпускные каналы клина выполнены с возможностью образования кумулятивной струи на выходе и динамического напора жидкости для образования трещины в монолитном объекте.

Гидроклиновой трансформатор тангенциально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи, характеризующийся тем, что он имеет гидроклиновое распорное устройство с канальной трубой для подачи жидкости, раздвижными матрицами и клином, который выполнен за одно целое с канальной трубой для подачи жидкости, направляющий конус, расположенный с возможностью упора на донную часть шпура или скважины, диафрагму, которая установлена с возможностью прижатия к заостренному торцу канальной трубы при помощи гайки с выпускным отверстием для обеспечения гидроизоляции, при этом направляющий конус установлен с возможностью образования с торцом матрицы кольцевого отверстия для формирования импульсной кумулятивной струи при разрушении диафрагмы и подачи жидкости для развития трещины.

На фиг. 1 изображено изменение площади (1) и объема (2) трещины при ее развитии (цена деления по оси Х – 5 см).

На фиг. 2 изображены разрушающие усилия в массиве породы при гидроударе и кумуляции струи жидкости (по оси Y отложена сила – кг, по оси X – радиус трещины; цена деления 5 см).

На фиг. 3 изображена действующая сила в процессе развития трещины.

На фиг. 4 – гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи.

На фиг. 5 – гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с золотниковым выпуском струи.

На фиг. 6 – гидроклиновой трансформатор тангенциально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи.

На фиг. 7 – разрез А-А на фиг. 6.

В массиве, ограниченном одной или двумя свободными поверхностями, создать этим способом трещину не предоставляется возможным. Для образования трещины в массиве требуется не менее трех свободных поверхностей.

Исследования процесса образования трещин позволили установить необходимые условия для их образования. В течение времени t при распространении трещины диаметром D при увеличении ее диаметра сила, действующая на стенки трещины, возрастает в квадрате: D21

/D², D22/D², D23/D²…. D2n/D². Объем трещины возрастает незначительно, поскольку ее толщина в процессе разрушения составляет в среднем 2-3 мм, особенно в массиве, ограниченном одной свободной поверхностью. Поэтому при постоянном потоке жидкости с увеличением площади трещины растет действующее на нее расклинивающее усилие. На фиг. 1 показано изменение пощади – 1 и объема трещины – 2 при ее развитии. Из фиг. 2 видно, что в начальный период величина трещины недостаточна для создания критических усилий для ее развития. Поэтому для получения начальной направленной трещины создаются критические усилия путем создания гидроудара и кумулятивной струи.

Разрушающие усилия при образовании кумуляции и гидроудара показаны на фиг. 2. На графике расположены: по оси Х – радиус трещины, где – цена одного деления 5 см, по оси Y – действующая сила, кг.

Действующая сила в процессе развития трещины показана на обобщающем графике фиг. 3. По оси Х указан радиус трещины в см, по оси Y – действующие усилия расклинивания на стенки трещины. Из приведенного графика видно, что расклинивающие усилия возрастают с увеличением ее диаметра при развитии трещины. Эти исследования положены в основу изобретения.

Способ блочного разрушения монолитных объектов включает бурение шпура или скважины, размещение в нем гидроклинового распорного устройства с клином и раздвижными матрицами, пакера, герметизирующего шпур или скважину, которые с помощью шлангов соединяются с насосом, включение насоса или компрессора. Перед установкой гидроклинового устройства канальная труба перекрывается диафрагмой или золотником. Включается насос, производится заполнение жидкостью под давлением гидроклинового распорного устройства через канальную трубу. Возникает концентрация напряжений в массиве после раздвижки матриц в заданном направлении в радиальной или тангенциальной плоскостях, образуется микротрещина, при достижении критической величины давления, определяемой разрывом диафрагмы или срабатыванием золотника, происходит разрыв диафрагмы или смещение золотника, возникает гидродинамический удар по клину, микротрещина увеличивается. Жидкость, истекая из выпускных каналов, образует кумулятивную струю, которая поступает в микротрещину. Под действием кумулятивной струи трещина увеличивается, достигая критической величины, и при продолжающемся динамическом напоре жидкости образуется трещина заданной величины.

Процесс прекращается при отключении насоса или при выходе трещины на свободную поверхность монолитного объекта.

Устройство гидроклинового трансформатора радиально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи (фиг. 4) состоит из клина 1, раздвижных матриц 2, выпускных каналов 3, канавок 10, опоясывающих клин, диафрагмы 4, перекрывающей выпускное отверстие, канальной трубы 6 для подачи жидкости, соединенной резьбой с клином. С торца, соединенного с клином, труба заострена, врезаясь при завинчивании ее в диафрагму, обеспечивает гидроизоляцию. Между гидротрансформатором и пакером имеется резьбовое соединение 9. В устройстве предусмотрены металлические пружинные кольца 7 и резиновая стяжка 6, фиксирующая, совместно с разрезными пружинными кольцами 7, исходное положение трансформатора и одновременно уплотняющие зазор между стенками шпура или скважины, что исключает утечку жидкости. Цикл работы начинается с бурения шпуров или скважин, установки диафрагмы, размещения в шпуре или скважине трансформатора, открытия запорных вентилей, включения насосов и заполнения жидкостью гидроклинового устройства, перекрытого диафрагмой. При этом давление в системе повышается и соответственно клин вместе с канальной трубой перемещаются, отжимая матрицы к стенкам шпура или скважины. Вокруг шпура или скважины возникают напряжения, концентрируясь в радиальном направлении, в местах относительного смещения матриц. Когда давление в системе достигнет критического значения, определяемого прочностью диафрагмы, происходит ее разрыв и жидкость через образовавшееся отверстие производит гидроудар по клину, который рывком перемещается, генерируя импульсные напряжения в массиве, увеличивающие начальную их величину, особенно в точках их концентрации. Образуются начальные микротрещины. Жидкость, перемещаясь по канавкам, вначале разделяется на отдельные струи в каналах, опоясывающих клин, а затем они объединяются на выходе из гидроклинового устройства – возникает кумуляция струй в плоскостях относительного смещения матриц. Кумуляционная струя поступает в начальную трещину, увеличивая ее. При взаимодействии с породой, давление струи в трещине в зависимости от крепости разрушаемой породы увеличивается в 8-20 раз. Под действием этого импульса трещина перемещается, достигая критической величины, после чего возникают расклинивающие усилия, достаточные для ее развития при продолжении подачи жидкости под давлением в трещину. По мере перемещения трещины величина расклинивающих усилий возрастает пропорционально квадрату диаметра. Наступает лавинный процесс роста расклинивающих усилий и соответственно развития трещины. Это продолжается до тех пор, пока не прекратится подача жидкости или трещина выйдет на свободную поверхность. Тогда процесс прекращается.

Устройство гидроклинового трансформатора радиально направленных трещин с золотниковым выпуском струи (фиг.5), предназначенной для разрушения слабых, средней крепости и вязких пород, где требуется удлиненный, но допускается с меньшей амплитудой, импульс. Это вызвано следующими обстоятельствами: масса диафрагмы составляет 1-3 г, масса золотника – 10-20 г. Диафрагма, разрушаясь по всему сечению, практически не тормозит поток жидкости. Поэтому импульс нарастает за несколько микросекунд. В этом случае амплитуда импульса велика, что необходимо для разрушения крепких пород.

В слабых и средней крепости породах при указанных условиях нагружения будут возникать пластические деформации, что увеличит расход энергии на разрушение и ухудшит его эффект. Масса золотника больше в 6-7 раз массы диафрагмы, поэтому инерционность его перемещения соответственно больше. Кроме того, золотник должен вытеснять жидкость из компенсационной камеры. Эти обстоятельства удлиняют нарастание импульса и вместе с тем увеличивают его длительность. Здесь достигается улучшение эффективности трещинообразования в слабых и вязких породах.

Гидроклиновой трансформатор направленных трещин с золотниковым выпуском струи (фиг. 5) состоит из клина 1, матриц 2, выпускных каналов 3, золотника 4, соединительной муфты 5, внутри канальной трубы 6 расположена золотниковая трубка 9, компенсационная камера 11, каналы 10, опоясывающие клин, резиновая стяжная трубка 8, пружинные разрезные кольца 7, отверстие 12 для резьбового соединения с пакером.

Процесс разрушения состоит из следующих операций: бурение шпура, расположение в нем трансформатора направленных трещин, подача жидкости в компенсационную камеру 11 по золотниковой трубке 9, золотник 4 перекрывает выпускные каналы 3, затем жидкость подается в канальную трубу 6, и она заполняет трансформатор под давлением. При достижении критического давления на стенках шпура или скважины образуется микротрещина, а золотник 4 перемещается, вытесняя жидкость из компенсационной камеры 11 через золотниковую трубку 9, при этом открываются выпускные каналы 3, генерируется гидроудар по клину 1, затем жидкость поступает в каналы 10, опоясывающие клин, и движется по ним, формируя на выходе кумулятивную струю, которая развивает микротрещину. После достижения критических размеров микротрещины в ней создаются расклинивающие разрушающие усилия, которые, постепенно нарастая с увеличением ее площади, создают, при поддержании постоянного давления жидкости в трещине, процесс лавинного разрушения. При отключении насоса или выхода трещины на свободную поверхность процесс ее развития прекращается.

Гидроклиновой трансформатор тангенциально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи (фиг. 6).

Для полного отделения блока от массива требуется, кроме радиальных, создавать тангенциально направленные трещины.

Гидроклиновой трансформатор тангенциально направленных трещин (фиг. 6) состоит из направляющего конуса 1 для опоры на дно шпура или скважины, формирующего потоки жидкости для создания кумулятивной струи, гайки с выпускным отверстием 2, раздвижных матриц 3, канальной трубы 4 с клиньями для подачи жидкости, которые выполнены за одно целое с канальной трубой, соединительной муфты 5, резиновой трубы – стяжки 6, разрезных пружинных колец 7, диафрагмы 8, которая прижимается, с помощью гайки с выпускным отверстием, к заостренному торцу канальной трубы 4 для гидроизоляции, и резьбового соединения 9 с пакером.

Процесс генерирования тангенциальных трещин производится из пробуренных шпуров или скважин. В них вводится гидроклиновой трансформатор направленных трещин с установленной в нем диафрагмой 8. Насосом, через шланги, подается жидкость в пакер, а затем в канальную трубу 4. Канальная труба, перекрытая диафрагмой 8, смещается. Расположенные на ней клинья раздвигают матрицы 3, которые, упираясь в стенки шпура или скважины, фиксируют положение трансформатора. При достижении критического давления разрушается диафрагма 8 и поток жидкости наносит удар по направляющему конусу, обтекая его, и в выходных дюзах возникает кумуляционная струя, направленная перпендикулярно к стенкам шпура или скважины.

Процесс трещинообразования развивается следующим образом: микротрещина возникает вначале при статическом нагружении во время перемещения канальной трубы с клиньями. Затем гидродинамический удар по направляющему конусу развивает микротрещины. Кумуляция увеличивает трещину до критических размеров, после чего эффективными становятся расклинивающие усилия. Расклинивающие усилия возрастают прямо пропорционально квадрату диаметра трещины. Процесс прекращается при выходе трещины на свободную поверхность или отключении насосов.

Стягивающая резиновая труба и разрезные пружинные кольца отжимают клин и канальную трубу в исходное положение.

В заключение следует отметить, что тангенциальная трещина чаще всего выполняется параллельно свободной поверхности и поэтому она возникает при значительно меньших напряжениях.

Изобретение относится к горному делу, строительству, может использоваться для разрушения пород при проходке горных выработок, разборке кирпичных и бетонных сооружений и других монолитных объектов на блоки правильной формы годные для дальнейшего использования. В способе блочного разрушения монолитных объектов, включающем бурение шпура или скважины, размещение в нем гидроклинового распорного устройства, имеющего клин и раздвижные матрицы, и пакера, включение насоса, заполнение жидкостью распорного устройства под давлением через канальную трубу, образование трещины, выключение насоса и извлечение распорного устройства, производят отбойку блоков радиально и тангенциально направленными трещинами, при этом вначале перекрывают канальную трубу и статическим напором жидкости с помощью матриц распорного гидроклинового устройства формируют концентрацию напряжений в монолитном объекте в заданном направлении, открывают канальную трубу для выпуска струи, создавая гидродинамический удар по клину, образуют кумулятивную струю на выходе из распорного устройства, под действием которой и при динамическом напоре расклинивающих усилий образуют трещину в монолитном объекте. Для образования радиально направленных трещин используются гидроклиновые трансформаторы радиально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи или с золотниковым выпуском струи, а для образования тангенциально направленных трещин – гидроклиновой трансформатор тангенциально направленных трещин – с диафрагменным выпуском струи. В частности, гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи имеет гидроклиновое распорное устройство с клином, канальной трубой для подачи жидкости и раздвижными матрицами, пакер, соединительную муфту, диафрагму, установленную с возможностью перекрытия канальной трубы и выпускного канала в клине, зажатую с помощью их резьбового соединения. Канальная труба имеет заостренный торец, расположенный с возможностью взаимодействия с диафрагмой и обеспечения гидроизоляции. Диафрагма выполнена с возможностью разрушения в момент достижения критического давления для нанесения гидродинамического удара по клину. Клин выполнен с канавками, соединенными с выпускным каналом и расположенными с возможностью образования кумулятивной струи на выходе из распорного устройства и получения динамического напора жидкости для развития трещины. Распорное устройство имеет резиновую стяжную трубу и разрезные пружинные кольца для сжатия матрицы в исходное положение после прекращения подачи жидкости под давлением. Повышается эффективность способа. Эффективность способа достигается за счет повышения производительности разрушения монолитных объектов, за счет экономии энергии при разрушении путем существенного сокращения количества трещин, разрушения отколом, полезного использования полученных блоков, сокращения трудоемкости работ. 4 с.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ блочного разрушения монолитных объектов, включающий бурение шпура или скважины, размещение в нем гидроклинового распорного устройства, имеющего клин и раздвижные матрицы, и пакера, включение насоса, заполнение жидкостью распорного устройства под давлением через канальную трубу, образование трещины, выключение насоса и извлечение распорного устройства, отличающийся тем, что производят отбойку блоков радиально и тангенциально направленными трещинами, при этом вначале перекрывают канальную трубу и статическим напором жидкости с помощью матриц распорного гидроклинового устройства формируют концентрацию напряжений в монолитном объекте в заданном направлении, открывают канальную трубу для выпуска струи, создавая гидродинамический удар по клину, образуют кумулятивную струю на выходе из распорного устройства, под действием которой и при динамическом напоре расклинивающих усилий образуют трещину в монолитном объекте.2. Гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи, характеризующийся тем, что он имеет гидроклиновое распорное устройство с клином, канальной трубой для подачи жидкости и раздвижными матрицами, пакер, соединительную муфту, диафрагму, установленную с возможностью перекрытия канальной трубы и выпускного канала в клине, зажатую с помощью их резьбового соединения, при этом канальная труба имеет заостренный торец, расположенный с возможностью взаимодействия с диафрагмой и обеспечения гидроизоляции, а диафрагма выполнена с возможностью разрушения в момент достижения критического давления для нанесения гидродинамического удара по клину, причем клин выполнен с канавками, соединенными с выпускным каналом и расположенными с возможностью образования кумулятивной струи на выходе из распорного устройства и получения динамического напора жидкости для развития трещины, при этом распорное устройство имеет резиновую стяжную трубу и разрезные пружинные кольца для сжатия матрицы в исходное положение после прекращения подачи жидкости под давлением.3. Гидроклиновой трансформатор радиально направленных трещин с золотниковым выпуском струи, характеризующийся тем, что он имеет гидроклиновое распорное устройство с клином, канальной трубой для подачи жидкости и раздвижными матрицами, пакер, соединительную муфту, золотник, установленный с возможностью перекрытия канальной трубы и выпускных каналов в клине, при этом внутри канальной трубы расположена трубка золотника для подачи жидкости в компенсационную камеру при перекрытии золотником выпускных каналов клина, при этом золотник установлен с возможностью вытеснения жидкости из компенсационной камеры для открытия выпускных каналов клина и импульсного истечения струи из них, причем выпускные каналы клина выполнены с возможностью образования кумулятивной струи на выходе и динамического напора жидкости для образования трещины в монолитном объекте.4. Гидроклиновой трансформатор тангенциально направленных трещин с диафрагменным выпуском струи, характеризующийся тем, что он имеет гидроклиновое распорное устройство с канальной трубой для подачи жидкости, раздвижными матрицами и клином, который выполнен за одно целое с канальной трубой для подачи жидкости, направляющий конус, расположенный с возможностью упора на донную часть шпура или скважины, диафрагму, которая установлена с возможностью прижатия к заостренному торцу канальной трубы при помощи гайки с выпускным отверстием для обеспечения гидроизоляции, при этом направляющий конус установлен с возможностью образования с торцем матрицы кольцевого отверстия для формирования импульсной кумулятивной струи при разрушении диафрагмы и подачи жидкости для развития трещины.