АЛМАЗОДОБЫВАЮЩИЙ КОМБАЙН Российский патент 2011 года по МПК E21C27/28 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке кимберлитовых месторождений, в том числе в районах с вечномерзлыми грунтами, характерными для Крайнего Севера и Сибири.

Целью изобретения является снижение энергозатрат при добыче алмазов при повышении экологической безопасности для окружающей среды.

Известен способ добычи кимберлита с использованием механизированного комплекса, включающего механизированную крепь со средствами для транспортировки руды, очистной комбайн и элементы для разупрочнения массива [1]. В качестве способов разупрочнения при этом используются взрывы и химическое разрушение, что связано с нарушением среды обитания, опасно для персонала и может привести к повреждению алмазов и сопутствующих минералов (титан, вольфрам, медь и др.) [2].

Отличием предлагаемого технического решения является использование алмазодобывающего комбайна, обеспечивающего: использование отрицательной температуры вечномерзлых грунтов для извлечения пара и энергии, разупрочнения кимберлита за счет резкого перепада температур; совмещение процессов разведки, добычи алмазов, анализа добытого и обогащения кимберлита внутри комбайна; исключение постоянного пребывания персонала в забое и устранение доступа людей к алмазам в процессе добычи и обогащения кимберлита.

С этой целью алмазодобывающий комбайн помимо общеизвестных источников оборудован биоэнергетическим комплексом [3], обеспечивающим дополнительное снабжение комбайна энергией. Биоэнергетический комплекс (БК) представляет из себя устройство сферической формы, на поверхности которого спиралевидно уложены вегетационные трубы, внутри которых установлены конвейеры с растениями, выполненные с возможностью, поворачиваясь по спирали, приводить во вращение вал, расположенный на вертикальной центральной оси, который снабжен поворотным механизмом, связанным с мультипликатором, соединенным с генератором электроэнергии, который отдает энергию на аккумулятор. Над сферой расположено помещение для рассады, а под сферой помещение сбора урожая. Непрерывность работы БК обеспечивается за счет гравитации растений, высаживаемых постоянно с кратковременными интервалами времени в каждую из непрерывно освобождающихся вегетационных труб, а также за счет направленных вниз струй питательного раствора; стремления растений к свету лучей, расположенных под ними лазерных установок (растения установлены кроной вниз); усилий, связанных с процессами осмоса; напора струй газовой смеси, направленных на растения и газоотсасывающих усилий, связанных с удалением метаболитов дыхания корневой системы [3].

Для разупрочнения массива используется пар, получаемый из реакторов, установленных по периметру комбайна и представляющих из себя кольцо жесткости. Каждый из цилиндрических реакторов снабжен электрообогревателем и со стороны центральной вертикальной оси комбайна покрыт теплоизоляционным слоем. Реакторы заполняют водой, а сверху помещают слой масла. При соприкосновении с вечномерзлым грунтом через теплопроводную оболочку реактора вода в реакторе замерзает и, увеличиваясь в объеме, вытесняет масло в верхний масляный тор, где создается высокое давление и через трубы, оборудованные автоматизированной запорной арматурой, попадает в гидрогенератор, где вырабатывается электроэнергия, которая затем подается в аккумулятор комбайна. Отработанное масло попадает в нижний масляный тор, откуда перекачивается в реакторы. Добытый кимберлит по вертикальному многоступенчатому ковшовому транспортеру, установленному вдоль центральной вертикальной оси комбайна, подают в камеру обогащения последовательно в гравитационный, масляный и электростатический сепараторы. Отходы, после спектрального анализа, уходят наверх при помощи транспортера для извлечения сопутствующих минералов, а сами алмазы направляют в сейф, оборудованный электронными весами, где количественные и качественные характеристики алмазов через видеокамеры передаются на интерфейс автоматизированной системы управления (АСУ), расположенной на поверхности земли. В камере обогащения находятся также установки обезвоживания кимберлита и очистки воды, которая после фильтрации подается в нижний водяной тор для последующей утилизации.

Функционирование алмазодобывающего комбайна включает ряд этапов:

1. В соответствии с данными разведки производят обустройство скважин, в одну из которых опускают комбайн.

2. Замораживание воды в реакторах, контактирующих своей теплопроводной стороной с поверхностью скважины, представляющей собой вечномерзлый массив. В это время бур, вращаясь, разрушает массив кимберлита шарошками, установленными на нижней конусообразной поверхности бура.

3. Замерзая, вода в реакторах превращается в лед, вытесняющий в результате увеличения объема расположенный над ним слой масла, которое попадает в верхний масляный тор, где создается высокое давление. Излишки масла, не востребованные в реакторах, направляют на лопатки гидрогенераторов, где вырабатывается электроэнергия, которая направляется в аккумулятор.

4. По маслопроводу масло направляют в гидравлические прижиматели, которые своими телескопическими стойками прижимают к стенкам скважины расположенные по периметру уплотнители, являющиеся противовесами бура, и благодаря полиспастам, расположенным на кронштейнах, установленных на водиле бура, бур поднимается вверх.

5. В реакторах после включения обогревателей растапливают лед, который, превращаясь в воду, занимает меньший объем. Расположенный надо льдом слой масла задерживается поршневыми поддонами благодаря выступившим фиксаторам. В образовавшемся над слоем воды вакууме при соответствующей температуре и давлении образуется пар [4], который по паропроводам подают в паровую камеру бура, откуда через штуцеры, внедренные в отверстия с обратными клапанами бура, внутрь бура, откуда через форсунки пар подают в подбуровое пространство, при этом пар, попадая в микротрещины кимберлита, способствует его разуплотнению.

6. Талая опресненная вода из реакторов откачивается в верхний водяной тор, откуда ее направляют в регенератор питательного раствора биоэнергокомплекса, а также заменяется водой из нижнего водяного тора для последуещего обессоливания в реакторах.

7. Масло из гидроприжимателей уплотнителей откачивают в верхний масляный тор, уплотнители возвращаются в прежнее положение, бур опускается и включается в процесс по разработки массива.

8. Подъем породы.

После этого вновь происходит замораживание воды в реакторах и цикл повторяется.

На фиг.1 приведен разрез комбайна по В-В на фиг.2, слева - в момент остановки бура, справа - в процессе добычи кимберлита; на фиг.2 - план комбайна по сечению А-А на фиг.1, на фиг.3 - план комбайна по сечению С-С на фиг.1; на фиг.4 - схема взаимодействия уплотнителя и бура при останове бура; на фиг.5 - то же в момент работы бура; на фиг.6 - фрагмент водила бура (аксонометрия); на фиг.7 - разрез скважины с установленным в ней алмазодобывающим комбайном по сечению В-В на фиг.2; на фиг.8 - схема автоматизированной системы управления (АСУ) комбайном; на фиг.9 - нижний зацеп (аксонометрия); на фиг.10 - верхний зацеп (аксонометрия); на фиг.11 - схема нижнего зацепа в момент захвата ковша, заполненного кимберлитом - I и в момент возврата его в исходное положение - II; на фиг.12 - схема верхнего зацепа в момент захвата порожнего ковша - I и в момент отцепления от заполняемого обогащенным кимберлитом ковша и возвращения в исходное положение; на фиг.13 - фрагмент обогатительной камеры (аксонометрия).

На фиг.1, 2 и 3 показан биоэнергетический комплекс (БК) 1, представляющий из себя сферу 2, на поверхности которой спиралевидно уложены вегетационные трубы 3 с размещенными внутри них конвейерами с растениями, которые при перемещении способны производить энергию, дополняющую энергию внешних источников, чтобы приводить в поворотное движение бур 4, снабженный долотами 5 с установленными на них шарошками 6.

Под БК расположена камера высадки рассады 7, а над БК камера сбора урожая 8, при этом центральная вертикальная ось 9 БК соосна и совпадает с центральной вертикальной осью кольца реакторов 10, которые заполняют водой, замерзающей при попадании в скважину 11, находящуюся в зоне вечной мерзлоты, и увеличивающейся в объеме. Над слоем льда в реакторе 10, расположен слой масла, которое под давлением льда поднимается по трубам 12 с автоматизированными запорными устройствами и, попадая в верхний масляный тор 13, создает повышенное давление, в результате чего масло выдавливается из тора 13 и по трубам 14 попадает в гидроприжиматель 15 уплотнителя 16 или в гидрогенератор 17, где вырабатывается электроэнергия и откуда масло направляют в нижний масляный тор 18, откуда при помощи масляного насоса 19 масло перекачивают в верхнюю часть реактора 10, благодаря чему опускается поршневой масляный поддон 20 до уровня фиксаторов 21. Реакторы 10 со стороны центральной вертикальной оси 9 комбайна покрыты утеплителем 22, а в центре реактора установлен нагреватель 23, который после растапливания льда в реакторе, превращая его в воду, уменьшающуюся в объеме, опускает вниз воду и создает в реакторе вакуум, поскольку масло, находящееся выше на поддоне 20, остановлено фиксаторами 21. При определенном давлении, которое обеспечивает в реакторе вакуум, создается пар, который по паропроводу 24 направляют в паровую камеру 25 бура, а оттуда через штуцер 26, внедренный в отверстие 27 с обратным клапаном внутрь бура и через форсунки 28 в подбуровое пространство 29, благодаря чему происходит разупрочнение кимберлита за счет резкого перепада температур. Поскольку часть воды из реакторов была израсходована, она пополняется водой из нижнего водяного тора 30 для последующего замораживания. Перед этим оставшаяся в реакторах вода, опресненная в результате вымораживания и вакуумирования [5], направляется в верхний водяной тор 31 для последующей перекачки в регенератор питательного раствора в БК для утилизации (не показан), а образовавшийся в реакторах рассол убирают с помощью многоковшового транспортера 32.

Еще до того, как в бур 1 попадает пар, в гидроприжиматели 15 уплотнителей 16 должно поступить масло, под давлением которого телескопические стержни 33 гидроприжимателей придавят пароизолирующие уплотнители 16 к стенкам скважины 11. При этом уплотнители, действуя как противовесы (фиг.4 и 5), приподнимут бур, 4 благодаря полиспастам 34, установленным на кронштейнах 35 водила 36 бура 4.

С учетом того, что бур не только вращается вокруг своей оси, но и перемещается периодически по вертикали, его водило выполнено разъемным и имеет выступы 37 и выемки 38, соответствующие по форме друг другу, и страховочные стержни 39, установленные в пазах 40 водила 36 и имеющие оголовники 41 (фиг.6).

С целью уменьшения экономического риска при добыче комбайн оснащен собственной камерой обогащения 42, расположенной в верхний части комбайна и оборудованной гравитационным 43, масляным 44 и электростатическим 45 сепараторами, связанными последовательно друг с другом и с сейфом 46 хранения алмазов, качество и вес которых, а также спектральный анализ добытого кимберлита на наличие сопутствующих минералов сообщают видеокамеры 47. Кроме того, в камере 42 установлены аппарат обезвоживания 48 добытого кимберлита и аппарат водоочистки 49, откуда очищенная вода направляется в нижний водяной тор 30.

Сбор и транспортировку добытого кимберлита осуществляют с помощью вертикального многоступенчатого многоковшового транспортера 32, который проходит вдоль центральной вертикальной оси 9 и прикреплен на поверхности земли к портальному крану 50 (фиг.7), способному периодически наращивать транспортер за счет новых ступеней 51, каждая из которых снабжена вверху собственным электродвигателем 52, соединенным с верхним вращающимся блоком 53, и внизу бункером 54, выполненным с возможностью присоединяться к верхней части нижерасположенной ступени, с ее нижним вращающимся блоком 55, таким образом, чтобы содержимое из ковшей 56 нижерасположенной ступени, попадая в бункер вышерасположенной ступени, могло захватываться ковшами вышерасположенной ступени и направляться наверх. Во время прохождения ковшей нижней ступени мимо обогатительной камеры 42 ковши 56 транспортера цепляют и опрокидывают специальные подвижные зацепы 57, способные, освобождая их от кимберлита, а после обогащения, уже освобожденный от алмазов, кимберлит заполнять порожние ковши.

Синхронизация функционирования комбайна обеспечивается автоматизированной системой управления, установленной на поверхности земли, включающей вычислительное устройство 58 и терминал 59, связанные через интерфейс 60 с датчиками 61 и приводами 62 блоков управления: биоэнергетическим комплексом 1, буром 4, кольцом реакторов 10, системой уплотнителей 16, камерой обогащения 42, аккумулятором электроэнергии 63, механизмами портального крана 50 и системой приема и складирования добытого кимберлита 64.

Подъем комбайна осуществляют при помощи тросов 65, закрепленных за петли 66 комбайна к портальному крану 50.

На фиг 1 и 3 приведены мультипликатор 67, электрогенератор 68, кабель 69, микроэскалаторы 70 и манипуляторы 71, способные обеспечить перемещение породы в обогатительной камере 42.

На фиг 9 и 11 показан процесс захвата крюками 72 нижнего зацепа 57 ковша 56, заполненного кимберлитом, за пальцы 73, в результате импульса с АСУ и включения электромагнитов 74, притягивающих противовес 75 зацепа 57 таким образом, что находящийся в ковше кимберлит ссыпается в обогатительную камеру 42, зацеп 57 под воздействием пружин 76, закрепленных на консолях 77, также присоединенных к противовесу 75 своим другим концом, после отключения электромагнитов 74 возвращается в исходное положение. На фиг.10 и 12 показан процесс захвата крюками 72 верхнего зацепа 57 порожнего ковша 56 за пальцы 73, приведя ковш в такое положение, в котором появляется возможность заполнять ковш обогащенным кимберлитом, после чего зацеп возвращается в исходное положение. Эти перемещения обеспечивают импульсы с АСУ, воздействующие на электромагниты 74, притягивающие и соответственно освобождающие противовес 75 захвата, а также сжатие пружин 76, закрепленных на консолях 77.

На фиг.13 показан фрагмент обогатительной камеры 42, в которой гравитационный 43, масляный 44 и электростатический 45 сепараторы объединены между собой микроэскалаторами 70, по которым осуществляют перемещение кимберлита, погрузку и выгрузку по командам АСУ выполняют манипуляторы 71 при помощи своих грейферных захватов 78, причем захваты 78 установлены на окончаниях крановых стрел 79, выполненных с возможностью перемещения на шарнирах как в горизонтальном, так в вертикальном направлении, установлены стрелы шарнирно на верхушках ферм 80, опирающихся на стойки 81, расположенные между выходами с микроэскалаторов 70 и загрузочных проемов 82, находящихся в центрах крышек 83 сепараторов, куда подают и из которых извлекают кимберлит манипуляторы 71.

В случае возникновения препятствий при проходке скважины в виде крупногабаритных включений, комбайн, выполненный с возможностью подъема и передислокации его на ближайшую резервную скважину, может быть после устранения вышеназванных препятствий известными способами, вновь возвращен на прежнее место.

Источники информации

1. RU 2136887, С1.10.09.99.

2. Олейников О.Б., Корнилова В.П., Ятнышев Б.С, Сафранов А.Ф. Вещественный состав и поисковые признаки немагнитных кимберлитовых тел / Методы прогноза и поиска алмазов на юге Восточной Сибири. - Иркутск: Вост.-Сиб. НИИГГиМС, 1990. С.31-33.

3. RU 2152149, С1, 10.07.2000.

4. Детлаф А.А. Курс физики: Учеб. пособие для студ. втузов / А.А.Детлаф, Б.М.Яворский - 4-е изд., испр. - М.: Изд. центр «Академия», 2003. - 720 с. С.174-177.

5. Дмитриев В.Д. Технологические схемы очистки воды для производственных нужд. - Л.: ЛИСИ, 1972. - С.41-47.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к алмазодобывающему комбайну, и может быть использовано при разработке кимберлитовых месторождений в районах с вечномерзлыми грунтами. Техническим результатом является снижение энергозатрат при добыче алмазов, повышение экологической безопасности для окружающей среды. Комбайн включает биоэнергетический комплекс, который приводит во вращение бур, расположенный в нижней части цилиндрического комбайна, по периметру которого расположены реакторы, заполненные водой и залитые поверх воды маслом. При замерзании воды в реакторах, контактирующих с вечномерзлым грунтом скважины, лед вытесняет масло, которое, попадая в гидравлические прижиматели, приводит в действие уплотнители, упирая их в стенки скважины. Уплотнители, являясь противовесом бура, приподнимают бур через систему полиспастов, при этом подбуровое пространство скважины заполняется горячим паром, образовавшимся в реакторах, в результате включения размещенных в реакторах нагревателей, что приводит к разупрочнению кимберлита. При этом избыточное давление в емкостях с маслом используют в электрогенераторах для получения электроэнергии, а очищенную и опресненную воду из реакторов направляют в биоэнергетический комплекс для регенерации раствора, питающего растения. Комбайн оборудован системой обогатительных сепараторов и алмазохранилищем, обслуживаемых микроэскалаторами, манипуляторами и видеокамерами, что позволяет по мере перемещения комбайна вниз на любом горизонте скважины принимать решение о целесообразности разработки кимберлитового массива. 13 ил.

Алмазодобывающий комбайн, характеризующийся цилиндрическим корпусом, на центральной вертикальной оси которого соосно с ним расположен биоэнергетический комплекс, на сферической поверхности которого спиралевидно уложены вегетационные трубы с конвейерами растений, обеспечивающие поворот сферы вокруг центральной оси, связанные с указанным комплексом мультипликатор, генератор и аккумулятор электроэнергии, приводящие совместно с внешними источниками энергии во вращательное движение расположенный в нижней части комбайна динамический бур, на нижней конусообразной поверхности которого установлены породоразрушающие долота с шарошками, расположенные по периметру комбайна система уплотнителей с гидроприжимателями и кольцо жесткости, включающие реакторы, объединенные торами, придающими жесткость кольцу, при этом указанное кольцо снабжено средствами заполнения реакторов водой в нижней своей части и маслом в верхней части, а при замерзании воды - подачи масла последовательно в верхний масляный тор, в гидроприжиматели уплотнителей, в гидрогенератор для выработки электроэнергии, в нижний масляный тор и в верхнюю часть реакторов, снабженных поддонами для удержания масла и регуляторами уровня давления, обеспечивающими создание вакуума и образование водяного пара, подаваемого в паровую камеру бура для последующего внесения в подбуровое пространство скважины для разуплотнения кимберлита, причем указанные средства обеспечивают подачу опресненной воды в верхний водяной тор для регенерации питательного раствора в биоэнергетическом комплексе и подачу через нижний водяной тор чистой воды для пополнения водой реакторов, а также выработки пара путем размораживания воды, при этом подъем бура происходит за счет перемещения уплотнителей, являющихся противовесами бура, а для подъема бура используют систему полиспастов, установленных на кронштейнах, закрепленных на водиле бура, при этом подъем кимберлита на поверхность обеспечивается вертикальным многоступенчатым многоковшовым транспортером, нижняя ступень которого проходит через шахту, расположенную вдоль центральной вертикальной оси комбайна, при этом нижний вращающийся блок указанной ступени размещен у основания комбайна, а верхний блок подвешен на тросах к портальному крану, расположенному на поверхности земли, а верхний блок снабжен собственным механизмом, перемещающим цепь с саморазгружающимися и самоопрокидывающимися ковшами, а вышерасположенная ступень выполнена с возможностью присоединения к верхнему блоку бункера нижерасположенной ступени своим нижним вращающимся блоком, расположенным в бункере, и снабженная верхним блоком, прикрепленным с собственным механизмом вращения под портальным краном, при этом все остальные ступени выполнены аналогично, причем в верхней части комбайна размещена обогатительная камера, оборудованная системой взаимосвязанных сепараторов, алмазохранилищем, аппаратом отъема влаги из добытого кимберлита и водоочистительным фильтром, обслуживаемой микроэскалаторами, манипуляторами и видеокамерами, обеспечивающими взвешивание, качественную оценку и сохранность алмазов, а также спектральный анализ сопутствующих алмазам минералов, при этом камера оснащена средствами выгрузки добытого кимберлита путем опорожнения ковшей транспортера и загрузки транспортера кимберлитом после его обогащения, при этом водило бура выполнено разъемным, оснащенным системой выступов и выемок, а также страховочными стержнями, обеспечивающими периодическое перемещение бура по вертикали без ущерба для его вращения, комбайн связан с автоматизированной системой управления, включающей вычислительное устройство и терминал, соединенные через интерфейс с датчиками и приводами блока управления биоэнергетическим комплексом, буром, кольцом реакторов, системой уплотнения, многоступенчатым транспортером, обогатительной камерой, аккумулятором электроэнергии, механизмами портального крана, а также системой приема и складирования добытого кимберлита.