ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2017 года по МПК E21C37/18 

Изобретение относится к горнодобывающей и строительной отраслям промышленности, а именно к разрушению горных пород с использованием высоковольтных импульсных разрядов, и может найти применение для получения в каменных карьерах блоков крепких горных пород, а также плит, бортовых камней, различных каменных строительных элементов.

Известен электроимпульсный способ разрушения горных пород (патент RU №2232271, МПК 7 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 10.07.2004. Бюл. №19), согласно которому двухстержневое электродное устройство перемещают по разрезаемому блоку горной породы с шагом перемещения электродов устройства между двумя электрическими импульсами, выбранным из условия:

, причем ,

где m - шаг перемещения электродов устройства, мм;

W_з - энергия, запасенная источником импульсов, Дж;

L - межэлектродный промежуток, мм;

W_опт1 - оптимальная энергия разрушения за один импульс для горной породы с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову, равным 5 Дж;

n - число импульсов на межэлектродном промежутке двухстержневого электродного устройства.

Основными недостатками этого способа являются отсутствие возможности эффективного его применения в каменных карьерах для добычи блоков горных пород, т.к. оба электрода применяемого электродного устройства и разрушаемую часть горной породы необходимо помещать в воду, что в условиях карьера сделать очень сложно, а также то, что разрушение с целью образования щелей в горизонтальном направлении невозможно, хотя это крайне необходимо для ровного подрезания в подошвенной части добываемых в карьерах блоков горных пород.

Первый недостаток устранен в выбранном за прототип способе разрушения горных пород (патент RU №2375573, МПК Е21С 37/18, опубл. 10.12.2009. Бюл. №34), включающем бурение центральной скважины и электродных шпуров вокруг нее, размещение в электродных шпурах электродов и подачу на них высоковольтных импульсов, причем параллельно центральной скважине вплотную к ней или с частичным ее перекрытием бурят дополнительную скважину, а места забурки шпуров выбирают в спиральном направлении на воображаемой плоской спирали, начальное расстояние между соседними витками спирали выбирают не более диаметра дополнительной скважины, перед подачей высоковольтных импульсов на высоковольтный электрод против нижнего его конца у наружных углов вертикальных плоскостей скола отрываемого блока горной породы в спиральном и радиальном направлениях размещают по одному заземленному электроду. Кроме того, по этому способу расстояния между соседними электродными шпурами, а также расстояния между соседними витками воображаемой плоской спирали выбирают одинаковыми, между электродными шпурами на глубину этих шпуров бурят вертикальные и/или наклонные промежуточные шпуры, в т.ч. пересекающиеся, на забое промежуточных шпуров размещают электропроводящие вставки из твердого или жидкого материала, на длинной стороне отрываемого блока горной породы в шпуре размещают дополнительный высоковольтный электрод, а высоковольтные импульсы подают на высоковольтный и дополнительный высоковольтный электроды одновременно.

Следует заметить, что способ-прототип и предложенный способ предназначены в основном для добычи на каменных карьерах блоков крепких горных пород, имеющих предварительное обнажение с трех сторон: передней, верхней и одной боковой (например, левой).

Основным недостатком этого способа является то, что добываемые в карьерах блоки горных пород не соответствуют желаемой форме, например, параллелепипеда, куба и др. Особенно неровной получается подошвенная, нижняя сторона блоков. Это связано с тем, что способом-прототипом не предусмотрено никакой предварительной подготовки для направленного откола по нижней (подошвенной) стороне блоков. Кроме того, для качественного откола вдоль вертикальных сторон добываемых блоков необходимо бурение большого числа шпуров, т.к. чем больше шпуров, тем качественнее вертикальные поверхности откола.

Техническим результатом предложенного способа является увеличение в несколько раз добычи в каменных карьерах цельных блоков заданной формы, например, в виде параллелепипедов, кубов или других видов строительных, ритуальных заготовок за счет более качественной предварительной подготовки всех (трех) плоскостей откола блоков от основного массива. Кроме того, требуемое для качественного откола блоков по вертикальным плоскостям количество шпуров минимум в 2 раза меньше, чем в прототипе.

Указанный технический результат достигается тем, что в электроразрядном способе разрушения горных пород, включающем бурение в каменных карьерах электродных шпуров, размещение в них стержневых электродов, продольная поверхность каждого из которых покрыта изолятором, и подачу на них высоковольтных импульсов, причем перед подачей высоковольтных импульсов у нижней передней и нижней боковой бровок добываемого блока горной породы размещают переносные заземленные электроды, согласно предложенному решению, в подошвенной части добываемого блока горной породы образуют каналы электрического пробоя без разрушения горной породы, поинтервально перемещая переносные заземленные электроды вдоль нижней передней и нижней боковой бровок и подавая после каждого перемещения переносного заземленного электрода высоковольтные импульсы на ближайший стержневой электрод, а вдоль задней поверхности добываемого блока горной породы каналы электрического пробоя без разрушения горной породы образуют, поинтервально поднимая или опуская в электродных шпурах два соседних стержневых электрода и подавая высоковольтные импульсы на один из них после каждого перемещения, а затем поинтервально поднимая или опуская ближайший к боковой поверхности добываемого блока стержневой электрод и размещенный на минимальном от него расстоянии переносной заземленный электрод и подавая высоковольтные импульсы на ближайший к боковой поверхности стержневой электрод после каждого перемещения обоих электродов, также каналы электрического пробоя без разрушения горной породы образуют вдоль создаваемой боковой поверхности добываемого блока, поинтервально поднимая или опуская ближайший к создаваемой боковой поверхности стержневой электрод и размещенный на минимальном расстоянии от него переносной заземленный электрод и подавая на стержневой электрод высоковольтные импульсы после каждого перемещения электродов.

Целесообразно также применять стержневые электроды, призабойный конец каждого из которых выполнен в виде зубчатого круга или круга с заостренным краем, а в процессе образования каждого канала электрического пробоя подавать не менее пяти высоковольтных импульсов без перемещения электродов.

Для рассмотрения конкретного выполнения предложенного способа представлено 3 иллюстрации. На фиг. 1 показан единичный канал электрического пробоя образца горной породы без его разрушения. На фиг. 2 изображена часть каменного карьера при добыче блока крупнозернистого гранита. На фиг. 3 представлено сечение уступа по линии А-А на фиг. 2.

Для рассмотрения примера электрического пробоя горной породы без разрушения ее образца на фиг. 1 приведена фотография образца крупнозернистого гранита 1, в котором сверху под углом 20÷25° к вертикали пробурено два наклонных шпура 2 глубиной по 100 мм. В эти наклонные шпуры 2 вставляют по одному отрезку высоковольтного кабеля 3 диаметром 20 мм, с которого снята оплетка. Каждый из этих отрезков кабеля 3 своим обнаженным концом многопроволочной жилы 4 опирается на забой наклонного шпура 2. Минимальное расстояние между обнаженными концами этих жил 4 составляет 100 мм. После установки в наклонные шпуры 2 обоих отрезков высоковольтного кабеля 3 эти шпуры заполняют водой, один отрезок высоковольтного кабеля 3 заземляют, а на другой от генератора высоковольтных импульсов подают пять импульсов напряжением 300 кВ с запасаемой энергией каждого импульса 1,35 кДж, доливая воду после каждого импульса (для ограничения утечек воды в трещины горной породы и разбрызгивания ее при развитии электрических разрядов рекомендуется отрезки высоковольтного кабеля 3 обернуть губчатым материалом, например поролоном). Подача импульсов приводит к образованию в образце крупнозернистого гранита 1 канала электрического пробоя 5. Образец внешне остается цельным. Для отделения передней части образца крупнозернистого гранита 1 на один из отрезков высоковольтного кабеля 3 подают один или несколько импульсов напряжением 400 кВ при запасаемой каждым импульсом энергии 4,0 кДж, и образец раскалывается по наклонным шпурам 2 и каналу электрического пробоя 5 на два куска, один из которых приведен на фиг. 1. Если на один из отрезков высоковольтного кабеля 3 подать один такой импульс без предварительного создания канала электрического пробоя 5, то часть образца 1, находящаяся между отрезками высоковольтного кабеля 3, разрушается, а образец раскалывается не на два, а на несколько кусков. Таким образом, приведенный пример показывает целесообразность работы в каменных карьерах с созданием длинных каналов электрического пробоя без разрушения горной породы, и только после образования таких каналов в заданных направлениях мощным импульсом производить направленный по таким каналам раскол образца или отделение блока высокопрочного камня от основного массива.

Следует отметить, что необходимость подачи пяти высоковольтных импульсов для образования каждого канала электрического пробоя без разрушения горной породы связана с тем, что, как установлено в Томском политехническом институте, в этом случае пробивное напряжение почти в 2 раза ниже, чем при одноимпульсном воздействии с электрическим пробоем горной породы (одним импульсом). Так, при межэлектродном промежутке 100 мм мелкозернистый гранит был пробит при напряжении единичного импульса около 660 кВ, а при подаче пяти импульсов (без перемещения электродов) пробой произошел при напряжении 340 кВ. Параметры высоковольтных импульсов для конкретных условий необходимо устанавливать опытным путем, т.к., например, гранит по классификации горных пород проф. М.М. Протодьяконова имеет коэффициент крепости (0,01 от предела прочности на одноосное сжатие в кг/см²) от 8 до 18, т.е. свойства даже горной породы одного наименования имеют существенный разброс. В проведенных нами ранее экспериментах при изменении крепости гранита в 1,3 раза пробивное напряжение увеличилось в 1,53 раза.

Пример использования предложенного способа для отделения блоков крепких, монолитных горных пород от массива на каменном карьере проиллюстрирован фиг. 2 и фиг. 3. У добываемого блока крупнозернистого гранита 6 предварительное обнажение имеют три поверхности (стороны): передняя поверхность 7, верхняя поверхность 8 и боковая поверхность (заходка) 9, являющаяся передним торцом части уступа 10, из которого и формируют добываемый блок длиной 0,8 м, шириной (толщиной) 0,3 м и высотой 0,6 м. Вначале вдоль создаваемой задней поверхности 11 бурят вертикальные электродные шпуры 12 на глубину 0,6 м, что равно высоте передней поверхности 7 добываемого блока 6, шпуры бурят до уровня нижней площадки уступа 13. В наклонные электродные шпуры 12 опускают до забоя по одному стержневому электроду: на фиг. 2 и фиг. 3 показаны ближайший к боковой поверхности 9 стержневой электрод 14 и ближайший к создаваемой боковой поверхности 15 стержневой электрод 16. Диаметр шпуров равен 48 мм, диаметр стержневых электродов 14 и 16, выполненных из нержавеющей стали, составляет 8 мм. Каждый из них покрыт своим полиэтиленовым изолятором 17 диаметром 42 мм. Для увеличения неоднородности электрического поля призабойные концы стержневых электродов 14 и 16 выполнены в виде зубчатых кругов или кругов с заостренными краями 18. Расстояние между осевыми линиями вертикальных электродных шпуров 12 - 0,4 м. Переносные заземленные электроды 19 и 20 поинтервально располагают возле нижней передней 21 и нижней боковой 22 бровок добываемого блока горной породы 6.

Как отмечено выше, в отличие от способа-прототипа и других известных способов добычи в карьерах блоков крепких горных пород предложенный способ обеспечивает сравнительно ровную поверхность откола даже по нижней (подошвенной) поверхности 23. Чтобы откол произошел в этом месте, в горной породе в веерном направлении образуют каналы электрического пробоя без разрушения горной породы 24 и 25. Для этого переносные заземленные электроды 19 и 20 поинтервально перемещают вдоль нижней передней 21 и нижней боковой 22 бровок, причем после каждого перемещения подают не менее пяти высоковольтных импульсов на ближайший к заземленному электроду стержневой электрод 14 или 16. При получении блока крупнозернистого гранита 6 со сравнительно ровными вновь образованными поверхностями этого блока интервал перемещения электродов составляет 0,1 м. Для образования каналов электрического пробоя без разрушения горной породы 26 и 27 вдоль создаваемой задней поверхности 11 добываемого блока горной породы 6 поинтервально поднимают или опускают на одинаковую высоту два соседних стержневых электрода: 14 и 16, и на один их них (в конкретном случае на стержневой электрод 14) подают не менее 5 импульсов высокого напряжения, а затем поинтервально на одинаковую высоту (0,1 м) поднимают (или опускают) ближайший к боковой поверхности 9 стержневой электрод 14 и ближайший к нему переносной заземленный электрод 20 и после каждого перемещения на стержневой электрод 14 подают (не менее 5) импульсы высокого напряжения. Чтобы создаваемая боковая поверхность 15 была сравнительно ровной, в ней также образуют каналы электрического пробоя без разрушения горной породы 28. С этой целью поинтервально поднимают или опускают ближайший к создаваемой боковой поверхности 15 стержневой электрод 16 и на такой же уровень устанавливают ближайший заземленный электрод 19, затем после каждого перемещения обоих электродов на стержневой электрод 16 подают не менее 5 импульсов высокого напряжения.

В рассматриваемом примере конкретного выполнения для образования в крупнозернистом граните каждого канала электрического пробоя без разрушения горной породы при длине канала около 0,4 м подают не менее 5 высоковольтных импульсов напряжением 650 кВ с запасенной энергией каждого импульса 2,1 кДж. После образования каналов электрического пробоя (без разрушения горной породы) вдоль всех (трех) создаваемых поверхностей добываемого блока 6: нижней (подошвенной) 23, задней 11 и боковой 15 производят его отрыв от основного массива каменного карьера. Для этого один из стержневых электродов, например 14, заземляют, а на другой, в конкретном примере 16, подают несколько (3÷10) мощных импульсов напряжением 670 кВ при запасенной энергии каждого импульса около 45 кДж. Если горная порода очень крепкая, и таким образом не удается отделить единичными импульсами добываемый блок горной породы 6 от основного массива, то перед подачей этих мощных импульсов подают несколько таких импульсов на стержневой электрод 16, предварительно разместив на ближайшем от него расстоянии у нижней передней боковой бровки 21 переносной заземленный электрод 19; также подают несколько таких импульсов на стержневой электрод 14, предварительно разместив на ближайшем от него расстоянии у нижней боковой бровки 22 переносной заземленный электрод 20.

Как уже отмечалось выше, параметры полученного в примере конкретного выполнения блока крупнозернистого гранита следующие: длина 0,8 м, ширина (толщина) 0,3 м и высота 0,6 м. Важно, что по предложенному способу лишь ширина добываемого блока существенно ограничена выходными параметрами источника импульсов высокого напряжения и в первую очередь максимальной величиной разрядного напряжения. Для добычи блоков большей высоты необходимо бурить более глубокие вертикальные электродные шпуры 12, а для получения блоков большей длины следует правее вертикальных электродных шпуров 12 в уступе 10 дополнительно пробурить еще несколько таких же шпуров с последующим созданием между ними каналов электрического пробоя без разрушения горной породы. Но для отрыва от массива блока большей длины недостаточно одного источника мощных импульсов, а потребуется несколько таких источников и синхронное их срабатывание. Поэтому целесообразно для откола от основного массива длинных блоков выбрать один из известных способов, например, из приведенных в пособии для ВУЗов «Горноразведочные работы» под редакцией Л.Г. Грабчака, Москва, Высшая школа, 2003, С. 168-206.

Таким образом, предложенный способ за счет образования каналов электрического пробоя в заданных направлениях без разрушения горной породы позволяет ослабить горную породу по всем поверхностям откола добываемого блока от основного массива, в том числе, что очень важно, по нижней (подошвенной) поверхности блока. В результате выход блоков крепких ненарушенных горных пород, у которых сравнительно ровные все поверхности откола, увеличивается в два раза и более. Минимум в два раза снижается число необходимых шпуров. Кроме того, предложенный способ, как и способ-прототип, позволяет вести добычу блоков горных пород и там, где проведение буровзрывных работ запрещено правилами безопасности.

Электроразрядный способ разрушения горных пород может быть использован в горном деле и в строительной промышленности для получения блоков крепких горных пород в каменных карьерах, а также плит, бортовых камней, различных каменных строительных элементов. По всем плоскостям откола, в т.ч. по нижней подошвенной поверхности каждого блока образуют протяженные каналы электрического пробоя высоковольтными разрядами с энергией, недостаточной для разрушения горной породы. Для образования каждого канала электрического пробоя горной породы подают не менее пяти высоковольтных импульсов. Призабойные концы стержневых электродов выполняют в виде зубчатых кругов или кругов с заостренными краями. Отрыв горной породы осуществляют путем подачи высоковольтных импульсов с повышенной энергией каждого импульса или известными методами. Изобретение позволяет повысить эффективность способа, улучшить качество поверхностей откола, в т.ч. нижней подошвенной, повысить выход блоков крепких горных пород и других изделий заданной формы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электроразрядный способ разрушения горных пород в каменных карьерах, включающий бурение шпуров, размещение в них стержневых электродов, продольная поверхность каждого из которых покрыта изолятором, и подачу на них высоковольтных импульсов, причем перед подачей высоковольтных импульсов у нижней передней и нижней боковой бровок добываемого блока горной породы размещают переносные заземленные электроды, отличающийся тем, что в подошвенной части добываемого блока горной породы образуют каналы электрического пробоя без разрушения горной породы, поинтервально перемещая переносные заземленные электроды вдоль нижней передней и нижней боковой бровок и подавая после каждого перемещения переносного заземленного электрода высоковольтные импульсы на ближайший стержневой электрод, вдоль задней поверхности добываемого блока горной породы образуют каналы электрического пробоя без разрушения горной породы, поинтервально поднимая или опуская в шпурах два соседних стержневых электрода и подавая высоковольтные импульсы на один из них после каждого перемещения, затем поинтервально поднимая или опуская ближайший к боковой поверхности добываемого блока стержневой электрод и размещенный на минимальном от него расстоянии переносной заземленный электрод и подавая высоковольтные импульсы на ближайший к боковой поверхности стержневой электрод после каждого перемещения обоих электродов, вдоль создаваемой боковой поверхности добываемого блока образуют каналы электрического пробоя без разрушения горной породы, поинтервально поднимая или опуская ближайший к создаваемой боковой поверхности стержневой электрод и размещенный на минимальном расстоянии от него переносной заземленный электрод и подавая на стержневой электрод высоковольтные импульсы после каждого перемещения этих электродов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что призабойные концы стержневых электродов выполнены в виде зубчатых кругов или кругов с заостренными краями, а в процессе образования каждого канала электрического пробоя подают не менее пяти высоковольтных импульсов без перемещения электродов.