Способ разрушения мерзлых грунтов и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК E02F5/18 E02F5/30 

Изобретение относится к разработ ке мерзлых грунтов, в частности к способам предварительного рыхления грунта при послойной его разработке и устройствам для его осуществления Известны способ разрушения мерзлого грунта импульсами газа высоког давления и устройство для его осуще вления, содержащее заглубляемьй в грунт рабочий наконечник и соединен ный с ним трубчатый корпус с емкост для сжатого газа lj , Недостатком способа является высокая энергоемкость процесса вследствие того, чТо часТь энергии газодинамического импульса передается массиву в виде ударной волны, которая из-за Д1.ссипативных потерь очен быстро вырождается в обычную волну напряжений и затухает. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сп соб разрушения мерзлых грунтов, заключающийся в последовательном воздействии наМассив двух импульсов газа высокого давления 2.1 Известно устройство для осуществления указанного способа, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и двумя клапанными механизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздушнь ми каналами, поршень, камеру управления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и ис.точником сжатого газа .pj Недостатком известного способа является высокая энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта. Действие газодинамического импульса на мерзлый грунт можно разделить на две фазы. Первая фаза - формировани камуфлетной полости под воздействием импульса газа высокого давления и образование радиальных трещин, вторая фаза - отрыв грунта от масси ва в результате поршневого действия газов, находящихся в камуфлетной по лости. Первая фаза является наиболе энергоемкой, так как формирование камуфлетной полости сопровождается сжатием породы в радиальном направлении под действием напряжения сжатия, в от1тичии от второй фазы, где разрушение грунта, т.е. его отрыв происходит под де1 1ствием напряжения растяжетпгя. Пределы прочности пород на сжатие и рзс-тяжение связаны соотнощением 2-3 Из этого следует, что давление газообразных продуктов взрыва и их объем, достаточные для формирования камуфлетной полости в первой фазе, оказываются излишними в фазе отрыва грунта от массива. В результате этого энергия газов на второй фазе оказывается больше, чем это требуется для разрушения грунта. Кроме того, причиной высокой энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов известным устройством является невозможность регулирования такого параметра процесса как продолжительность напряженного состояния разрушаемого ;-1ассива, т.е. времени нарастаклЯ напряжений в грунте от нуля до максимального значения. Этот параметр определяет объем разруи1ений и качество дробления и зависит от прочностных характеристик разрушаемой среды. В известном устройстве про.юлжительность воздействия газодинам;--ческого импульса определяется временем истечения газа из выхлопных отверстий и зависит от их количества и диаметра воздушного канала, соединяющего рабочую камеру и выхлопные отверстия, и является величиной постоянной. Эти параметры определяются из условия максимальной прочности грунта. Практически прочность грунта зависит от многих факторов и является величиной переменной. Цель изобретения - снижение энергоемкости процесса разрушения мерзлого грунта. Указанная цель достигается тем, что согласно способу разрушения мерзлых грунтов, заключающемуся в последовательном воздействии на массив двух импульсов газа высокого давления, первым импульсом формируют камуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсом для отрыва породы от массива, причем променсуток времени t, через который импульсами газа воздействуют на-массив, и длительность воздействия первого и второго импульсов t и t на массив связаны соотношением 3t t , где М - крутящий момент сопротивления завинчиванию в грунт трубчатого корпуса, нм; К - коэффициент размерности, К Ь С-н- , it- промежуток времени между импульсами газа, равный времени формирования камуфлетной полости при воздействии первого импульса газа t, t - длительность воздействия на массив соответственно первого и второго импульсов. Кроме того, давление Р, , газа первого импульса связано с давлением Р газа второго импульса соотношением этом устройство для осуществления способа, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и дву мя клапанными механизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздушными каналами, поршень, камеру управления, которые черездвухходовые краны сообщены с выхлопными отверстиями и источником сжатого газа снабжено дросселями, выполненными в виде шайб, которые имеют различный внутренний диаметр и установлены в воздушных каналах на выходе из рабочи камер, причем объемы указанных камер связаны соотношением 2,5-3,0 На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа Устройство состоит из трубчатого корпуса 1, на нижнем конце которого жестко закреплен винтовой наконечник 2, трубчатый корпус соединен со ступицей 3 посредством шпоночного соединения Д. На ступице 3 посредством накидных гаек 5, внутри которых размещены дро сельные шайбы 6, крепятся клапанные механизмы 7 и 8, внутри которых размещены седло 9 и поршень 10, отделяющий рабочие камеры 11, 12 и камеру 13 управления от выхлопных отверстий 14. Камера управления сообщена с атмосферой посредством электропневмати ческих клапанов .13 и 16, подключенных к блоку 17 за;4ержки. Емкости для сжатого газа и камеры управления сообщены с источником 18 сжатого газа высокого давления через редукторы 19 и управляемые клапаны 20 и 21. камеры 11 и 12 сообщены с выхлопными отверстиями посредством воздушного канала 22. Устройство д,пя осуществления предлагаемого способа работает следугоп1им образом. Под воздействием осевого пригруза и крутящего момента трубчатый корпус 1 завинчивают в мерзлый грунт ня требуемую глубину т-к, чтобы вых.л пные отверстия 14 были ниже поверхности paзpaбaтывae 5oгo грунта.. Посредством клапанов 20 и 21 сообщг.гот с источником газа высокого давления через редукторы 1 первонача.пьно камеры 13 управления клапанных механизмов 7 и 8, затем емкости 11 и 12 для сх атого газа. Эта очередность обеспечивает прижатие поршня 10 к седлу 9 за счет разницы диаметров d и D, тем отсекают рабочие камеры от выхлопных отверстий 14. Электропневматические клапаны 15 и 16 нормально закрыты. После того, как камеры управления и рабочие камеры заполнят, клапаны 20 и 21 закрывают, т.е. рабочие камеры и камеры управления разобща.ю между собой и отсекают от источника газа высокого давления. После описанной подготовки производят поочередное соединение через промежуток времени ut М рабочих камер 12 и 11 с выхлопными отверстиями 14, для чего осуществляют первоначальную подачу напряжения на электропкезматический клапан 15, затем на 16 от блока задержки 17, в результате чего происходит сброс сжатого газа в атмосферу первоначально из камер 13 управления клапанного механизма 7, затем клапанного механизма Во Под действием избыточного давления со стороны рабочих камер поршень 10 первоначального клапанпого -;е::ак1 зма 7, затем 8 мгноЬенне перонещается . вниз, тем самым происходит поочередное соединение с выхлопными отверстиями 14 первоначально рабочей камеры 12 затем 11. Сжатьп ; газ, истекая из выхлопных отверстий F сторону грунта, разрушает его. В результате такого порядка работы клапанных механизмов в зону выхлопных отверстий подается газодинамический импульс первоначально от рабочей камеры 12, При этом параметры импульса (давление сжатого газа, объем рабоче камеры и внутренний диаметр дроссель ной шайбы) подбирают таким образом, чтобы обеспечить формирование камуфлетнойполости, не производя разрушение и выброса грунта из воронки. Это достигается за счет создания жесткого и короткого газодинамического импульса, т.е. давление в рабочей, камере 12 в два-три раза больше чем давлекие в рабочей камере 11, а объем в 2,5-3 раза меньше. Образующаяся камуфлетная полость повышает эффективность разрушения мерзлого грунта BTopjM газодинамическим импул сом за счет большей площади контакта сжатого газа-с грунтом. Это позволяет сделать второй газодинамический импульс менее жестким за счет меньш го давления и более длинным за счет Ч еньшения внутреннего диаметра дро сельной шайбы, тем самым увеличив время существования напряженного состояния разрушаемого массива,, в р зультате, чего увеличивается объем разрушения и снижается энергоемкост процесса. I Параметры второго газодинамического импульса (давление, объем рабо чей камеры, внутренний диаметр дрос сельной шайбь) подбирают таким обра зом, чтобы произвести разрутление т.е. отрыв грунта от массива. При этом давление сжатого газа в емкости 11 принимают в два-три раза мень шим, чем у первого импульса, так как действие второго имппульса заключается в отрыве грунта от массива, т, е. грунт разрушается под воздействием растягиваюш;их напряжений, которые в два-три раза меньше предельных напряжений на сжатие. Стенк камуфлетной полости в результате воздействия на них первого жесткого газодинамргческого импульса совершают упругие колебательные движения, т.е« возникает пульсация стенок газового пузыря (камуфлетной полости) в радиальных направлениях. Таким образом, чтобы ПОВЫСИТЕ эффектив-яость разрушения мерзлого вторым импульсом необходимо его подать в тот момент, когда стенки камуфлетной полости совершают колебательное движение в направлении от выхлопных отверстий, т.е. грунт в зоне камуфлетной полости испытывает упругие -напряжения сжатия под воздействием первого газодинамического ш шульса. Таким образом, второй газодинамический импульс, т.е. его воздействие на разрушаемую среду, суммируется, по величине и направлению с упругими колебаниями разрушаемой среды под воздействием первого газодинамического импульса, тем самым увеличивая объем ра.зруше ий и снижая энергоемкость. Конкретным грунтовьим условиям соответствуют вполне определенное время Т образоваьия камуфлетной полости и MOMer-tT сопротивления М завинчиванию в rpy.iT винтообразного трубчатого корпуса, зависимость между которЬЕ 1И на основе анализа результатов, вичг.ч.лепных по формулам и определенньи; экспериментально, можно апроксимировать С1епенной функцией Т КМ-Г , r.i-e Т - время образования камуфлетной полости, с; М - момент сопротивления завкн.: ванию в грунт винтообразн(5го трубчатого корпуса, К - коэффициент размерности, К I-C-H K . Существующие математические за зисиг-юсти по определению крутящего момента при завинчивании штанги с винтовым наконечником в грунт включают в себя ряд параметров, зависящих от физико-механических свойств грунта. Поскольку в производственных условиях практически невозможно заниматься определением этих параметров и расчетами, то предложена следуюи ая методика определения крутящего момента, в основу которой положены данные статической тарировки гидромотора. С этой целью был изготовлен стенд, основу которого составил силовой каркас с нагрузочным устройством включаюш;им в себя гидромотор, рычаг с динамометром, маслостанцию с манометром. Порядок тарировки гидромотора следующий. С помощью маслостанции ступенчато поднимается давление в гидросистеме гидромотора. Кр.утяш,кй момент, создаваемый гидромотором, определяется как произведение силы (по показаниям динамометра) на пле71чо, равное длине рычага. Одновременно фиксируется соответствующее этому моменту давление в гидросистеме маслостйнции по манометру. В результате серии последовательных нагружений получен градуировочны график зависимости крутящего момента развиваемого гидромотором, от давления в гидросистеме. Поскольку этот же гидромотор применен в качестве привода вращением рабочего органа в натурную йеличину на базе гидравлического экскаватора ЭО-2621, то этот график используется для определения крутящего момента в производственных условиях. Для этого специально разра ботанная и изготовленная гидропанель управления гидромотором, которую раз мещают в кабине экскаватора, оснащается манометром М контроля давления в.гидросистеме под нагрузкой, т.е., зная давление в системе при завинчивании рабочего органа в мерзлый грун и имея ранее полученный тарировочньй график, можно определить крутящий мо мент, развиваемый гидромотором при завинчивании. Продолжительность воздействия первого импульса на грунт определяется временем образования камуфлетной полости, т.е. выражением t Так как второй импульс подается в тот момент, когда заканчивается формирование камуфлетной полости, то задержка этого импульса по отношению к первому определяется из выраженияit Т К-М Продолжительность действия на грунт второго импульса определяется продолжительностью процесса разру68шения, которьп происходит под воздействием растягивающих напряжений и сопровождается образованием радиальных трещин и их развитием в сторону свобу чой поверхности. Длительность этого процесса можно определить из условия времени роста трещины из точки, приложения импульса до свободной поверхности под углом, равным углу сдвига. Результаты расчетов для одинаковых грунтовых условий дают соотношение3 it - 3t, t Результаты натурного эксперимента подтверждают преимущество предлагаемого способа по сравнению с известным. Энергоемкость процесса разрушеу имя мерзлого грунта предлагаемым способом снизилась по сравнению с энергоемкостью процесса разрушения мерзлого грунта известным способом на 50-60%. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют снизить энергоемкость процесса разрушения мерзлого грунта за счет выделения из процесса двух фаз - фазы формирования камуфлетной полости и фазы отрыва грунта от массива и обеспечения оптимальных параметров газодинамических импульсов в каждой фазе, а также суммирования энергии упругих колебаний, возникших в грунте в результате воздействия на него первого газодинамического импульса с энергией второго газодинамического импульса, подаваемого в образовавшуюся камуфлетную полость через промежуток времени, определяемый прочностными характеристиками разрушаемого грунта.

1. Способ разрушения мерзлых грунтов, заключающийся в последовательном воздействии на массив двух импульсов газа высокого давления, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса, первым импульсом формируют камуфлетную полость, на которую затем воздействуют вторым импульсом для отрыва породы от массива, причем промежуток времени t, через который импульсами газа воздействуют на массив, и длительность воздействия первого и второго импульсов t и t на массив связаны соотношением -(. 3- bt 3t t. ЖМ где М - момент сопротивления завинчиванию в грунт трубчатого корпуса, нм.; К - коэффициент размерности, К 1СН -М ; &t - промежуток времени между импульсами газа, равный времени формирования каму- флетной полости при воздействии первого импульса газа, с; t, tp- длительность воздействия на массив соответственно первого и второго импульсов. 2. Способ по п. 1, о т л и ч аS ю щ и и с я тем, что давление Р газа первого импульса связано с давлением Pg газа второго импульса соотношением 3. Устройство для разрушения мерзлых грунтов, содержащее трубчатый корпус с винтовым наконечником и двумя клапанными механизмами, каждый из которых имеет рабочую камеру с воздуш( ными каналами, поршень, камеру управ 6 ления, которые через двухходовые краны сообщены с выхлопньми отверстиями и источником сжатого газа, отличающееся тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса разрушения мерзлых грунтов, оно снабжено дросселями, выполненными в виде шайб, которые имеют различный внутренний диаметр и установлены в воздушных каналах на выходе из рабочих камер, при этом объемы указанных камер связаны соотношением 3 2,5-3,0. М