Способ создания щелей в горных породах и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК E21C37/04 

физ.З

са дополнительных элементов 6, на продольных краях которых установлены давильные пяты 7. Стержень 5 и элементы 6 выполнены из материала с эффектом памяти, термоциклированного с возможностью принятия соответственно формы поперечного сечения эллиптической и гофрированных пластин при нагревании свыше т-ры мартенситового JQ

превращения При нагревании размещенного в стержне 5 нагревательного элемента 8 до номинальной т-ры тепловая энергия преобразуется в механическую. Стержень 5 с элементами 6 изменяют форму и размеры, за счет чего П испытывает с торца давление, под действием которого происходит ее двух- плоскостной сдвиг. 2 з.п. ф-лы, 3 ил„

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля, породы и газа, внезапными разломами почвы и т.п. Цель - повышение эффективности создания свободных от разрушенной породы щелей с учетом напряженного состояния пород. Для этого вдоль щели бурят параллельные скважины (С) на расстоянии Δ L друг от друга, равном ΔL=0,8D 2/M .(3+0,1F), м. Затем разрушают перемычки (П) между С усилием F на стенку одной С в сторону соседней, равным F≥2ΔL (NΣ NTGφ+C), н, где F - коэффициент крепости пород по классификации проф.М.М.Протодьяконова

N - коэф. концентрации напряжений в П, учитывающий изменение исходных напряжений в П в результате выбуривания компенсационной и нагружающей С 2

Σ N - исходные нормальные к плоскости предполагаемой щели напряжения, Н/м 2

φ - угол внутреннего трения пород

град

C - сцепление пород

Н/м 2

D - диаметр С, в сторону которой направлено давление, м

M - ширина разрушаемой П, м. Для разрушения П устанавливают в С 2 устройство, состоящее из трубчатого стержня 5 и расположенных на наружных его поверхностях в плоскости большей оси эллипса дополнительных элементов 6, на продольных краях которых установлены давильные пяты 7. Стержень 5 и элементы 6 выполнены из материала с эффектом памяти, термоциклированного с возможностью принятия соответственно формы поперечного сечения эллиптической и гофрированных пластин при нагревании свыше т-ры мартенситового превращения. При нагревании размещенного в стержне 5 нагревательного элемента 8 до номинальной т-ры тепловая энергия преобразуется в механическую. Стержень 5 с элементами 6 изменяют форму и размеры, за счет чего П испытывает с торца давление, под действием которого происходит ее двухплоскостной сдвиг. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для борьбы с горными ударами, внезапными выбросами угля, породы и газа, внезапными разломами почвы, для создания разгрузочных полостей, для локализации распространения подвижных тектонических разломов и трещин, для создания буроотрывных исполнительных органов, для отделения мраморных и гранитных блоков, дроб- ления негабарита в карьерах, для статического разрушения горных пород, а также для создания системы разрывных нарушений в нефтеносных и газоносных пластах для увеличения их деби га „

Целью изобретения является повышение эффективности создания свободных от разрушенной породы щелей с учетом напряженного состояния пород. I На фиг. 1 показана схема расположения скважин и система напряжений в горных породах; на фиг. 2 и 3 - устройство в скважине соответственно до и после мартенситного превращения, поперечный разрез.

Способ осуществляют следующим образом.

Известными методами для пород, в которых предполагается образование искусственного нарушения (щели), устнавливают коэффициент крепости f, угол внутреннего трения (f , сцепление С, исходные нормальные напряжени

И

Угол внутреннего трения и сцепление горных пород определяют по их паспорту прочности перед осуществлением предлагаемого способа. Под исходными напряжениями, действующими в горном массиве, понимают нормальные к участку предполагаемого разрывного нарушения напряжения, имеющие место до бурения скважин (фиг. 1), В част

. о

5

0

ности, если в горных породах участок предполагаемого нарушения горизонтальный и планируется вдали от концентраторов напряжений (зон опорного давления, целиков и т.д.), то в качестве исходных напряжений можно принять напряжения, равные весу столба вышележащих пород 6М уН. Если же участок вертикальный, то ,, При наклонном участке

Ј,и (cos2 о/ + Л sin oOyH,

где А - коэффициент, учитывающий

тектонические процессы на- гружения пород или боковой отпор;

У - средний объемный вес пород; Н - глубина разработки. Когда скважины бурят .в зоне опорного давления, то в качестве необходимо . принимать напряжения, имеющие место в зоне опорного давления, которые определяют известными экспериментальными методами или расчетным путем.

Для выбранных значений диаметра D компенсационной скважины 1, мощности предполагаемого нарушения m и установленной крепости пород определяют ширину разрушаемой перемычки (расстояние -между скважинами) 61 из зивиси- мости

л °18Е)2

Л1 m(3to7Tf) M

полученной из условия очистки щели от разрушаемой породы

VKC- 2Vntp Vnep

где VKC - объем компенсационной скважины; ,

vnep объем пород в перемычке, и экспериментальных данных о взаимосвязи коэффициента разрыхления с коэффициентом крепости пород f.

Усилие давильных элементов на торец перемычки на единицу длины скважины со стороны разрушаемой скважины диаметра d, необходимое для ее сдвига, определяют из условия двухплос- костного среза слоя пород мощностью т, шириной Л, сжатого по нормали

исходными напряжениями симости

и

из зави- F Ъ где ц, С

2dl(N6Mtg(f+ С), Н,

- соответственно угол внутреннего трения, град, и сцепление, Н/м2, пород

N . OxSiD+dLlj. - коэффициент,

А

учитывающий изменение исходных напря- iжений в перемычке за счет выбуриваемых скважин.

Необходимоенормальное напряжение 6 на торец перемычки на единицу длины скважины определяют из выражения

6 F/m.

Перед осуществлением способа на жестком стенде при помощи динамометра тарируют нагружающее устройство с давильными элементами, выполненными из сплава титана и никеля, обладающего эффектом памяти формы и диапазоном температуры мартёнситных превращений от kQ до 70°С.

В процессе тарировки давильного элемента установлена зависимость возникающих при нагреве реактивных напряжений от температуры, исходя из которой и из расчетной формулы для F устанавливают необходимую температуру нагрева давильных элементов для сдвига перемычки между скважинами шириной Д1 и мощностью m двухплоскостным срезом путем подстановки значения 6 F

SS «

ш

в зависимость

t 0,0066+ 40, °С.

После установления исходных параметров компенсационные скважины 1 и разрушаемые скважины 2 (фиг. 1) бурят по оси 3 предполагаемого нарушения Ц. В разрушаемых скважинах 2 свободно размещают давильное устройство (фиг. 2) в исходном состоянии. Устройство включает трубчатый стержень 5 из материала с эффектом памяти, .термоциклированный с возможностью принятия эллиптической формы поперечного

сечения при нагревании свыше температуры мартенситного превращения. На наружных поверхностях стержня 5 в плоскости большей оси эллипса расположены дополнительные элементы 6 из материала с эффектом памяти формы с формой поперечного сечения в виде гофрированных пластин, термоциклированQ ных с возможностью выпрямления при нагревании свыше температуры мартен- ситного превращения. На продольных краях элементов 6 установлены давильные пяты 7. В стержне установлен на5 гревательный элемент 8. Устройство ориентирупт в скважине так (фиг, 2), чтобы ось, вдоль которой расположены элементы 6, была направлена по оси 3 предполагаемого нарушения Ц (плоскости воздействия устройства и перемычки должны совпадать).

V

При нагревании стержня и элемента 8 до номинальной температуры проис- ходит преобразование тепловой энергии в механическую. Они изменяют в поперечном сечении форму и размеры. За счет этого перемычка между скважинами испытывает с торца давление ин- тенсивностью 6, под воздействием которого происходит ее двухплоскостной сдвиг.

Если намеченной программой разрушения предусмотрен только двухплос- костной сдвиг пород перемычки, то давильные элементы охлаждением приводят в исходное состояние и вынимают их из скважин.

Для получения разгружающего эф- Фекта производят дальнейший нагрев элементов от 60 до 0°С. На этом этапе элементы 6 распрямляются. 8 результате породы перемычки выталкиваются в компенсационную скважину. Новая форма стержня 5 представляет собой эллипс.

В скважине такой давильный элемент при нагреве получает возможность из-, менить первоначальную форму. В ре- зультате фиксированного увеличения размера давильного элемента, жесткость которого намного превосходит жесткость разрушаемых пород, породы перемычки испытывают со стороны да- вильной пяты давление интенсивностью 6 . В неопасных по взрыву (газа, пыли и т.п.) условиях в качестве нагрева- теля могут быть использованы электронагревательные элементы, в частности

715836

может быть применена электропроводная резина.

В условиях, опасных по взрыву (газа, пыли и др.), в качестве теплоносителей могут быть использованы геотермальные воды, тепловые отбросы промышленных установок (нагретая вода или воздух), пар.

Нагрев осуществляют пропусканием д электрического тока по электронагревательным элементам, подключенным к г|ускателю, или путем пропускания теплоносителя внутри трубчатых давильных элементов. 15

формула изобретения

41

0А81Ј

м

га(3+0,1Ј) величину усилия принимают равной

F 2dl(N «tglf + С), Н,

е D - диаметр скважины, в сторону которой направлено давление,

м;

ширина разрушаемой перемычm -

ки, м;

коэффициент крепости пород по классификации проф. М.М. Протодьяконова;

8

- коэффициент концентрации

напряжений в перемычке, учитывающий изменение исходных напряжений в перемычке в результате выбуривания компенсационной и нагружающей скважины,

0A5(D+d)-Ml .

N

5

0 5 0

5

0

6И - исходные нормальные к плоскости предполагаемой щели напряжения, Н/м2;

Ч - угол внутреннего трения пород, град;

С - сцепление пород,

d - диаметр скважины, из которой передается давление, м.

J

U

7

L

V

Г