Способ безвзрывного разрушения крепких трещиноватых горных пород Советский патент 1991 года по МПК E21C37/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке крепких трещиноватых руд.

Целью изобретения является снижение энергоемкости, повышение технологичности и производительности разрушения.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно насыщают трещиноватую горную породу разрушаемого участка

раствором поверхностно-активного вещества, что снижает ее прочность и ослабляет сцепление по трещинам, снижает затухание колебаний за счет заполнения трещин жидкостью и усиливает проявление и устойчивость резонанса в трещиноватом массиве. Экспериментальными исследованиями установлено, что прочность на сжатие и растяжение образцов осадочных (известняк) и эффузивных (порфирит) горных пород после

выдержки их в течение нескольких суток в 1-2%-ном водном растворе катионактивно- го вещества снижается на 30-50%, а сцепление по трещинам практически исчезает. Из теории малых механических колебаний известно, что чем больше коэффициент затухания, тем слабее проявляется эффект резонанса и, наоборот, при значениях коэффициента затухания, приближающихся к нулю, амплитуда вынужденных колебаний в режиме резонанса резко возрастает. Ударами с одинаковой частотой в двух точках по обнаженной поверхности участка производят вибровоздействие на горную породу участка, что позволяет возбуждать в разрушаемом массиве вибрацию с более высокой, чем в прототипе, энергией единичного колебэния.Так, например, некоторые типы серийных отечественных и зарубежных гидроударных механизмов, предназначенных для ударного разрушения крупногабаритных кусков горных пород, обладают энергией одного удара до 8-10 тыс.Дж при частоте 10-25 Гц. Для размещения ударных механизмов на обнаженной поверхности разрушаемого участка и их работы не требуется бурения скважин, При этом обеспечивается возможность регулировки расстояния между ударными механизмами во время их работы, а следовательно, и приведения к одной фазе (синхронизации) поперечных колебаний встречных направлений, возникающих при ударах в слое массива, прилегающем к обнаженной поверхности в промежутке между ударными механизмами.

Количество источников вибрации (ударных механизмов) принято равным двум, потому что квазистоячая волна может образоваться только при наложении двух противоположно направленных когерентных волн, а процесс наведения и удержания резонанса наиболее технически прост и надежен также при работе двух источников вибрации. Используя особенность стоячей волны (отсутствие переноса в ней энергии) и варьируя временем воздействия ее на разрушаемый участок массива, добиваются разрушения пород различной прочности.

В связи с тем, что резонансная циклическая частрта вынужденных колебаний каждого структурного элемента зависит от его массы, изменяющейся в трещиноватых горных породах обычно по нормальному закону распределения, первоначально ударным механизмам задают частоту ударов, равную расчетной (по теории малых механических колебаний) резонансной циклической частоте колебаний структурного элемента со среднестатистической на разрушаемом участке массой. Для того чтобы охватить резонансом структурные элементы с массой, отличающейся от среднестатистической ее величины, частоту ударов периодически (например, по гармоническому закону) и синхронно для обоих ударных механизмов изменяют. Поскольку масса структурного элемента и его циклическая частота собственных колебаний связаны между собой

0 функциональной зависимостью (по теории малых механических колебаний), частотой ударов варьируют в соответствии с вариацией массы структурных элементов на разрушаемом участке.В процессе отбойки

5 горной породы часть общего числа структурных элементов отбивается непосредственно под действием ударов, другая их часть с массой, близкой к среднестатистической величине, отделяется от массива при первона0 чальной (расчетной) частоте ударов от воздействия квазистоячей волны в режиме резонанса и третья часть структурных элементов, потеряв связь с другими структурными элементами с боковых сторон,

5 осыпается от вибрации любой частоты. Поэтому коррекция частоты ударов будет достаточной в пределах половины коэффициента вариации масс структурных элементов, что обеспечит отбойку слоя тол0 щиной, близкой к среднему диаметру структурного элемента. Для того чтобы охватить всю площадь обнаженной поверхности разрушаемого участка воздействием ударов и вибрацией в

5 режиме резонанса, ударные механизмы постепенно перемещают по обнаженной поверхности, выбирая скорость перемещения, соответствующую наиболее интенсивному потоку отбитой горной массы.

0 Пример осуществления способа.

Способ разрушения крепких трещиноватых горных пород показан на примере отбойки руды в очистном забое при разработке рудной залежи забоем-лавой.

5 После формирования забоя-лавы проводят обследование обнаженной поверхности очистного забоя-лавы по всей его длине, затем определяют интенсивность трещино- ватости, среднестатистическую массу

0 структурного элемента массива (отдельности массива, ограниченной со всех сторон поверхностями естественных трещин) и коэффициент вариации масс структурных элементов. Одновременно с формированием

5 забоя-лавы из нарезных выработок (например, транспортной и вентиляционной) рудный массив впереди забоя-лавы обуривают параллельными ему скважинами диаметром 80-100 мм по сетке, изменяемой в зависимости от интенсивности трещиноватости от

2x2 м до 3x3 м (больший размер сетки при более интенсивной трещиноватости).Через скважины насыщают рудный массив раствором поверхностно-активного вещества (например, 1-2%-ным водным раствором додецилсульфоната или алкилсульфоната натрия) под давлением 2-5 МПа. Работы по насыщению массива раствором ведут с опережением работ по отбойке руды в несколько суток. В течение этого времени раствор, проникая во все трещины и поры массива, снижает его прочностные характеристики, а адсорбция ионов поверхностно-активного вещества на поверхностях трещин способствует дополнительному снижению этих ха- рактеристик, а также ослаблению сцепления по трещинам. Кроме того, заполняя все трещины раствором, превращают трещиноватый массив в сплошную для прохождения колебаний среду, снижают затухание колебаний и усиливают проявление резонанса.

Отбойку руды в лаве производят с помощью отбойно-погрузочного агрегата, изготовленного, например, на базе известного проходческого комбайна типа 4ПП-2 со стреловым рабочим органом и погрузчиком с нагребающими лапами, На стреле комбайна вместо режущей головки устанавливают два одинаковых гидроударных механизма (например, гидроударники финской фирмы Раммер облегченной или среднетяжелой конструкции) с приспособлением для регулировки расстояния между ними, работающими, например, по принципу винтового автоподатчика. На комбайне помимо гидросистемы для управления стрелой и хвостовой частью конвейера устанавливают гидросистему с маслостанцией, обеспечивающую работу ударных механизмов в синхронном режиме. Частотой ударов ударных механизмов управляют путем изменения в заданном режиме давления масла в гидросистеме ударных механизмов с помощью, например, известных регуляторов золотникового типа с автономным приводом.

Расстояние между ударными механизмами первоначально устанавливают равным его расчетному значению, которое определяют (по теории малых механических колебаний) в зависимости от размеров и массы среднестатистического структурного элемента массива, подсчитанных по результатам обследования обнаженной поверхности забоя-лавы, энергетических и частотных параметров ударных механизмов и деформационных свойств массива. Так, например, при отбойке хромитовой руды плотностью в массиве 3,5-4,0 т/м при интенсивности ее трещиноватости 10-15 трещин нз 1 м, энергии удара 1300-1600 Дж с частотой 600-1000 ударов в 1 мин и относительной деформации руды в стадии разру- 5 шения при растяжении около (0,8-1,0) - это расстояние составит 0,7-0,8 м.

Для ведения очистной выемки отбойно- погрузочный агрегат устанавливают в нишу, специально пройденную а начале забоя-ла0 вы у сопряжения с транспортной выработкой и ведут отбойку руды уступом в направлении вдоль лавы. Руду в уступе отбивают в направлении от почвы забоя к кровле, так как в этом случае облегчается

5 проработка почвы, а собственный вес структурных элементов способствует осыпанию их из обнаженной поверхности уступа от вибрации.

Приступая к отбойке руды, обоим удар0 ным механизмам задают частоту ударов, равную расчетному значению резонансной циклической частоты колебаний структурного элемента со среднестатистической массой. При нанесении ударов по уступу в

5 прилегающем к его обнаженной поверхности слое толщиной, близкой к среднему раз- меру структурного элемента, кроме продольных волн сжатия проходят поперечные волны, создающие в нем растягиваю0 щие нагрузки. В промежутке этого слоя между точками приложения ударных нагрузок поперечные волны имеют два встречных направления, и имея одинаковые частоты и приблизительное совпадение фаз, суммиру5 ются в квазистоячую волну (аналог стоячей волны в акустике), амплитуда которой складывается из двух амплитуд волн встречных направлений и дополнительно усиливается проявлением эффекта резонанса, так как

0 при этом частота волн соответствует резонансной циклической частоте структурных элементов. Наличие в трещинах массива раствора поверхностно-активного вещества снижает затухание волн и повышает про5 явление эффекта резонанса.Для более точного совмещения фаз поперечных волн расстояние между ударными механизмами изменяют с помощью винтового автоподатчика. контролируя эту операцию при помо0 щи датчиков (например, известных сейсмоприемников) и измерителей частоты колебаний.

Под действием квазистоячей волны в прилегающем к обнаженной поверхности

5 слое структурные элементы с массой, близкой к среднестатистической величине, при ослабленном за счет предварительного насыщения массива раствором поверхностно- активного вещества сцеплении по трещинам, отделяются от массива и падают

на переднюю часть погрузчика, откуда их с помощью нагребающих лап и конвейера погрузчика грузят в бункер транспортной машины или на конвейер, установленный вдоль лавы. Для того чтобы вызвать резонансные колебания структурных элементов с массой, отличающейся от среднестатистической величины, и тем самым отделить их от массива, с помощью регулятора давления масла периодически (например, по гармоническому закону) и синхронно изменяют частоту ударов обоих ударных механизмов. При этом- режим работы регулятора давления задают такой, чтобы вариация изменения частоты ударов ударных механизмов составляла приблизительно половину коэффициентов вариации масс структурных элементов. По интенсивности отделения структурных элементов от массива регулируют продолжительность периода изменения частоты ударов ударных механизмов (например, изменением числа оборотов привода регулятора давления золотникового типа).

По мере отделения струк гурных элементов от массива постепенным подъемом стрелы отбойно-погрузочного агрегата перемещают ударные механизмы вверх от почвы к кровле уступа, охватывая всю площадь его обнаженной поверхности воздействием ударов и квазистоячей волны в режиме резонанса. При этом часть структурных элементов отделяется от массива в результате непосредственного воздействия ударов ударных механизмов, другая их часть - от воздействия квазистоячей волны в режиме резонанса, а последняя часть структурных элементов, потерявших связь с массивом с боковых сторон, осыпается от воздействия любых колебаний. Скорость подъема стрелы и продолжительность периода изменения частоты ударов ударных механизмов регулируют по интенсивности потока отбитой руды, добиваясь наибольшей производительности отбойки.

После того, как процесс отбойки достиг- нет кровли уступа, холостым ходом стрелы отбойно-погрузочного агрегата возвращают ударные механизмы к почве уступа, подают агрегат вперед до упора передней части погрузчика в уступ и повторяют весь цикл операций по отбойке руды. При небольшой изменчивости прочностных характеристик

руды и величине коэффициента вариации масс структурных элементов рудного массива в пределах 10-15% отбойку руды осуществляют в автоматическом режиме.

Применение данного- способа безвзрывного разрушения крепких трещиноватых руд создает возможность для напрерывного осуществления основных технологических процессов: отбойки, погрузки и транспортировки руды в очистных забоях, которые могут выполняться с помощью очистных комплексов с высокими показателями производительности и уровня механизации и автоматизации очистных работ.

Применение технологии с непрерывной добычей руды позволит повысить в 1,5-2 раза производительность труда в очистном забое и на 30-50% снизить себестоимость

добычи руды.

Формула изобретения Способ безвзрывного разрушения крепких трещиноватых горных пород, включающий резонансное вибровоздействие на

массив горных пород, синхронизацию и корректировку амплитудно-частотных параметров вибрации в зависимости от энергоемкости разрушения горных пород, отличающийся тем, что, с

целью снижения энергоемкости, повышения технологичности и производительности безвзрывного разрушения, предварительно разрушаемый участок горных пород насыщают раствором поверхностно-активных веществ, вибровоздействие осуществляют ударами с одинаковой частотой в двух точках по обнаженной поверхности участка, синхронизацию параметров вибрациипроизводят

регулированием расстояния между точками нанесения ударов до приведения к одной фазе поперечных волн встречного направления в промежутке между этими точками, при этом частоту ударов принимают равной

значению резонансной циклической частоты структурного элемента массива со сред- нестатической на разрушаемом участке массой, а корректировку параметров вибрации производят периодическим изменени0 ем частоты ударов с вариацией, равной половине коэффициента вариации масс структурных элементов,

Изобретение м.б. использовано на очистных и горно-проходческих работах при подземной разработке месторождений трещиноватых руд. Цель изобретения - сниже- ние энергоемкости, повышение технологичности и производительности разрушения. Разрушаемый участок массива предварительно насыщают водным раствором поверхностно-активного вещества, затем подвергают его вибровоздействию в режиме резонанса. При этом вибровоздействие осуществляют ударами с одной частотой в двух точках на поверхности пород участка. Регулируя расстояние между ударными механизмами (УМ), приводят к одной фазе поперечные волны встречных направлений между этими точками и наводят в этом промежутке квазистоячую вол- ну.Причем частоту ударов УМ первоначально устанавливают равной расчетному значению резонансной циклической частоты структурного элемента со среднестатиче- ской на разрушаемом участке массой. Затем периодически корректируют параметры вибрации изменением частоты ударов с вариацией, равной половине коэффициента вариации масс структурных элементов на разрушаемом участке. По мере разрушения слоя массива в промежутке между УМ их перемещают по обнаженной поверхности участка, охватывая всю ее площадь воздействием ударов и квазистоячей волны. По интенсивности потока отбитой горной массы регулируют продолжительность периода изменения частоты ударов и скорость перемещения УМ. Ё О 00 о О VI чэ