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

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проведении горных выработок для предварительного разупрочнения разрушаемых горных пород.

Цель изобретения - снижение энергоемкости разрушения горных пород с помощью шарошечного разрушающего органа.

На чертеже представлена схема расположения выработок, скважин и оборудования в горном массиве.

В горном массиве 1 проходят горную выработку 2. Последнюю проходят путем

разрушения горных пород шарошечным органом 3, управляемым по радиоканалу 4. На удалении от проводимой горной выработки, равном 3-5 длинам волн, бурят скважины 5, в которых устанавливают в упруговязком теле виброисточники колебаний (например, пневмоисточники). Виброисточники 6 связаны с компрессором 7 высокого давления и электронным пультом 8 управления для синхронизации работы группы виброисточников.

, Способ осуществляется следующим образом.

Os

ю

ел

ю го

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольной скважине, определяют поле напряжений и главные векторы в породном массиве, в котором требуется ослабить напряжения посредством мощных вибрационных колебаний.

В параллельной выработке, находящейся на том же горизонте, где проходят основную выработку 2, бурят скважины 5 глубиной 7-12 м и размещают в них невзрывные пневматические источники в один ряд, причем направление воздействия должно совпадать с одним из главных напряжений в породном массиве основной выработки, т.е. источники устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения.

Максимальный диаметр скважин 5 и их глубину для размещения невзрывных пневматических источников выбирают, исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 50-1500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело горной выработки 2 и составляющая от 3 до 9% всей записанной в источник 6 от компрессора 7 высокого давления - до 300 атм. Глубина скважины 5 оптимальна величине давления, обеспечиваемого упруговязким телом, в качестве которого применяют: воду, буровую мокрую мелочь, кварцевый мокрый песок и другие компоненты.

Скважины 5 бурят на расстоянии 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой виброисточником в горный массив.

Время воздействия - время синхронной работы группы источников до приведения массива в состояние, когда деформации сжатия горных пород во время вибровоздействия перейдут на деформации растяже- ния, регулируемое посредством электронного пульта 8 управления, зависит от обводненности массива и напряженного состояния породного массива.

При синхронной работе группы источников амплитуду колебаний поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем достижения напряжений в горном массиве, равном 0,5 от разрушающих с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления. Колебания вызывают в породном массиве относительную поддержку структурных элементов, перераспределения напряжений на пути распространения колебаний и уменьшения проявления динамики горного давления. Эти явления имеют место как в случае работы группы источников, так и при работе одиночного источника.

Работу группы источников контролируют геомеханическими методами исследований, а именно: методом разгрузки с использованием тензодатчиков; ультразвуковыми методами; с использованием методовсейсмоакустическойиэлектромагнитной эмиссии.

Воздействуя на массив вибрационными нагрузками, измеряют его напряженно-де0 формированное состояние и при достижении в нем напряжений 0,5 от разрушающих нагнетают в горные породы технологические растворы с добавками поверхностно- активных веществ и 1 % кварцевого песка,

5 причем технологический раствор нагревают до +80°С. Обработку массива производят до момента смены деформации сжатия горных пород на деформацию растяжения, после чего вибровоздействие осуществляют с час0 тотой усилий резания горных пород с использованием разрушающего шарошечного органа.

По истечении необходимого времени, обусловленного изменением напряженно5 деформированного состояния горного массива под воздействием техногенных факторов - веса пород, тектонических и избыточных напряжений, порождаемых процессом проходки выработок, изменяют

0 режим работы группы невзрывных источников или переносят их на новое место, предварительно пробурив для нихскважины.или оставляют на старом, если сохраняется возможность дальнейшего повторного воздей5 ствия на угольный пласт или горные породы и достижения в них необходимого эффекта. Сущность изобретения состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок, порождаемых выхлопами

0 сжатого под давлением воздуха от 60 д о 300 атм., из виброисточника в скважину, заполненную упруговязким телом (например, водой), примерно от 3 до 9% всей запасенной в виброисточнике энергии передается через

5 нее в горный массив, т.е. переходит в сейсмическую энергию в диапазоне частот 60- 1500 Гц. Под действием упругой волны в горном массиве возникают волны сжатия и растяжения. Эти волны вызывают мигра0 цию флюидов - жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах, и содействуют их миграции в десятки раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны. Технологический раствор с добавками ПАВ способствует уве5 личению пластичности горных пород, заполнению пор и трещин водными растворами и истечению газов из горных пород, т.е. ослаблению связей между горными породами и снижению их механической прочности. Нагнетание с раствором 1 % чистого кварцево го песка в совокупности с нагреванием технологического раствора способствует раскрытию новых трещин, так как попадание песка в образующиеся трещины не дает возможности им закрываться, т.е. песчинки, попадая в трещины, служат концентраторами новых трещин и способствуют увеличению трещиноватости разрабатываемых углей и горных пород. Указанные явления имеют место если частота собственных колебаний жидкости и водных растворов, содержащихся в порах и трещинах пород в массиве, близка к частоте зондирующих импульсов (к области резонанса) - резкое увеличение гидро- и аэродинамических связей в горном массиве возникает в том случае, если направление распространения волны совпадает с направлением пор и трещин и при условии, что длина волны и размер трещин сопоставимы. Именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что при приведении предварительного горного массива в колебательное состояние используют столь широкий частотный диапазон: 60- 1500 Гц. При распространении энергии волна из одних участков переходит в другие и на пути распространения волны образуются зоны разрежения и сжатия. Под воздействием мощных вибрационных колебаний при прохождении волны через участок нагретых выше 30°С пород имеют место кавитацион- ные явления, т.е. в зоне разрежения волны возникают кавитационные пузырьки, заполненные паром и газом и охлопывающиеся в зоне сжатия волны, и в этой области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов микро- и макроударных волн и потоков флюидов, порождаемых пульсирующими пузырьками, вследствие чего также резко возрастает проницаемость горных пород и изменения прочностных свойств последних. Это в конечном итоге приводит к тому, что усилие резания снижается примерно на 40-60%, так как прочность пород уменьшается почти вдвое.

При воздействии на горный массив вибрационными колебаниями с частотой, равной частоте вращения разрушающего шарошечного органа, повышается до 40 % производительность труда, примерно на 60% уменьшаются затраты на поддержание выработанного пространства и управление горным давлением Земли, а также на нет

сводятся проявления динамики горного давления, что также дает значительную экономию средств, учитывая, что каждый внезапный выброс требует до 50 тыс.руб. затрат длр его ликвидации.

Формула изобретения

1.Способ разрушения горных пород, включающий бурение группы скважин, размещение в них в упруговязком теле виброисточников колебаний, возбуждение в горном массиве колебаний с одновременным нагнетанием в горный массив технологическогорастворасповерхностно-активным веществом и последующее разрушение горного массива в забое горной выработки, отличающий- с я тем, что, с целью снижения энергоемкости разрушения горных пород с помощью шарошечного разрушающего органа, возбуждение колебаний в горном массиве осу- ществляют на расстоянии от места разрушения не более пяти длин волн, излучаемых в горный массив в группе скважин, пробуренных в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения, при этом нагнетание технологического раствора в горный массив осуществляют при возбуждении колебаний в последнем с частотой 60-1500 Гц и с амплитудой для обеспечения напряжения в горном массиве, равного половине разрушающих напряжений в этом горном массиве, причем после изменения в горном массиве забоя горной выработки деформаций сжатия на деформацию растяжения воз- буждение колебаний с помощью виброисточников в скважинах прекращают, а при разрушении горного массива в забое горной выработки в направлении проходки

производят вибровоздействие на горный массив с частотой, равной частоте вращения шарошечного разрушающего органа.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что в технологический раствор добавляют 1 % кварцевого песка с размером частиц 0,05-2.0 мм.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающий с я тем, что технологический раствор

при его нагнетании нагревают до 80°С.

4.Способ по пп. 1-3, отличающий- с я тем, что параметры возбуждения колебаний виброисточников во всех скважинах принимают одинаковыми.

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано при проходке подземных горных выработок (ГВ) для предварительного разупрочнения разрушаемых горных пород. Цель-снижение энергоемкости разрушения пород с помощью шарошечного разрушающего органа. В горном массиве (ГМ) на расстоянии от проводимой ГВ не более 5 длин волн излучаемых ГМ виброисточником (ВИ) бурят группу скважин. В последних в упруговязком веществе размещаются-ВИ, которые устанавливают в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения. С помощью ВИ возбуждают в ГМ колебания с частотой 60-1500 Гц и с амплитудой, обеспечивающей напряжение в ГМ, равное половине от разрушающих напряжений в этом ГМ. Одновременно с возбуждением колебаний в ГМ нагнетают технологический раствор с поверхностно активным веществом. После изменения в ГМ забоя горной выработки деформации сжатия на деформацию растяжения возбуждение колебаний с помощью ВИ в скважинах прекращают. В технологический раствор добавляют 1% кварцевого песка с размером частиц 0,05- 2,0 мм. Кроме того, технологический раствор перед нагнетанием нагревают до +80°С. Параметры возбуждения колебания ВИ во всех скважинах принимают одинаковыми. При разрушении ГМ в забое ГВ в направлении проходки производят вибровоздействие на ГМ с частотой, равной частоте вращения разрушающего шарошечного органа. 3 з.п.ф-лы, 1 ил. Ј

Г 8 1