Способ струйного разрушения горных пород Советский патент 1992 года по МПК E21C45/00 

Изобретение относится к разрушению горных пород, в частности к струйным способам, и может быть использовано в горной промышленности, гидротехническом тельстве, энергетике

Известен способ разрушения горных пород струями воды высокого давления, при котором в массиве непрерывными струями нарезают щели определенной глубины и на определенном расстоянии др/r от друга, после чего скалывают межщелевые целики.

Недостатком этого способа является невысокая эффективность разрушения, что обусловлено несовершенным взаимодействием непрерывной струи с разрушаемым массивом во время щелеобразования, при котором разрушение производится мелкими частицами и в межщелевых целиках не происходит интенсивного трещинообразо- вания, из-за чего требуется устанавливать небольшое расстояние между щелями для эффективного скола целиков

Наиболее близок к предлагаемому способ разрешения горных пород, включающий создание импульсов давления большой скважности и близкой к прямоугольной формы, формирование отрезков струи и нарезание ими врубовых щелей,

При щелеобразоаании импульсной струей большей скважности, когда пауза между импульсами на порядок и более превышает длительность импульса, величина перемещения струеформирующего ствола за время паузы на порядок и более превышает величину перемещения струи за время ее действия на массив. Действие очередного отрезка струи на массив происходит на расстоянии шага отбойки S0(5-6) do, в несколько раз превышающем диаметр струи do, от предыдущего места разрушения. При этом процесс разрушения очередным отрезком импульсной струи начинается с образования струей отдельной воронки. По достижении ею достаточных размеров под действием усилия, сообщаемого струей, в перемычке между забоем воронки и второй обнаженной поверхностью образуется система трещин В дальнейшем под действием усилия от струи и сил гидравлического клина происходит откол с перемычки крупных частиц. После откола части перемычки с этой стороны струя разворачивается в сторону нарезанной щели и снижается усилие ее

воздействия на массив. По мере углубления вновь образованной воронки это усилие вновь возрастает, после чего происходит очередной откол. Такой процесс дискретными актами продолжается до окончания дей- ствия импульса, В процессе образования щелей межщелевые целики испытывают действие мощных импульсных нагрузок, которые, многократно повторяясь, с частотой следования импульсов вызывают усталост- ные явления в породе. В результате происходит интенсивное трещинообразование и самообрушение межщелевых целиков.

Данный способ имеет более высокую эффективность разрушения, чем известный благодаря более эффективной передаче энергии струей массиву за счет более полного разворота струи на поверхности разрушения и отколу крупных частиц в результате дискретного приложения к массиву нагру- зок. Однако возможности разрушения с помощью импульсного воздействия на массив реализуются здесь не полностью. Это связано с тем, что разрушение осуществляется с недостаточно большим шагом отбойки, когда откол перемычки между забоем воронки и второй обнаженной поверхностью происходит за несколько актов и при каждом отколе происходит разворот части струи в сторону уже нарезанной щели, из-за чего теряется часть энергии струи. В результате повышается энергоемкость разрушения и снижается производительность, пропорциональная шагу отбойки, При увеличении же шага отбойки перемычка между забоем воронки и второй обнаженной поверхностью остается неразрушенной, щель вообще не будет нарезаться.

Цель изобретения - повышение производительности разрушения за счетувеличе- ния шага отбойки.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что согласно способу разрушения горных пород, включающему формирование импульсного давления, со- здание отрезков струи и нарезание ими врубовых щелей с разрушением межщелевых целиков, на заднем фронте в каждом отрезке струи создают всплески давления, более чем в 1,5 раза превышающего давление в остальной части отрезка струи.

Создание на заднем фронте в каждом отрезке струи всплесков давления, величиной более чем в 1,5 раза превышающей величину давления в основной части импульса, обеспечивает разрушение горного массива. Основная часть импульса с номинальным давлением образует воронку на всю глубину нарезаемой щели, а следующий в конце импульса всплеск повышенного давления производит откол сразу всей перемычки между забоем воронки и второй обнаженной поверхностью. При этом нет потерь энергии, обусловленных разворота- ми части струи в сторону нарезанной щели, как при разрушении перемычки за несколько актов, нарезание щели осуществляется с увеличенным шагом отбойки и повышенной производительностью разрушения.

На фиг.1 приведен график изменения во времени давления перед струеформирую- щим насадком, на фиг.2, 3 и 4 - схемы разрушения горных пород в различные моменты действия отрезка струи; на фиг.5 - принципиальная схема устройства для осуществления способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Создают импульсы давления, имеющие на задних фронтах всплески давления величиной Рв, kp раз большей давления Р0 о основной части импульса (фиг.1). Величину kp принимают более 1,5, длительность всплеска т.в - около 10% от длительности основной части импульса t0. Созданные импульсы давления подают в струеформирую- щий ствол, где формируются отрезки струи

1(фиг.2), имеющие в хвостовой части участки с повышенной скоростью. Сформировэн- ные отрезки струи 1 направляют на разрушаемый горный массив 2, перемещают струеформирующий ствол вдоль массива

2со скоростью, обеспечивающей попадание очередного отрезка струи 1 на расстоянии S (шаг отбойки) от предыдущего, большем 6,5 do, где do - диаметр струи в начальном сечении. В этом месте струя 1 давлением Р0 в течение времени to образует воронку 3 глубиной Н, примерно равной глубине нарезаемой щели 4 (фиг.З). Образующаяся между забоем воронки 3 и ранее нарезанной щелью 4 перемычка 5 подвергается действию усилия от струи 1 и сил гидравлического клина от проникающей в материал жидкости. В результате в ней идет интенсивное трещинообразовани§, однако вследствие большой толщины, обусловленной увеличенным шагом отбойки S, откола перемычки 5 струей 1 давлением Р0 не происходит. После этого следующий за основным участком кратковременный участок струи давлением Рв, превышающим 1,5 Ро, производит откол сразу всей ослабленной трещинами перемычки 5, и длина нарезаемой щели 4 увеличивается на величину шага отбойки S (фиг.4). При таком действии струи, имеющей на заднем фронте в каждом отрезке всплески давления, более чем в 1,5 раза превышающего давление в остальной части

этрезка. в 1,1 раза и более повышается производительность разрушения и снижается энергоемкость.

Во время нарезания щелей 4 в межщелевых целиках (на схемах не показаны) под действием мощных импульсных нагрузок, которые многократно повторяясь с частотой следования импульсов, вызывают усталостные явления в породе, происходит интенсивное трещинообразование, и они разрушаются.

Способ может быть осуществлен, например, с помощью двух совместно работающих гидроимпульсаторов-накопителей 6, 7(фиг.5). Гидроимпульсаторы-накопители 6, 7 включают основные 8, 9 и управляющие 10, 11 клапаны, поршни-накопители 12, 13, гидроаккумуляторы 14,15 и струйные разделители 16, 17 для подключения к подводящей магистрали 18. Заседельные полости 19, 20 клапанов 8,9 соединены с общим струеформирующим стволом 21, их подкла- панные полости 22, 23 - с полостями 24,25, в которых размещены поршни-накопители 12, 13, а управляющие полости 26, 27 - с управляющими клапанами 10, 11. Клапаны 10, 11 имеют напорные 28, 29, сливные 30, 31 и управляющие 32, 33 полости. Управляющая полость 32 клапана 10 гидроимпуль- сатора-накопителя 6, предназначенного для формирования основной части импульса, соединена с выходом струйного разделителя 16 и полостью 24. Управляющая полость 33 клапана 11 гидроимпульсатора- накопителя 7, предназначенного для формирования всплеска, соединена с выходом струйного разделителя 1 б с помощью линии 34. Длина L линии 34 принимается равной с т.о.где с - скорость распространения волны в ней. Длительность основной части импульса t0 в зависимости от свойств разрушаемой горной породы порядка 10-50 мс. Поршни- накопители 12, 13 образуют в своих корпусах 35, 36 полости 24, 25 с рабочими площадями соответственно Si и Si1, полости 37, 38 с рабочими площадями S2 и S2, соединенные с гидроаккумуляторами 14,15, и полости 39, 40 с рабочими площадями 5з и 5з . Полости 35 и 39 поршня-накопителя 12 соединены между собой Полость 40 поршня-накопителя 13 соединена с управляющим клапаном 11, величина ее рабочей площади 5з1 составляет (kp-1) Si1 -- более 0,5 Si1. Полости 35, 36 и жидкостные полости гидроаккумуляторов 14, 15 соединены со вспомогательной магистралью 41, давление в которой примерно равно Р0. Величина давления Pi в магистрали 18 на 10-15% превышает Р0.

При работе в автоколебательном режиме в течение периода зарядки рабочая жидкость под давлением PI из магистрали 18 через струйные разделители 16, 17 поступает в рабочие полости 24, 25 и перемещает вверх поршни-накопители 12, 13. Соотношение диаметров подающих насадков разделителей 16 и 17 принимается равным di/d2.1/(0,1 Vj), что обеспечивает накопление объемов жидкости для формирования основной части импульса и всплеска в тре0 буемом соотношении. При этом, когда соединены между собой соответственно полости 37 и 39,38 и40 поршни-накопители 12,13 вытесняют такие же объемы жидкости из полостей 37, 38 в гидроаккумуляторы 14,

5 15, которые осуществляют накопление подводимой энергии. Давление в полостях 24, 25 и соединенных с ними управляющих полостях 32, 33 примерно равно давлению Р0 в магистрали 41, при котором управляющие

0 клапаны 10,11 находятся в нижнем положении, соединяя управляющие полости 26, 27 основных клапанов 8, 9 с напорной магистралью 41. Благодаря этому основные клапаны 8, 9 закрыты и узолируют полости 24, 25

5 от ствола 21.

При накоплении заданного объема жидкости на формирование основной сти импульса поршень-накопитель 12 доходит до крайнего верхнего положения и останавли0 вается. Прекращается раЪход в полость 24 через струйный разделитель 16, вследствие этого давление на выходе разделителя 16 и в полостях 24, 32 возрастает от Р0 к Pi. Повышение давления в полости 32 приводит

5 к перемещению управляющего клапана 10 в крайнее верхнее положение. Одновременно волна повышенного давления начинает распространяться по линии 34 к полости 33. В результате переключения клапана 10 уп0 равляющая полость 26 клапана 8 отсоединяется от напорной линии 41 и соединяется со сливом. Клапан 8 открывается и соединяет полость 24 со стволом 21. Поршень-накопитель 12 перемещается вниз, вытесняя из

5 полости 24 расход, требуемой для поддер- в стволе 21 высокого давления, гидроаккумулятор 14 отдает накопленную им энергию. Так как полости 37 и 39 по-прежнему соединены между собой, то давление

0 в полости 24 примерно равно Р0. и в стволе 21 формируется основной участок отрезка импульсной струи давлением Р0. Через время t0() волна повышенного давления по линии 34 достигает управляющей поло5 сти 33 клапана 11, и давление в ней повышается. Вследствие этого управляющий клапан 11 перемещается в крайнее верхнее положение, отсоединяет управляющую полость 27 клапана 9 от напорной линии 41 и соединяет ее со сливом. В результате клапан 9 открывается и соединяет полость 25 со стволом 21. При переключении клапана 11 соединяется также со сливом полость 40 поршня-накопителя 13. Благодаря этому поршень-накопитель 13 перемещается вниз и создает в полости 25 и стволе 21 повышенное в kp раз ( /S11) давление (без учета сил трения и подпора на сливе) - формируется всплеск повышенного более чем в 1,5 раза давления на заднем фронте отрезка струи давлением Ро. длительность которого ,1 to определяется накопленным в полости 25 объемом жидкости.

Когда поршни-накопителя 12, 13(фиг.5) соответственно после окончания формирования основной части импульса и всплеска вытеснят накопленные объемы жидкости из полостей 24, 25 и остановятся, вытеснение жидкости из полостей 24, 25 прекращается и давления в них значительно падают. Падает давление также и в управляющих полостях 32, 33 клапанов 10, 11, под действием чего клапаны 10, 11 перемещаются в край0

5

0

ние нижние положения. Управляющие полости 26, 27 клапанов 8, 9 отсоединяются от слива и соединяются с напорной магистралью 41 и аккумуляторами 14,15. В результате повышения давления в полостях 26, 27 клапаны 8, 9 закрываются и отсоединяют полости 24, 25 от ствола 21. Вновь начинается период зарядки, процесс работы повторяется.

Формула изобретения Способ струйного разрушения горных пород, включающий формирование импульсов давления, создание отрезков струи и нарезание ими врубовых щелей с разрушением межщелевых целиков, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности разрушения горных пород за счет увеличения шага отбойки, на заднем фронте каждого отрезка струи создают всплески давления, превышающего более чем в 1,5 раза давление в остальной части отрезка струи

Использование: разрушение горных пород. Сущность изобретения: нарезают врубовые щели отрезками струи и разрушают межщелевые целики. На заднем фронте каждого отрезка струи создают всплески давления, превышающего более чем в 1,5 раза, давление в овальной части отрезка струи. Повышенное давление обеспечивает разрушение межщелевых целиков одновременно с нарезкой щелей. 5 ил.

2

Фиг. а.