Способ разрушения твердого материала Советский патент 1993 года по МПК E21C37/00 

Изобретение относится к горному делу и строительству и может быть использовано для разрушения материалов без применения взрывных работ, включая мерзлые породы.

Известен способ разрушения твердого материала, включающий бурение шпуров, заполнение их водой и замораживание воды.

Известный способ недостаточно эффективен при разрушении материалов, особенно мерзлых. В таких материалах вода начинает замерзать не только с поверхности, но и по стен кг м шпура. Поэтому на поверхности воды не успевает образоваться ледяная пробка достаточной толщины и прочности, нарастающее давление воды ее разрушает. Избыток воды изливается на поверхность льда по образовавшимся трещинам, а сам твердый материал остается неразрушенным.

Аналогичные явления хорошо изучены в естественных условиях и наблюдаются при образовании речных наледей.

Известен способ разрушения твердого материала, включающий создание в твердом материале полостей, заполнение их жидкостью и постадийное замораживание жидкости, например, воды или водного раствора, начиная от устья полости, при этом, каждую полость заполняют поэтапно по глубине жидкостями с различными температурой замерзания и плотностью, причем, полость у устья заполняют жидкостью с более высокой температурой замерзания.

Однако, и этот способ характеризуется недостаточной механической прочностью образующейся ледяной трубки. При замерзании жидкости (воды) возникают не только боковые, но и вертикальные силы распора, в силу проявления которых жидкость прорывается сквозь трещины в ледяной пробке и замерзает, образуя бугор. Давление жидСО С

VI

00

ON Ю СЛ О

кости в полости падает, твердый материал может остаться неразрушенным. Лабораторными исследованиями установлено, что прорыв воды происходит уже при давлении 0,3 МПа.

Целью изобретения является повышение эффективности разрушения за счет улучшения свойств льда.

Заявленный способ разрушения твердого материала включает образование в нем полости, заполнение ее водой и замораживание воды.

Поставленная выше цель достигается тем, что перед замораживанием в воду вводят линейный полимер мол. массы 500000- 10000000 в количестве 0,1-1,0 мас.%. В качестве такого полимера используют поли- акриламид и(или) полиэтиленоксид.

Обычный лед характеризуется относительно невысокими механическими свойст- вами. Поэтому при замерзании воды происходит вспучивание льда (образуется бугор на контакте льда с атмосферой), что снижает его эффективное давление на стенки полости.

Улучшить механические свойства льда можно вводом в замерзающую воду линейных полимеров. В структуре льда они действуют наподобие своеобразных канатов, резко повышающих прочность льда на раз- рыв. Как показали экспериментальные исследования, при содержании полимера 0,8-1,0 мас.% бугры вспучивания льда не образуются даже в шпурах диаметром 100 мм. Механические свойства льда улучшают- ся также за счеттого, что полимерная добавка препятствует образованию дефектов (пузырьков газа, микротрещин) в структуре льда.

Таким образом, именно отличительные признаки способа и обеспечивают получение положительного эффекта, указанного в цели. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия (п. 52 ЭЗ-1-74).

Линейные полимеры мол. массы 50000- 10000000 избраны по двум причинам. Первая: они образуют достаточно длинные цепи, обладающие значительной прочностью на разрыв: вторая они относительно хорошо растворимы в воде.

Следует отметить и такое положительное обстоятельство.

Вязкость воды с добавкой полимеров возрастает в десятки и сотни раз. Следовательно, использование такой воды предпочтительно при разрушении пористых материалов, т.к. препятствует ее утечке (инфильтрации).

Среди линейных полимеров оптимальные результаты получены при использовании полиакриламида и высокомолекулярного по- лиэтиленоксида.

Попиакриламид общей формулы

-СН2СНсош

м-юоооооо

п

0

5

0 5

0 5

0 5

0

5

разлагается при 100°С.

Высокомолекулярный полиэтиленоксид общей формулы

-СНаСН20 п М 500000-10000000.

Температура плавления 60°С.

Синонимы: полиокси-этилен, полиокс.

Действие полимерной добавки на механические свойства льда изучалось в лабораторных условиях.

Для этого использованы монолиты из бетона размером 300x200x200 мм. В каждом монолите бурились шпуры глубиной 250 мм и диаметром 43 мм. Для повышения прочностных свойств монолитов они помещались в призматические металлические емкости примерно аналогичных габаритов. На дне шпуров размещались датчики давления, полости шпуров заливались испытываемым раствором до устья; монолиты размещались в холодильной камере НКР-1, где термостатировались при постоянной температуре -5°С до полного замерзания жидкости и охлаждения до заданной температуры. Этот момент самописцы фиксировали в виде максимума давления, которое затем стабилизировалось либо начинало постепенно плавно или скачкообразно (при релаксации напряжений, появлении трещин в монолите) снижаться.

Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 1.

Из данных, приведенных в этой таблице, следует, что оптимальным является количество добавки 0,1-1,0 мас.%. При дальнейшем повышении концентрации полимера давление в шпурах не только не растет, но имеет тенденцию к снижению. Из табличных данных также видно, что при одной и той же концентрации добавки несколько .более высокие результаты получены при использовании полиэтиле- ноксида.

Параллельно под криоскопическим микроскопом при использовании специального трафарета изучались дефекты (пузырьки газа, микродислокации) на срезах льда.

Результаты количественного определения приведены в табл. 2.

Данные этой таблицы подтверждают связь прочностных характеристик льда не только с наличием армирующих цепей полимеров, но и с количеством микродефектов в нем.

Полезность описанного технического решения состоит прежде всего в том, что относительно небольшая добавка полимеров резко улучшает свойства льда. Это, в свою очередь, повышает распорное давление в 1,5-2,0 раза, что обеспечивает более эффективно разрушение твердого материала.

Формула изобретения

1. Способ разрушения твердого материала, включающий образование в нем полости, заполнение ее водой и замораживание

воды, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разрушения за счет улучшения свойств льда, перед замораживанием в воду вводят линейный полимер молекулярного веса 500000-10000000 в количествеО,1-1,0 мас.%.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве линейного полимера вводят полиакриламид, полиэтиленоксид или смесь полиакриламида с полиэтиленоксидом.

Табли ца1

Изобретение относится к горному делу и строительству и направлено на повышение эффективности разрушения материалов за счет энергии расширяющегося при замерзании воды льда. Для этого в твердом материале образуют полости, заполняют их водой и замораживают, причем перед замораживанием в воду вводят линейный полимер мол. массы 500000-10000000 в количестве 0,1-1,0 мас.%. В качестве линейного полимера можно использовать полиак- риламид и (или) полиэтиленоксид. 2 з.п, ф-лы. 2 табл.

Максимальное давление в шпурах, МПа, в зависимости от концентрации и типа полимерной добавки (при - 5°С).

Количество микродефектов в срезах льда на 1 мм площади (при увеличениии

ЮОх)

Таблица2