Способ разупрочнения горной массы Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для разупрочнения грунтов и горных пород в гидротехническом, дорожном и других видах строительства с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации при высоких РТ-параметрах.

Известен способ разупрочнения горных пород, включающий предварительную обработку горных пород поверхностно-активными веществами (ПАВ) с последующим механическим разрушением взрывом или буровыми работами (Щербак Н.И. Исследование механических свойств пропитанных горных пород растворами ПАВ при высоких скоростях нагружения. - ФТПРПИ, № 5, 1983, с. 11-16).

Однако известный способ трудоемок, нетехнологичен, локален, поскольку нагнетание ПАВ в скважины достигает распространения ПАВ не более 1 м от скважины и

полностью зависит от трещиноватости и геомеханических свойств залегания пород в массиве; .

Известен также способ разупрочнения горной массы, включающий обработку горной массы разупрочняющйми растворами при воздействии на нее ультразвуковыми колебаниями до увеличения проницаемости (пол реш. СССР N: 4696752/03 от 18.04.89 Способ регионального увлажнения угольных пластов).

Известный способ не использует эффекты кавитации для управления состоянием и свойствами руд и вмещающих пород для их разупрочнения и повышения эффективности способа за счет снижения энергоемкости процесса

Цель изобретения - эффективное разупрочнение горной массы на стадии, рудопод- готовки.

00

о

со

Поставленная цель достигается тем, что горную массу помещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земли, после чего производят ультразвуковую обработку в диапазоне 1-10 кГц после увеличения проницаемости горной массы и заполнения ее пор и трещин производят слив из полости разупрочняющего раствора при ультразвуковой обработке интенсивностью, равной 0,2-0,3 уровня напряжений от веса столба горной массы в полости, после чего осуществляют выпуск горной массы из полости для дальнейшего механического дробления, при этом производят обработку горной массы ультразвуковыми колебаниями интенсивностью равной уровню напряжений от давления веса столба горной массы в полости перед ее выпуском.

Источники ультразвуковых колебаний размещают под днищем полости на расстоянии друг от друга 3-5 длин волн и осуществляют синхронизацию их работы при неизменных контактных условиях.

Предварительно измеряют пределы механической прочности горной породы на растяжение, а амплитуду давления в знакопеременной упругой волне изменяют от минимального значения до значения, равного 0,9-1,5 предела прочности на растяжение.

В разупрочняющий раствор добавляют 1-2% твердых частиц с размерами мм.

В качестве разупрочняющих растворов в горную массу заливают воду при температуре 8°-90°С с добавкой 6-9% ПАВ, причем сначала нагнетают воду, а затем ПАВ.

В качестве разупрочняющего раствора в горную массу нагнетают водный раствор додецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3%.

В качестве разупрочняющего раствора в горную массу нагнетают 1 %-ный раствор карбамида совместно с 2%-ным раствором сульфосалициловой кислоты.

Полость с размещенной в ней горной массой герметизируют и создают в ней избыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания сжатого инертного газа.

Размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия - основной частоты, излучаемой в горную массу, причем длину днища, ее поперечный размер и высоту выбирают из соотношений

L (10-18) Ар;

t (2-3)Ap:

h-(1,0-1,6) Яр,

где L - длина днища; t - ее поперечный размер;

h - высота днища;

Ар - длина волны, излучаемая преобразователем колебаний.

Энергию выделяющуюся при схлопыва- нии кавитационного пузырька определяют из соотношения

Е Ро -яР3 -4/3,

где Ро - начальное давление обусловленное весом столба горной массы, кг/см2; R - раз- мер кавитационного пузырька, мм,

Время схлопывания кавитационного пузырька определяют из соотношения

Схлопывания Л-v

R

У г макс

1) 1+-НЈ-1) +

+ 4-U-1)2.

Л3У где Ј Ro/Рмин;

Рмакс Q (Ко/Ямин)3 - максимальное давление развиваемое кавитирующим пузырьком;

Q -.давление газа в пузырьке радиусом R Ro;

у - показатель адиабаты; RO - максимальный радиус пузырька в начальный момент схлопывания;

р - плотность раствора.

Управляют степенью развития, характером ее протекания процессом кавитации варьированием газосодержания в разуп- рочняющем растворе и гидростатическим

давлением столба горной массы в полости, Для увеличения проницаемости пород и руд в горной массе нагнетают в совокупности с разупрочняющим раствором расклинивающие агенты, представляющие собой

тонкодисперсный материал, в качестве которого используют графит, сажу, кварц, измельченные до размеров 0,03-0,15 мм при соотношении, мае. %:

Раствор95-96

Твердый материал4-5

На фиг. 1 приведена схема реализации способа, где 1 - бункер с горной массой 2; 3 - полость с размещенной в ней рудой 4 и источниками 5; 6 - генератор для возбуждения ультразвуковых колебаний; 7,8,11,13- задвижки, 9,14- конвейер, 10 - обработанная горная масса; 12 -- устройство для механического размельчения горной массы, 15 - размельченная горная масса, 16 - выход на

процесс флотации, 17 - эмульгаторы для ввода раствора в полости. На фиг. 2 приведена схема размещения виброисточников 18 в полости 3, 21 - разупрочняющий раствор, 19 - компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7, 20 - электронный пульт управления для управления работой группы виброисточников. На фиг, 3 приведена схема возбуждения колебаний лучом лазера 22 в растворе 21 полости 3, 23 - пульт синхронизации.

Способ осуществляют следующим образом. Из бункера 1 горную массу 2 через задвижку 7 наполняют полость 3 горной массой 4. На днище полости устанавливают ультразвуковые преобразователи 5, последовательно соединенные с входом генератора 6. Через эмульгатор 17 заполняют полость 3 разупрочняющими растворами, в качестве которого используют воду при температуре 80-90°С с добавкой 6-9% ПАВ, причем вначале нагнетают воду, а затем ПАВ. Оси преобразователей ориентируют в направлении наибольшей оси днища, Для получения максимального КПД передачи энергии ультразвуковых преобразователей в горную массу акустические сопротивления материала контактной поверхности и материала днища полости выполняют одинаковыми. Преобразователи размещают на удалении друг от друга 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в горную массу. При скорости р-волн в. горной массе, равной 600-900 м/с и частотах 1-10 кГц, длины волн равны соответственно 0,6 и 0,9 м, т.е. на удалении 3-5 длин волн это составляет в среднем 2 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений, излучаемое преобразователем, равномерное, в то время как на удалениях меньших этих расстояний - оно неравномерное.

Время воздействия - время синхронной работы группы преобразователей регулируемое посредством электронного пульта управления 20 - зависит от размеров кусков горной массы и степени их пористости и трещиноватости. При синхронной работе группы преобразователей амплитуду их колебаний медленно поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем достижения в горной массе напряжений, равных или больших величине растягивающих напряжений для руд и вмещающих пород в горной массе.

Воздействуя на горную массу мощными ультразвуковыми колебаниями в частотном диапазоне 1-10 кГц, изменяют напряженно-деформированное .состояние в навале горной массы в полости и вибровоздействия производят в несколько этапов.

Вначале горную массу приводят в возбужденное состояние в диапазоне 1-10 кГц в совокупности нагнетанием разупрочняю- щих растворов, например, горячей воды и ПАВ, и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором напряжения

сжатия в горной массе сменят напряжения растяжения - в этом случае достигается оптимальная проницаемость руд и вмещающих пород.

5Затем переходят на частоту воздействия равную частоте собственных колебаний горной массы в полости и образующиеся при этом волны сжатия и разрежения порождают в упругой волне гидроразрывы 0 мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газом и схлолывающиеся в зоне сжатия упругой волны, При захлопывании кавити- рующе-го пузырька возникают сильные возмущения прилегающих слоев жидкости,

5 имеющих место в порах и трещинах руд и пород, распространяющихся в виде волн конечной амплитуды, а при достаточно резком . захлопывании - в виде слабых ударных волн.

0В качестве инициаторов кавитации в раствор добавляют 1-2% твердых частиц с размерами 10 -10 мм, причем в качестве разупрочняющих раствор используют либо воду при температуре 80-90°С с добавкой

5 6-9% ПАВ, причем сначала нагнетают горя-, чую воду, а затем ПАВ, либо 1 %-ный раствор карбамида совместно с 2%-ным раствором сульфосалициловой кислоты,

Полость герметизируют и создают в ней

0 избыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания инертного сжатого газа и управляют степенью развития и характером протекания процесса кавитации варьированием газосодержания в разупрочняющем

5 растворе с учетом гидростатического давления столба горной массы в полости, причем предварительно измеряют пределы механической прочности пород и руд на разрыв, а амплитуду давления в знакопеременной уп0 ругой волне измеряют от минимального до значения, равного 0,9-1,5 предела прочности на разрыв, что позволяет эффективно заполнять поры и трещины руд и вмещающих пород разупрочнякзщими растворами и

5 снижать их прочность от 20 до 40%.

Для увеличения проницаемости руд и вмещающих пород нагнетают в них водный раствор додецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3% в совокупности с

0 нагнетанием расклинивающих агентов, представляющих собой тонкодисперсную среду, например сажу, графит, кварц, измельченных до размеров 0,03-0,15 мм при соотношении, мас,%:5 Твердый материал4-5

Раствор95-96 Размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия - основной частоты, излучаемой в горную массу.

Таким образом, горная масса на стадии рудоподготовки обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок в совокупности с нагнетанием в поры и трещины руд и вмещающих пород разупроч- няющих раствором и расклинивающих агентов, что снижает прочность руд и пород от 20 до 40%, снижает энергоемкость процесса разрушения их на стадии дробления и на порядок повышает эффективность способа по производительности.

Сущность способа заключается в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок в горной массе возникают волны сжатия и разрежения. Эти волны действуют как тектонический насос и вызывают миграцию флюидов - жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах руд и вмещающих пород, т.е. содействуют их миграции во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны (на несколько порядков). Кроме того, вибрации способствуют раскрытию пор и трещин и проникновению в них расклинивающих агентов, которые не дают порам и трещинам закрыться и служат новыми концентраторами напряжений в породах. Обнаруженное явление названо авторами упругий миграционный геоэффект и оно имеет место в любых диапазонах час- . тот Гц-кГц-мГц. Миграция флюидов в порах и трещинах сопровождается изменением пороврго давления и, как следствие, изменением прочностных свойств пород, окружающих эти поры и трещины, т.е. на пути мигрирующих флюидов имеет место перераспределение поля упругих напряжений дегазацией, т.е. истечением газов из пор и трещин, кавитаций при соблюдении определенных начальных и граничных условий на пути распространения упругой волны, а именно:

а) перепады избыточного знакопеременного давления, так как расположение пор и трещин в пространстве неравномерно;

б) наличие минеральных твердых включений во флюидосодержащих рудах и породах, служащих инициаторами кавитирующих процессов;

в) варьирования газосодержания во флюидах, содержащихся в порах и трещинах руд и вмещающих пород;

г) наличие частоты зондирующего импульса с собственной частотой флюидов, содержащихся в порах и трещинах; е) распространение упругой волны в направлении простирания пор и трещин в рудах и вмещающих породах.

Перечисленные факторы с одной стороны увеличивают вероятность проявления эффектов кавитации в горной массе, а с другой стороны - повышает гидро- и аэродинамический эффект связи руд и пород, т.е. увеличивает проницаемость их и способствует более полному их заполнению (пропитке) разупрочняющими растворами,

Преимущества способа заключаются в следующем:

1)создаютоптимальныеусловия для работы в выбранном диапазоне частот для закачки упругой энергии в тело кусков руд и вмеща- ющих пород в режиме накопления при неизменных контактных условиях;

2) повышают проницаемость руд и вмещающих пород;

3) снижают энергоемкость разрушения по- род на стадии дробления за счет снижения прочности руд и пород от 20 до 40%;

4) повышают эффективность способа за счет эффектов кавитации и упругого миграционного геоэффекта и увеличивают производи- тельность примерно на порядок.

Сущность изобретения заключается в том, что горную массу размещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земли, Разупрочняющим раствором заполняют полость, после чего производят ультразвуковую обработку в диапазоне частот 1/10 кГц. После увеличения проницаемости горной массы и заполнения ее пор и трещин производят слив из полости разупрочняю- щего раствора при ультразвуковой обработке интенсивностью 0,2-0,3 уровня напряжений от веса столба горной массы в полости. Затем осуществляют выпуск горной массы из полости для дальнейшего ме-. ханического дробления. При этом производят обработку горной массы ультразвуковыми колебаниями, интенсивностью, равной 0,2-0,3 уровня напряжений от давления веса столба горной массы в полости перед ее выпуском. 12 з.п. ф-лы, 3 ил. ё

Формула изобретения 1. Способ разупрочнения горной массы, включающий обработку горной массы разупрочняющими растворами при вибровоздействии на нее ультразвуковыми колебаниями до увеличения проницаемости, о т л и чаю щ и и с я тем, что, с целью эффективного разупрочнения горной массы на стадии рудоподготовки, горную массу помещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земли, разупрочняющим раствором заполняют полость, после чего производят ультразвуковую обработку в диапазоне частот 1-10 кГц, после увеличения проницаемости горной массы и запол

нения ее пор и трещин производят слив из полости разупрочняющего раствора при ультразвуковой обработке интенсивностью, равной 0,2-0,3 уровня напряжений от веса

столба горной массы в полости, после чего осуществляют выпуск горной массы из полости для дальнейшего механического дробления, при этом производят обработку горной массы ультразвуковыми колебаниями интенсивностью, равной уровню напряжений от давления веса столба горной массы в полости перед ее выпуском,

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что источник ультразвуковых колебаний размещают под днищем полости на рас