Способ гидроимпульсного разрушения горных пород Советский патент 1993 года по МПК E21C25/60 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых,

Цель изобретения - экономия энергии ультразвука, что в целом повышает КПД импульсных гидромониторных установок.

Для понимания сущности заявляемого технического решения необходимо рассмотреть некоторые особенности ультразвуковых колебаний, а также вызываемые ими физические эффекты.

Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5-2,0 -104 Гц до 109 Гц. Область частот ультразвука подразделяют на три подобласти: ультразвук низких частот (УНЧ) - 1,5- 104-10 Гц; ультразвук средних частот (УСЧ) - 105-107 Гц; ультразвук высоких частот (УЗВЧ) - 107-109 Гц. По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. По этой же причине граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна.

Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеется место ряд особенностей распространения, имеющих важное значение для решаемой технической задачи.

Первая особенность заключается в том, что, например, для УЗВЧ длины волн

-з

л-5.

составляют в воздухе 3,4 10-3,4- 10 см, в воде 1,5 -10-1,5- см и в стали 5 .

Другая особенность состоит в том, что ультразвук в газах и, в частности, в воздухе, распространяется с большим затуханием. В противоположность газам жидкости и, твердые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе.

Следующая важная особенность ультразвука - возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т.е. при данной амплитуде плотность потока энерЮ

С

00

о ю о

со

Os

Гии пропорциональна квадрату частоты. При этом ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, в частности, распространению ультразвуковых волн в жидкостях сопутствует движение среды (акустическое течение), скорость которого зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; она составляет доли процента от скорости ультразвука.

К числу важнейших явлений относится также кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей пара или газа в жидкостях до размеров в доли мм. которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной (части) фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка многих сотен и тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см2.

Интенсивность потока энергии ультразвука, получаемой в современных мощных излучателях, значительно вуше и может достигать (в масле и воде) 30 Вт/см2, что в 3 104 раза больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании ( Вт/см ). В настоящее время разработаны еще более мощные излучатели.

Генерацию ультразвука можно осуществить используя явление магнитострик- ции. У ферромагнитных материалов (никель, железо и др,) под действием магнитного поля происходит незначительное изменение линейных размеров. Так, например, никелевый стержень, помещенный в переменное магнитное поле, совершает дополнительные колебания с соответствующей частотой (до 50 кГц). Амплитуда колебаний максимальна в случае резонанса,

Электрические методы генерации ультразвука основаны на явлении электростри- кации (обратный пьезоэлектрический эффект). Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение высокой частоты, то пластина будет совершать колебания соответствующей частоты, особенно интенсивные в резонансе. Таким способом можно получать частоты до 10 кГц. Последнее время вместо кварца успешно применяют тита- нат бария.

При включении монитора образуется струя жидкости, скорость которой, даже при

давлении 20-50 МПа и выше не превышает нескольких десятков метров в секунду.

Скорость ультразвука в воздухе при равна 331,8 м/с, а в обычных условиях - примерно 340 м/с. В воде скорость ультразвука существенно выше: при К 1407, при К 1484 и при К 1510 м/с. Еще выше она в металлах и для температурного интервала 17-25°С составляет: в стали 5900-6100, латуни - 4280-4700, железе - 5930 м/с. Поэтому волны ультразвука из генератора по его стволу, насадке и струе жидкости практически мгновенно передаются на разрушаемый массив.

5 Поскольку ультразвуковые волны обладают малой длиной волны, они как и свет, могут образовывать строго направленные лучки. Для них также справедливы .законы отражения и преломления. Поэтому с по0 мощью вогнутого зеркального рефлектора или линзы ультразвуковые волны можно на- прав.ить в строго определенном направлении - сфокусировать вдоль оси ствола и струи. При этом ультразвук почти не дифра5 гирует и распространяется прямолинейно, Ослабление звуковой волны в воде незначительно и даже, для расстояния в несколько десятков метров им можно пренебречь. Струя гидромонитора действу0 ет как своеобразный трубопровод, передающий энергию ультразвука на забой разрушаемого массива.

Повышение эффективности воздействия струи на разрушаемый материал дости5 гается за счет того, что одновременно действует гидродинамическая сила и концентрированная энергия ультразвука, интенсивность которой, как указывалось, достигает 30 Вт/см и выше. При этом упру0 гие колебания высокой энергии образуют трещины в массиве, что облегчает его раскалывание струёй воды. Во-вторых, в струе жидкости возникает акустическое течение . того же направления. Оценим величину этого

5 эффекта, Допустим, скорость струи 15 м/с, а скорость акустического движения струи всего 0,2% от скорости ультразвука, что для воды с температурой 303 К составит (1510-0,2),02 м/с. Таким образом,

0 суммарная скорость струи повышается до

м/с. Давление струи на преграду, как

известно, прямо пропорционально квадрату

скорости, следовательно, в данном случае оно

возрастет в 18 :152 324:225 1,4 раза. Совер5 шенно понятно, что столь заметное повышение скорости и давления струи должны резко повысить эффективность разрушения материала. В третьих, при соответствующей интенсивности ультразвука в струе возникают кавитационные пузырьки, Так как давление при схлопывании пузырьков достигает многих сотен и даже тысяч атмосфер, то эго создает значительные удары волны, также способствующей разрушению твердого материала.

Обработка горных пород ультразвуком способствует высвобождению из них газов. Дегазирующее действие упругой волны ультразвука связано с эффектами, которые сопровождают распространение интенсивных колебаний в водно-породной среде. Так, за счет кавитационных процессов возникают исключительно благоприятные условия для создания большого количества микроскопических газовых пузырьков. В период разрежения звуковой волны в кавит.ационной плоскости давление практически отсутствует, что не может не привести к высвобождению газов в виде пузырьков. При дальнейшем существовании в ультразвуковом поле (за счет диффузии, коагуляции и ультразвуковых гидродинамических течений) мелкие газовые пузырьки соединяются в более крупные.

Определенную работу на груди забоя выполняют мелкие частицы горной породы, особенно зерна и осколки высокопрочных и твердых материалов-минералов(кварц, ко- рунд и др.), которые действуют как абразив. Под давлением ультразвука они ударяются о материал с силой, в несколько тысяч раз превышающей собственный вес. При этом могут наблюдаться разрушения двух типов: выкрашивание размельченного материала непосредственно под частицей абразива и образование трещин, приводящих к выкалыванию частиц материала, имеющих размеры порядка размеров минеральных зерен. В образовавшиеся трещины устремляются кавитационные пузырьки, способствующие отделению отколовшегося кусочка от массы материала. Далее этот кусочек выносится течением.

Для правильного понимания положительного эффекта, возникающего при реализации заявленного способа необходимо уяснить следующее.

Представим себе, что на поток жидкости, формируемый в импульсном режиме, непрерывно воздействуем ультразвуком, В тех случаях, когда между двумя гидроимпульсами имеется воздушный промежуток, струя жидкости перестанет быть проводником ультразвука от насадки монитора до забоя разрушаемых горных пород. В периоды существования таких промежутков энергия ультразвука практически будет истрачена впустую. Именно поэтому важно, чтобы источник ультразвука также работал в импульсном режиме, при этом импульс ультразвука должен быть согласован с гидроимпульсом и в целом короче по сравнению с последним (это вытекает из большей скорости ультразвука по сравнению со скоростью струи жидкости).

Расстояние между гидроимпульсами во времени составляет Ю-20% от длительности самих импульсов. К тому же надо учесть, что прохождение межимпульсного промежутка от насадки до забоя также занимает

0 некоторое время - порядка 20-30%. Следовательно, экономия ультразвука при его импульсном режиме.составит не менее 30-50%. Таким образом, именно наличие отличительных признаков заявленного способа и

5 обеспечивает получение положительного эффекта, указанного в цели.

Этот вывод подтверждается также тем обстоятельством, что у заявленного решения появляется свойство, несовпадающее

0 со свойствами, проявляемыми признаками в известных решениях, и не равные сумме этих свойств.

Так, если рядом с обычным гидромонитором мы разместим автономный излуча5 тель ультразвука и будем воздействовать им на массив, то вообще даже следов разрушения не получим из-за того, что ультразвук в воздухе распространяется с большим затуханием (ё 1000 больше, чем в воде).

0 С другой стороны, акустическое сопротивление воды, примерно, в 3500 раз больше чем воздуха, поэтому при данной величине колебательной скорости общая акустическая мощность излучателя больше

5 для жидкости чем для автономно установленного излучателя в газовой среде.

Струя гидромонитора, как известно, состоит из нескольких частей, различающихся структурой. Наиболее эффективно воздей0 ствует на разрушаемый массив первая ее часть, представляющая собой наиболее плотный и монолитный участок. Далее струя воды смешивается с% воздухом и в конце концов полностью превращается в поток

5 брызг. Длина первого участка струи определяется в основном рабочим давлением жидкости и диаметром насадки.

.При взаимодействии струи с ультразвуком она проявляет новое свойство - устой0 чивость по отношению к окружающему ее атмосферному воздуху. Направленный поток ультразвуковых волн, пространственно и по направлению совпадающий с очертаниями и направлением струи,предохраняет

5 ее от смешивания с воздухом. Пузырьки воздуха извне практически не проникают в струю и не разрыхляют ее. Ультразвук как бы создает своеобразный изолирующий канал, препятствующий образованию брызг. В итоге длина монолитного участка струи

резко возрастает (что также повышает ее дальнобойность и разрушающую эффективность). Для рабочего давления 12 МПа и диаметра насадки 10 мм это возрастание в зависимости от интенсивности ультразвуково- го излучения составляет не менее 50-100%. Сказанное полностью относится к импульсному режиму.

Длительность ультразвукового импульса и время задержки этого импульса по сравнению с началом гидроимпульса могут быть определены исходя из следующих соображений,

Пусть расстояние между насадкой гидромонитора и забоем равно I. Длину струи жидкости в импульсе обозначим через и. При этом заранее принимаем условие: , так как при обратном соотношении теряет смысл применение ультразвука из-за обязательного наличия воздушного промежутка между струей и насадкой или забоем.

Тогда длительность гидроимпульса гг можно найти из выражения:

«$

0)

где vi - скорость струи жидкости.

Время т1, за которое струя жидкости из насадки достигает забоя, равно:

-$

(2)

Ультразвук это же расстояние преодолеет за время т :

V2

(3).

где V2 - скорость ультразвука в жидкости.

Тогда время задержки т3 ультразвукового импульса по отношению к гидроимпульсу может быть найдено из выражения:

;(4) V1 V2 . .

I I - -

V1

VI

(6)

Пример. Расстояние между насадкой гидромонитора и забоем м. Длина Струи жидкости в импульсе м. Скоро- сть струи жидкости м/с. Скорость ультразвука в жидкости м/с. Тогда Гг 45:35 1,29с.

Время задержки ультразвукового импульса Т3 20:35 0,57 с.

Следовательно длительность ультразвукового импульса будет равна: ту 1,29-0,57 OJ2c.

Поправка на скорость ультразвука в жидкости г составляет всего 20:1500 0,013 с. Это менее 2% от приведенной выше цифры. Длительность ультразвукового импуль- са, определяемого выражением (6), является оптимальной и приводит к максимальной экономии энергии ультразвука. Таким образом, выражение (6) конкретизирует условия достижения положительного эффекта, ука- занного в цели.

.Особенно эффективно применение заявленного способа при разрушении горных пород повышенной крепости. Уже при ис- пользовании излучателей ультразвука с ин- тенсивностью потока энергии 1-5 Вт/см2 эффективность разрушения массива повышается в 2-3 раза, при этом экономится 30-50% и более энергии ультразвука.

Формула из обретения

Способ гидроимпульсного разрушения горных пород, включающий формирование струи жидкости в импульсном режиме и воздействие на нее сфокусированными по оси ствола гидромонитора ультразвуковыми волнами, отличающийся тем, что, с целью экономии энергии ультразвука, его воздействие производят в импульсном режиме, согласованном с импульсным режимом струи жидкости, причем длительность импульса ультразвука ту определяют из зависимости

Изобретение относится к горному делу, может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых и служит для экономии энергии ультразвука при совместном воздействии на горную породу гидравлической струей и ультразвуком. Генерирование ультразвука осуществляют в импульсном режиме, при этом длительность импульса ультразвука находят как функцию длины и скорости струи жидкости в импульсе, а также расстояния между насадкой гидромонитора и забоем.