Способ разрушения твердого материала Советский патент 1993 года по МПК E21C37/00 E21C37/06 

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

Целью изобретения является повышение давления на стенки полости за счет увеличения объема льда. ...

Заявленный способ разрушения твердого материала включает образование полости в материале, заполнение ее водой и замораживание воды. Поставленная цель достигается тем, что перед замораживанием в воду вводят газ или летучую жидкость, образующие гидраты, причем в качестве газа, образующего гидрат, вводят пропан и (или) бутан, а в качестве летучей жидкости, образующей гидрат, вводят этиламин,

Способ обеспечивает увеличение объема льда до 11-12% и более.

Увеличение объема льда происходит вследствие того, что гидраты ряда газов и жидкостей, образующиеся одновременно со льдом, имеют более низкую плотность, чем он. По данным экспериментальных определений, плотность гидрата пропана 0,874, гидрата бутана 0,905 г/см3. Примерно такова же плотность гидрата этиламина - 0,891 г/см3.

Так как гидраты образуют два типа структур, для приближенного определения их плотности можно воспользоваться формулами

di 0,797 +0.007 М;

dz 0,787 + 0,0023 М где М - молекулярная масса гидрата;

0,797 и 0,787 - плотности гипотетических пустых кристаллических решеток структур типа 1 и 2,

00

СЬ 00 01 О

Так, формула гидрата пропана СзНв 17,95 НаО, поэтому его приближенную плотность находят как da.

Нетрудно убедиться, что более рыхлыми являются именно структуры типа 2.

Так как этиламин и некоторые другие летучие жидкости с водой смешиваются в любых соотношениях, то растворы для заполнения полостей могут быть получены простым перемешиванием такой жидкости с водой. При этом нужно помнить, что летучая жидкость несколько понижает температуру образования льда.

Процесс введения газов более сложен. Во-первых, газы хуже растворимы в воде. Во-вторых, для многих из них давление гид- ратообразования при 0°С превышает атмосферное. Например, для пропана при Р 1.01,3 кПэ температура образования гидрата равна 261,5 К, для изобутана Т 270,3 К. Поэтому для повышения температуры гид- ратообразования необходимо создавать некоторое избыточное давление (см, табл. 1). v Растворимость пропана в воде при 25 С составляет 1.62 мл на 100 мл воды. Растео- римость бутзнов на порядок ниже: для нормального бутана 15 мл/100 мл и для изобутана 13,1 мл/100 мл при нормальном атмосферном давлении и температуре 7°С.

Для реализации заявленного способа

при работе с газами-гидратообразователя- ми используют пластмассовые оболочки с обратными клапанами, через которые их заполняют водой с газами под давлением (не выше 200 кПа). Так как температура кипения нормального бутана равна - 0,5°С, то оболочку можно заполнять сжиженным газом примерно на 1/10емкости. Остальные 9/10 заполняют водой, после чего жидкость перемешивают встряхиванием.: ; ;

Заполненные оболочки вставляют в шпур (диаметр оболочки должен быть несколько меньше диаметра шпура)

РезультатьГлабораторных определений увеличения объемов льда при наличии доба- вок приведены в табл. 2. Определения осуществлялись объемным методом.

Изучалось также действие добавок на увеличение распорного давления.

Для этого использованы монолиты из бетона размером 300x200x200 мм. В каждом монолите бурились шпуры глубиной 250 мм и диаметром 42 мм. Для повышения прочностных свойств монолитов они помещались в призматические металлические емкости примерно аналогичных габаритов. На дне шпуров размещались датчики давления, полости шпуров заливались раствором с добавкой, или же в них размещались оболочки с раствором. Монолиты с рабочей жидкостью охлаждались в холодильной камере НКР-1 до температуры -5°С. Изменение давления фиксировалось самописцами. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 3.

Из данных, приведенных в .табл. 2. 3, видно, что увеличение объема льда на 1% примерно эквивалентно увеличению распорного давления в шпуре на 10,3-12,3 МПа (при температуре -5°С)./ . ;

Полезность заявленного технического решения состоит, прежде всего, в том, что относительно небольшие добавки веществ- гидратообразрвателей повышают распорное давление льда в 1,1-2,9 раза, что обеспечивает более эффективное разрушение твердого материала,

Формул а и зобретени я

1. Способ разрушения твердого материала, включающий образование полости в материале, заполнение ее водой и замораживание воды, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что. с целью повышения давления на стенки полости за счет увеличения объема льда, перед замораживанием в воду вводят газ или летучую жидкость, образующие гидраты.- . -;. ; ....- : .; : -.

2. Способ по п ,1, отличаю щи и с я тем, что в качестве газа, образующего гидрат, вводят пропан и .(или) бутан.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в качестве летучей жидкости, образующей гидрат, вводят этиламин.

Таблица 1

Использование: разрушение твёрдных материалов в горном деле и строительстве без применения взрывных работ. Сущность изобретения: в твердом материале бурят шпур. Заполняют его рабочей жидкостью. Рабочую жидкость получают путем смешивания воды с газом или летучей жидкостью, образующими гидраты. В качестве такого газа может быть использован пропан или бутан, а в качестве летучей жидкости-эти- ламин. Замораживают рабочую жидкость в шпуре. Под давлением образующегося льда твердый материал разрушается. Гидраты увеличивают объем льда и, соответственно, да в ление на стенки шпура. 2 з.п.ф-лы, Зтабл.

Равновесные параметры гидрата пропана

Увеличение объемов льда при наличии добавок

Максимальные давления в шпурах в зависимости от количества и типа добавки к воде (при -5бС)

Таблица 2

Таблица 3