Способ термомеханического разрушения горных пород Советский патент 1979 года по МПК E21C21/00 E21C37/18 E21C3/00 

1

Изобретение относится к. способу термомеханического разрушения горных пород и может быть иснользовано для отбойки породы от массива путем комбинированного воздействия на него электрическим током или электромагнитным излучением и ударными нагрузками.

Известен способ термического разрушения горных пород электромагнитным излучением, которые генерируют от источника и направляют в глубину породы, при этом для уменьшения энергоемкости разрушения породу сначала оолучают электромагнитными волнами одной частоты до образования в глубине ее электромагнитного поля напряженностью около 30-200 кВ/см, а затем облучают электромагнитными волнами с частотой в один или несколько порядков выше частоты первоначального облучения 1.

Благодаря такому попеременному воздействию на породу электромагнитных излучений различной частоты удается создать в массиве нагретые участки и добиться их сравнительно быстрого разрушения.

Однако энергоемкость процесса разрушения при этом остается сравнительно высокой, а эффективность отбойки незначительной.

Наиболее близким техническим решением из известных является спосоо термомеханического разрушения горных пород, при котором в глубине породы создают нагретые участки и воздействуют на породу ударными нагрузками .2J.

При этом спосоое нагретые участки создают с помощью нагревателей и сообш,ают породе ударные нагрузки с частотой ударов от 1 до 10-25 в секунду. Но при этом

не удается совместить возникаюш,ие в массиве породы механические и термические напряжения из-за малой частоты ударов. Создаваемые упругие волны успевают затухнуть за время между ударами и каждый

удар производит независимое от других воздействие на породу. В результате ударное и тепловое воздействие на массив породы производится раздельно, причем значительная часть энергии упругой деформации породы рассеивается по массиву, что обуславливает сравнительно высокую энергоемкость разрушения и невысокую производительность отбойки. Цель изобретения заключается в том,

чтобы уменьшить энергоемкость процесса разрушения.

Это достигается, благодаря тому, что в процессе разрушения определяют частоту колебаний на поверхности породы от ударных нагрузок и частоту их воздействия устанавливают равной частоте колебаний поверхности .породы для образования в ней стоячих упругих волн, а затем совмещают узлы стоячих волн с центром нагретых участков породы.

Частоту ударного воздействия выбирают в пределах, определяемых соотношением

/-.(0,7-1,0),

где С -скорость звука в породе, км/с;

/ - расстояние между нагретым участком и поверхностью породы, м.

При таком выполнении способа происходит совмещение в породе максимума механических напряжений, создаваемых упругой волной, с максимумом термических напряжений, так как здесь бегущая упругая волна отражается от нагретого участка и наносит как бы удар по нему. Периодическое повторение этих ударов в случае, если их частота равна частоте колебаний поверхности массива и удовлетворяет указанной выше формуле, приводит к тому, что в породе совмещаются термические и упругие напряжения и нагретый участок входит в резонанс. Это обуславливает снижение энергоемкости разрушения, так как рассеяние волн при этом незначительно.

На чертеже показана принципиальная схема осуществления предлагаемого способа.

Для реализации способа используют устройство, включающее высоковольтный трансформатор 1, подключенные к нему электроды 2, которые устанавливаются на новерхности массива породы 3 или заглубляются в него, и ударный механизм 4. В качестве ударного механизма может быть использован перфоратор известной конструкции, электро- или гидроударник. Ударный механизм 4 снабжен частотомером 5.

В непосредственной близости от ударного механизма 4 устанавливают датчик 6, регистрирующий колебания поверхности породы 3.

Способ разрушения горной нороды осуществляется в следующем порядке.

В начале путем подачи тока на электроды 2 от трансформатора 1 в массиве породы 3 создают канал 7 пробоя на расстоянии / от его поверхности, в который затем вводят энергию от трансформатора 1. Энергия электрического тока, выделяясь в канале 7, отводится от него в окружающую породу за счет ее теплопроводности и в ней таким образом создается нагретый участок 8. Так как в нагретом участке 8 температура повышена, то в нем появляются термонапряжения и микротрещины.

После образования нагретого участка 8 породу подвергают воздействию ударных нагрузок с помощью механизма 4. При этом вначале рассчитывают частоту f ударного воздействия по формуле.

/-(0,7-1,0)-,

где С - скорость звука в породе, км/с; / - расстояние от центра нагретого

участка (канала пробоя) до поверхности породы, м. Например, для гранитов С 4,58 км/с при / и,5 м илШем

i (0,7 - 1,OJ 3,2 - 5,0 кГц.

2 () .0

Затем устанавливают но частотомеру 5 рабочую частоту ударов механизму 4 в

рассчитанных пределах и воздействуют им на породу. Ири этом производят изменение частоты работы ударного механизма 4 до тех нор, пока она не совпадет с частотой колебания поверхности массива 3, регистрируемой датчиком 6. От каждого удара ооразуется продольная упругая волна, которая доходит до нагретого участка 8. Часть энергии волны отражается от нагретого участка 8, а часть передается ему, что

увеличивает суммарную величину напряжений в нем. Отраженная волна встречается с волной, созданной последующим ударом и накладывается на нее, так как частота выбрана таким образом, чтобы происходило наложение волн. Участок породы от поверхности массива до нагретого участка 8 как бы входит в резонанс н при равенстве введенпой энергии разрушения откалывается.

А1акспмум механических напряжений создается в узлах (точках «крепления) резонирующего участка, т. е. в точках, где максимальны термонапряжения и происходит их сложение. Вследствие этого происходят достижение условия разрушения и снижение энергетических потерь на рассеянно энергии волны по массиву и общей энергоемкости разрушения, которые, как показывают экспернменты, достигают 30%.

Формула изобретения

1. Способ термомеханического разрушения горных пород, при котором в глубине породы создают нагретые участки и воздействуют на породу ударными нагрузками, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости разрушения, определяют частоту колебаний на поверхности породы от ударных нагрузок и частоту их

воздействия устанавливают равной частоте колебаний поверхности породы для образования в ней стоячих упругих волн, а затем совмещают узлы стоячих волн с центром нагретых участков породы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту / ударного воздействия выбирают в пределах, определяемых соотпошением

f (0,7-l,0j|-,

где С - скорость звука в породе, км/с;

/ - расстояние между нагретым участком и поверхностью породы, м. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

СССР

1. Авторское свидетельство № 581275, кл. Е 21С 37/18, 1976.

2. Патент США № 3826537, кл. 299-14, 5 опублик. 1974.