(54) СПОСОБ ОТБОЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение относится к способам отбойки горных пород, особенно-скальных, импульсным давлением жидкости и устройствам для его осуществления.
Известные способы отбойки скальных 6 пород, предусматривающие бурение шпуров и взрывание в них зарядов взрывчатого вещества, имеют ряд недостатков, В частности, они проявляются в создании шума, образовании газа, пыли и раз- ю летающихся облаков породы, в результате чего машины и обслуживающий персонал должны быть эвакуированы из зоны ведения взрывных работ.
Кроме того, известные способы отбойки скальных пород требуют больших усилий-дробления и связаны со значительным износом бурового инструмента.
В течение последнего десятилетия де- 20 лаются попытки заменить традиционные методы бурения шпуров и взрывания в них зарядов взрывчатого вещества при проходке тоннелей, разработки полезных ископаемых и аналогичных операций.25
Одна из таких попыток включает использование высокоскоростных струй воды или другой жидкости для создания трещин в породе и ее разрушения. Для этого предлагалось несколько типов устройств для образования пульсирующих струй жидкости, содержащих цилиндр с газовой и гидравлической камерами и размещенный в нем поршень, разгоняемый сжатым газом и сообщающий «удар жидкости, которая выбрасывалась через конусообразную насадку в виде струиtfl. Для крепких скальных пород скорость струи жидкости, которая необходима для разрушения породы, составляет порядка
15 20ОО м/с. Однако до сих пор устройства для струй отбойки еще не могут соревноваться с традиционными методами отбойки скальных пород, включающих бурение и взрывание, по скорости подвигания забоя, потребления энергии и общих издержек производства. Более тог го, остаются серьезные технические про,блемы, такие как усталость частей, находящихся под воздействием давлений 10 или 20 килобар и повышенный уровень шума в процессе проведения работ. Известен также более старый способ дробления скальных пород, предусматривающий бурение скважины в породе и создание в ней давления воды статически или динамически. При этом -вода подается в скважину до тех пор, пока трещины и пары в стенках скважины не будут заполнены водой. Затем подача воды в скважину увеличивается со ступенчаты ми переходами. Порода не может поглотить это внезапно подаваемое большое количество воды и, поэтому, ршзрушающая сила образуется в скважине, вызыва юшая дробление породы . Более близким техническим решением к предлагаемому является способ отбойки горных пород, при котором в породе образуют угиубпения и воздействуют на его стенки импупьсным давлением относительно несжимаемой жидкости, например, водой, которое создают в резуль тате соударения движущейся жидкости со стенками угдубдення ГЗЗ. Устройство для осуществления способа включает камеру для накопления отно сительно несжигаемой ншдкости, в частности воды, и приспособление для ускорения жидкости в виде удлиненного ударного тела, имеющее камеру для (накопле- ния сжатого газа С. Известный способ позволяет повысить .эффективность разрушения горных пород благодаря тому, что сила удара струи по вогнутой преграде почти вдвое превышает силу удара струи жидкости по плоской преграде. Однако этот способ применим для разрушения сравнительно некрепких пород в частности, таких как уголь, что ограничивает область его использования. Цель изобретения - повышение заметным образом эффективности отбойки поро ды, в частности скальной, Поставленная цель.достигается тем, что углубления в породе выполняют путем механического бурения отверстий цилиндрической формы, жидкость вне отверстия формируют в виде жидкостного поршня или столба, после чего разгоняют до соударения со стенками отверстия с моментом, достаточным для разламывания породы и образования в ней треши Жидкостному поршню придают длину 0,2-2,0 м и скорость 100-300 м/с. При этом жидкостной поршень направ ляют для столкновения с донной частью бурового отверстия через трубу или шланг, вставляемую в него. Жидкостный поршень полностью или частично отклоняют в поперечном направлении и для соударения с частью стенки бурового отверстия. Трубу или шланг вставляют в буровое отверстие выходным концом и размешают его в непосредственной близости от дна бурового отверстия., Формируют жидкость в виде жидкостного поршня диаметром, составляющим 7О-100% диаметра скважины. Устройство Для осуществления способа снабжено присоединенной к камере с жидкостью трубой или шлангом, внутреннее поперечное сечение которых составляет 70-100% свободного диаметра поперечного сечения бурового отверстия, и регулировочным приспособпением, связанным с трубой или шлангом для расположения его выходного конца на одной прямой с буровым отверстием. Труба или шланг у выходного конца соединен с дефяекторной вставкой для . отклонения жидкостного поршня в поперечном направлении к стенке бурового отверстия. При этом труба иди шланг и дефлекторная вставка выполнены в виде единого блока с боковым выходным отверстием. Для выпуска объема воздуха, находящегося впереди движущегося жидкостного поршня, труба или шланг снабжены вентилирующим средством. На фиг, 1 показано устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг, 2 - то же, в увеличенном масшта бе (часть устройства); на фиг. 3 - другой вариант устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг, 4 и 5 размещение выходного конца трубы или шланга устройства относительно бурово- . го отверстия; на фи1 6 и 7 - виды самоходной буровой установки, несущей устройство; на фиг. 8 - снаряд, заполненный жвдкостью, используемый в устройстве, Устройство 1, для принудительного нагнетания жидкости в виде поршня или столба 2 в предварительно пробуренное цилиндрическое глухое буровое отверстие 3, которое бурится с применением стандартной буровой техники (в данном ва рианте столб вь талкиваемой жидкости состоит КЗ воды, однако могут применять-, ся другие типы жидкостей); труба 4 центрируется регулировочным приспособлением относительно буровой скважины 3 так, чтобы ее выходное отверстие на ходилось непосредственно перед входным отверстием буровой скважинь 3. Задняя головка 5 устройства снабжена каналом 6, проходящим через нее. .Жидкость подается в трубу 4 через канал 6, при этом запорный клапан 7 в канале 6 препятствует вытеканию жидкости из трубы 4, Зарядная камера 8 для рабочей жидкости располагается вокруг тыльной части трубы .4, Для ускорения жидкостного поршня 2 используется сжафый воздух или гаобой другой сжатый газ. Плита 9 вставляется между сжатым газом и жидкостным поршнем 2 (фиг. 1 и 2). Она предназначается для того, чтобы удерживать жидкостный поршень 2 неизменным по форме с целью предупреждения появления в нем так называемых пальцев, когда воздух под высоким давлением дей ствует на поверхность воды. Плита 9 мо жет вставляться в трубу 4 посредством отвинчивания задней гоповки 5, затем жидкость впускается через канал 6 и от верстие в плите 9, которое расположено соосно ему. В другом случае плита 9 может выполняться без какого-либо отверстия, когда жидкость может впускаться в трубопровод (не показан), который проходит радиально относительно трубы 4. При определенных обстоятельствах плита 9 может отсутствовать, например, при создании жидкостного поршня 2 достаточной длины и регулировании подачи воздуха под давлением с помощью скользящего золотника 1О, который может перемещаться посредством подачи управляющего воздуха к любому из, двух кана- лов 11, 12. Перемещением золотника 10 в положение, показанное на фиг. 2, газ, находящийся под давлением в камере 8, действует на заднюю торцовую поверхность жидкостного поршня 2 через плиту 9, вызывая его ускорение. Непрерыв- ное ускорение жидкостного поршня 2 про исходит в процессе его движения через трубу 4 благодаря расширению газа под давлением в камере 8. Получивший ускорение жидкостный поршень 2 оставляет трубу 4, выстреливается в буровую скважину 3. Объем воздуха в трубе 4, который находится впереди жидкостного порш ня 2, вентилируется через зазор между трубой 4 и скальной породой. Когда жидкостный поршень 2 накрывает донную часть буровой скважины 3, | в нем мгновенно создается высокое давпение и напор потока жидкости (ударное давление жидкости) составляет, , где Р - плотность данной жидкости; С - скорость звука в данной жидкости; V - скорость жидкости при ударе в дно буровой скважины. Это давление будет действовать на цно и стенки скважины, если оно будет tipeBbmiaTb линейный предел прочности на разрыв данной породы, тогда в не будут создаваться условия для образования трещин. Эти трещины распространяются дапьще, если жидкость вынуждают протекать и переполнять трещины в течение времени создания избыточного давления, при этом кинематическая энергия или импульс силы жидкостного поршня последовательно расходуется, однако для непрерывно,го распространения треишн, когда их площадь увеличивается, требуется все более низкое давление. Полная отбойка или дробление имеет место, когда, по крайней Niepe, три трещины распространяются до пересечения ими обнаруисенной поверхности забоя (выходят на поверхность). Поэтому для полной отбойки требуется, с одной стороны, достаточно высокое давление в скважине, т, е. определенная .минимальная скЬрость жидкостного поршня и, с другой стороны, достаточное количество жидкости с тем, чтобЬ большое число трещин могло распространяться в направлении обнаженной поверхности забоя. Поскольку диаметр жидкостного поршня является примерно таким же, как и диаметр буровой скважины, последнее требование означает, что жидкостный поршень должен иметь длину, превышающую определенную величину, которая зависит от глубины буровой скважины расчетной линии наименьшего сопротивления и расстояния между буровыми скважинами. Кинетическая энергия жидкостнот о поршня представлена уравнением E i /l-A-U-V} где р - плотность жидкостного поршня; А - плотность поперечного сечения жидкостного поршня; . L - длина жидкостного поршня; V - скорость жидкостного поршня. На практике требуемые давление в буровой сквалшне и энергия зависят от влияния нескольких других факторов. Требуемое давление снижается из-за налиучия естественной трещиноватости в породе, в результате чего в скважину должно подаваться большое количество жидкости, чтобы компенсировать утечку ее через эти естественные трещины. Более высокое давление и большая энергия требуется дня образования трещин в более крепкой породе. Например, при отбойке скальной породы большее давление и боль шая энергия требуется при воронкообразующей отбойке по сравнению с уступной Скорость жидкостного поршня (при ис пользовании ВОДЬ) составляет 1ОО 300 м/с, а величина кинетической энер)- гии - 500-2ОООО Дж. Для того, чтобы получить указанные скорости и энергию жидкостному поршню придается длина 0,2 2,0 м. Оптимальная длина поршня зависит от глубины скважины, диаметра и расчетной пявки наименьшего сопротивления. При реапизащш способа требуется, чтобы трещины возникали у дна скважины и распространялись в направлении поверхности породы. Однако существуют две трудности. Если данная порода вез де одинаковой прочности и скважина дела ется без острокромочной донной части и углов, которые являются причиной концентрации местных напряжений, тогда трещины возникают произвольно Ов скважине по всей сфере действия давления. Трешины, которые располагаются наиболее близко к входному отверстию скважины, наиболее легко распространяются, поскольку, чем тоньше слой породы между входным отверстием скважины и поверхностью забоя, тем меньше требуется усилия для его деформации. В результате отбойка породы на полную глубину скважины не произойдет. Эту трудность можно преодолеть путем бурения скважины так, чтобы переход между ее донной частью и стенкой становился настолько острым, чтобы получилась концентрация местных напряжения .с тем, чтобы трещины могли возникать и распространяться от этой зонь в зависимости от создания избыточного давления, для чего нужно, чтобы остапьная порода была однородной и одинаковой по прочности. Однако на практике появление более старых, естественно воз никших трещин нарушает процесс. Один из способов устранения этих трудностей состоит в введении трубы 4 в бу«овую скважину 3 примерно на половину ее г-дубины. На фиг. 3 показан режим отбойки при, котором с уровня скважина 3 может ориентироваться произвольно относительно устройства 1 для подачи жидкости. Труба в виде шланга 13 вставляется в скважину 3. Жидкостный поршень 2 ускоряется газом, находящимся в камере 8, по направлению к дну скважины 3. Объем воздуха, который заключен между жидкостным поршнем 2 и дном скважины 3, вентилируется через канал 14. Вентиляция воздуха может осуществляться также че-. рез пространство меисду шлангом 13 и стенкой скважины 3 либо с помощью устройства (не показано) для отсасывания воздуха, которое располагается вокруг шланга 13 у входного отверстия буровой скважины 3. Аксиальное положение шланга 13 и Провой скважины3 может меняться. В частности, выходное отверстие шланга 13 может располагаться непосредственно против входного отверстия буровой скважины 3. На фиг. 4 показан вариант выполнения трубы 4 (или шланга 13), обеспечивающий эффект направленного растрескивания или отбойки породы. Направленное растрескивание может применяться при уступной отбойке, когда отбойка ведется в направлении обнаженной поверхности 15 забоя. Труба 4 частично отрезается на переднем конце для образования направленного в сторону выхсщного отверстия 16. Боковая стенка трубы 4, расположенная против выходного отверстия 16, Кгшопняется в виде дефлекторной вставки 17, В соответствии с режимом работы распространение трещин происходит в направлении, в котором ориентируется выходное отверстие 16. Таким образом, выходное отверстие 16 направляется в сторону обнаженной поверхности 15 забоя и тем самь1м достигается более эффективное использование энергии жидкостного поршня . На фиг. 5 показан другой вариант предлагаемого устройства для получения направленного эффекта растрескивания. Дефлекторная вставка 18 констрзуируется в качестве отдельного блока, который вставляется в буровую скважину 3, примыкая к ее дну. Устройство (фиг. 4) может модифицироваться различными путями для получения эффекта образования трещиноватости в требуемом направлении. Путем исключения вставки 17 распространение трещин будет происходить в направлении вниз, 99 а также в сторону благодаря напичию от верстия 16. Посредством расположения нескольких отверстий вокруг внешней периферии трубы 4 эффект образования тре щиноватости происходит в оптимальном числе направлений. При использовании сравнительно легкотекучих жидкостей иногда трудно гарантировать, чтобы жидкость полностью, или по крайней мере, большей частью действовала в качестве поршня в процессе ее подачи в предварительно про ренную скважину, особенно если скважина является глубокой относительно диаметра Вариант устройства (фиг. 8} устраняет такого рода трудность. Жидкость заключается в оболочку 19 из любого материала, который легко разрывается под действием давления, возникающего при столкновении жидкостного поршня 2 с дном буровой скважины 3. Таким материалом может быть картон или пластик. На ({иг. 6 и 7 показана буровая установка, несущая устройство, показанное на фиг. 3.. Буровая установка содержит шасси 20 на гусеницах 21 которого смонтирована складная стрела 22. Стрела 22 может отклоняться в стороны, а также подниматься и опускаться относительно шасси 2О. Складная стрела 22 несет на своем свободном конце псюакяций механизм 23 с буровым станком 24 для образования скважин в скальной породе, перемешаемый возвратно-поступательно по направляющим подающего механизма 23. Буровой станок приспособлен для сообщения удара буровой штанге 25 в процессе ее одновременного вращения. Гусеницы 21 также несут устройство (шланг) 13. Шланг 13 простирается вдоль стрелы 22 и соединяется с ней для поглощения сил инерции, возникающих в процессе продвижения жидкостного поршня 2 через этот шланг. Передний конец шланга 13. соединяется с направляющей механизма 23 подачи. Шланг 13 монтикгется на направляющей таким образом, что он выступает за нее на величину, соответствующую длине шланга которым он будет вставляться в буровую скважину 3. Направляющая механизма 23 подачи прижимается к поверхности скальной породы так, чтобы прижимающая сила превышала силу реакции, действующую на шланг в процессе прохождения жидкос ного поршня 2. Данная установка работает следунщим образом. 5 ДО Буровая скважина 3 бурится посредством станка 24 в породе, которая дол- , жна подвергаться отбойке. Затем выходное отверстие шланга 13 направляется к отверстию буровой скважины 3 с помощью регулировочного приспособления складной стрелы 22. Жидкостный поршень 2ускоряется сжатым газом в устройстве 1 до скорости, которая требуется для создания условий образования трещин в породе, и направляется в предварительно пробуренную буровую скважину 3. Устройство (см. фиг. 6 и 7) может использоваться для получения эффекта направленной трещиноватости, показанного на фиг. 4 и 5. При этом дефектная вставка 18 (фиг. 5) крепится к направляющей подающего механизма 23 ак, чтобы она вставлялась в буровую скважину 3 в то же самое время, когда, шланг 13 устанавливается соосно с буровой скважиной 3. Проводилось несколько экспериментов с описанными выше устройствами. Показано, что можно значительно уменьшить необходимое силовое давление в зарядной камере 8, если использовать эффект направленной трещи новатости (фиг. 4 и 5). При проведении одного испытания применяют оборудование, показанное на фиг. 1 и 5, где длина 4 составляет 1200 мм. 4 направляют под уг-лом примерно 45° вверх. Глубина буровой скважины 3 составляет 16О мм, а ее диаметр 41 мм. Соотношение между диаметром трубы 4 и буровой скважиной 3составляет О,78. Проводят уступную отбойку (расчетная линия наименьшего сопротивления составляет 250 мм) посредством водяного поршня, имеющего длину порядка 5ОО мм и силовое давление в камере 8 порядка 1ОО бар. Приведенные выше теоретические положения относительно условий, которые должны удовлетворяться для того, чтобы получить аккуратную отборку, не учитывают эффект, вызываемый сжатием объема в 5здуха, заключенного между жидкостным поршнем и дном буровой скважины. Исследования этого давления в моделированных буровых скважинах показывают, что возможное сжатие объема воздуха положительно воздействует на процесс отбойки, особенно это относится к образованию трещин. |фект сжатия уменьшается, когда становится меньше соотношение относительных площадей поперечного сечения жидкостного поршня И скважины.( Установлено, что эффективная отбой- ка получается, если жидкостный пор шень имеет диаметр поперечного сечения 70-1ОО% диаметра свободного поперечного сечения буровой скважины. По диаметром свободного поперечного сечения подразумевается диаметр пустой буровой скважины или внутренний диаметр шланга или трубы в том случае, когда таковые вставляются в буровую скважину. Преимущественно, диаметр жидкостного поршня должен составлять более 8О% диаметра свободного поперечного сечения скважины, а предпочтительно, быть равным ему. Предлагаемое изобретение может так же применяться для получения отбойки с интервалами задержки. Посредством изменения длины трубы собственно между ней и буровой скважиной получают требу емый интервал задержки. Там, где рас|Четная линия наименьшего сопротивления составляет 2ОО-4ОО мм, подходящий ин тервал может нажзциться в пределах 12 мс. Если скорость водяного поршня составляет 2ОО м/с, это означает, что длины труб варьируются так, что ступень составляет расстояние 0,2-0,4 м. Формула- изобретения .1. Способ отбойки горных пород, при котором в породе образуют углубления и воздействуют на его стенки импульс- ным давлением относительно несжимаемой жидкости, например, водой, которое создают в результате соударения движущейся жидкости со стенками углубления, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности отбойки породы, в частности скальной, углубления в породе выполняют путем механического бурения отверстий цилиндрической формы, жидкость вне отверстия формируют в виде жидкостного поршня или столба и разгоняют его до соударения со стенками отверстия с моментом, достаточным для разламывания породы и образования в ней трещин. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что жидкостный поршень имеет длину 0,2-2,0 м и скорость 100 300 м/с. 3.Способ по пп. 1 и 2, о т л и чающийся тем, что жидкостный поршень направляют для столкновения с донной частью бурового отверстия. 4.Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что жидкостный nop-s,. шень направляют в буровое отверстие через трубу или шланг, вставляемую в него. 5.Способ по пп. 1, 2 и 4, отличающийся тем, что жидкостный поршень полностью или частично отклоняют в поперечном направлении для соударения с частью стенки бурового отвер стия. 6.Способ по пп. 4-5, отличающийся тем, что трубу или шланг вставляют в буровое отверстие выходным концом и размещают .его в непосредственной близости от дна бурового отверстия. 7.Способ по пп. 1-6, о т л и ч а.ю щ и и с я тем, что формируют жидкость в виде жидкостного поршня диаметром, составляющим 70-1ОО% диаметра скважины. 8.Устройство для отбойки горных пород, включающее камеру для накопления относительно несжимаемой жидкости, в частности воды, и приспособление для ускорения жидкости в виде удлиненного ударного тепа, имеющее камеру для накопления сжатого газа, отличаю-щ е е с я тем, что оно снабжено присоединенной к камере с жидкостью трубой или шлангом, внутреннее поперечное сечение которых составляет 70-100% свободного диаметра поперечного сечения бурового отверстия, и регулировочным приспособлением, связанным с трубой и пи шлангом для расположения ее выходного конца на одной прямой с буровым отверстием. 9.Устройство по п. 8, отличающее с я тем, что труба или шланг у выходного конца соединен с дефлекторной вставкой для отклонения жидкостного порщня в поперчном направлении к стенке бурового отверстия. 10.Устройство по п. 9, отличающееся тем, что труба или шланг и дефлекторная вставка выполнены в виде единого блока с боковым выходным отверстием. 11.Устройство по пп. 8-10, отличающееся тем, что труба или шпанг снабжены вентилирующим средством для выпуска объема воздуха, находящегося впереди движущегося жидкостного поршня в трубе или шланге. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США N 3412554, кл. 6О-54.5, опублик. 1970. 2.Патент Германии № 241966, кл. 5В37/12, опублик. 191О,
13 ..93491514
3. Авторское свидетельство СССР4, Авторское свидетельство СССР
№ 345276, кл. Е 21 С 25/60, 1969 (прототип).
NO 154843, кл. Е 21 С 25/60, 1961 (прототип).
