Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД ПЛАСТИЧНЫМ ВЕЩЕСТВОМ

Изобретениеотносится к горному делу и может быть использовано для отбойки блоков от массива, проходки дорог в гористой местности, добычи строительного камня и кристаллического сырья.

Известно пневматическое ударное устройство для забивания в грунт стержневых элементов, например труб, по патенту РФ №2229558 (второй вариант), кл. E02D 7/08, F16L 1/028, опубл. 27.05.2004 г., Бюл. №15. Оно содержит ударную массу, направляющий узел для движения ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную корпусом узла подъема ударной массы и мембраной, имеющей отверстие для выхлопа сжатого воздуха. Корпус узла подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости, в которой размещено распределительное устройство. Ударная масса установлена с возможностью взаимодействия с мембраной и через упомянутые отверстия - для выхлопа сжатого воздуха в мембране и для подачи сжатого воздуха в корпусе узла подъема ударной массы - с распределительным устройством. Мембрана выполнена в виде усеченного конуса, а распределительное устройство - в виде подпружиненного клапана отсечки, при этом направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы выполнен в виде установленной вертикально трубы с крышкой, которые соединены с корпусом узла подъема ударной массы.

Это устройство может быть использовано для разрыва горных пород пластичным веществом, вытесняемым из скважины штангой, по свободному концу которой наносят удары. Однако оно воздействует на штангу короткими ударными импульсами, не учитывающими особенности пластичного вещества. При таком воздействии пластичное вещество проявляет в основном свойство твердого тела, преобразующего ударные импульсы в упругие волны, обуславливающие потерю энергии, из-за чего увеличивается энергоемкость разрыва горной породы. Поэтому его использование для разрыва горных пород пластичным веществом имеет относительно низкую эффективность.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для разрушения горных пород по патенту РФ №2307934, кл. E21C 37/12, E21B 43/26, E21F 7/00, опубл. 10.10.2007 г., Бюл. №28. Устройство включает рабочий орган, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки. Оно снабжено направляющей трубой, в которую с возможностью продольного перемещения вставлено средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги. Рабочий орган выполнен в виде поршня, установленного соосно с направляющей трубой с возможностью контакта с торцом штанги.

Для подъема штанги в этом устройстве требуется дополнительный механизм, устанавливаемый на поверхности. При этом усилие подъема штанги не передается рабочему органу и поэтому энергия на ее подъем не расходуется на разрыв горной породы, т.е. теряется. Кроме этого, штанга воздействует на рабочий орган непосредственно в виде сравнительно коротких импульсов, отчего пластичное вещество в шпуре слабо проявляет эффект гидравлического усиления. При этом значительная часть энергии падающей штанги безвозвратно расходуется на формирование упругих волн. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет вытеснения пластичного вещества из шпура силой гравитации в режиме, обеспечивающем проявление эффекта гидравлического усиления.

Задача решается тем, что в устройстве для разрыва горных пород пластичным веществом, включающем рабочий орган в виде поршня, размещенный в шпуре, заполненном пластичным веществом, и средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги, согласно предлагаемому техническому решению соосно штанге на ее свободном от рабочего органа торце вертикально установлен цилиндр с поршнем для создания нагрузки и узлом для подачи сжатого воздуха, выполненным в виде стакана с радиальными отверстиями, на который с возможностью ограниченного продольного перемещения надета втулка с кольцевым выступом, между которым и дном цилиндра установлена пружина. Стакан со стороны, противоположной его дну, скреплен с дном цилиндра и подсоединен к магистрали сжатого воздуха, поршень установлен с возможностью контакта с втулкой, используемой в качестве клапана отсечки, а в цилиндре выполнены радиальные выхлопные отверстия.

Такое техническое решение существенно увеличивает постоянную составляющую усилия, с которым выдавливают пластичное вещество из шпура в трещины, что обеспечивает проявление пластичным веществом эффекта гидравлического усиления. Обусловлено это тем, что рабочий орган в шпуре нагружают как во время торможения поршня, так и во время его ускоренного подъема. Усилие на ускоренный подъем поршня передается рабочему органу через цилиндр и штангу. Цилиндр с поршнем для создания ударной нагрузки и узлом для подачи сжатого воздуха обеспечивают динамическую нагрузку на пластичное вещество через штангу и рабочий орган. При этом используют поршень с массой, исчисляемой сотнями и даже тысячами килограммов. Выполнение узла для подачи сжатого воздуха в виде стакана с радиальными отверстиями, на который с возможностью ограниченного продольного перемещения надета втулка с кольцевым выступом, между которым и дном цилиндра установлена пружина, а также наличие радиальных выхлопных отверстий в цилиндре позволяют управлять перемещением поршня в цилиндре в автоматическом режиме. При этом используют пружину с большим коэффициентом жесткости, за счет чего обеспечивают не только перемещение втулки вдоль стакана, но и эффективное торможение падающего поршня. Стакан со стороны, противоположной его дну, скрепленный с дном цилиндра и подсоединенный к магистрали сжатого воздуха, и поршень, установленный с возможностью контакта с указанной втулкой, используемой в качестве клапана отсечки, обеспечивают подачу сжатого воздуха в цилиндр в исходном состоянии и прекращение его подачи при отрыве поршня от втулки. В результате действующее на пластичное вещество в шпуре усилие включает две составляющие: статическую составляющую, обусловленную силой гравитации (весом устройства), увеличением длительности динамического воздействия и передачей усилий подъема поршня через штангу и рабочий орган; и динамическую составляющую, обусловленную торможением падающего поршня. Благодаря статической составляющей усилия пластичное вещество, способное передавать давление (подобно жидкости), проявляет эффект гидравлического усиления, заключающийся в том, что за счет значительно большей площади контакта пластичного вещества с горной породой, чем с рабочим органом, передаваемое от штанги горной породе усилие многократно увеличивается. Благодаря динамической составляющей усилия пластичное вещество проявляет эффект герметика, из-за чего существенно снижается трудоемкость герметизации шпура, и в зоне его контакта с рабочим органом возрастает локальное давление до значения, достаточного для разрыва горной породы любой прочности без использования высоконапорных установок. Таким образом, устройство оказывается адаптированным к технологиям разрыва горной породы пластичным веществом, что повышает его эффективность работы за счет вытеснения пластичного вещества из шпура силой гравитации в режиме, обеспечивающем проявление эффекта гидравлического усиления.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для разрыва горных пород пластичным веществом и чертежами (фиг. 1-4).

На фиг. 1 показана схема устройства для разрыва горных пород пластичным веществом до образования трещины, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез A-A на фиг. 1 после образования трещины, повернутый на 90°; на фиг. 3 - схема цилиндра с поршнем для создания ударной нагрузки и узлом для подачи сжатого воздуха в исходном состоянии, продольный разрез; на фиг. 4 - то же, во время подъема поршня.

Устройство для разрыва горных пород пластичным веществом (фиг. 1) включает рабочий орган 1 в виде поршня (далее - орган 1), размещенный в шпуре 2, заполненном пластичным веществом 3 (далее -вещество 3), и средство приложения к органу 1 периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги 4. Соосно штанге 4 на ее свободном от органа 1 торце вертикально установлен цилиндр 5 с поршнем 6 (фиг. 3 и 4) для создания ударной нагрузки и узлом для подачи сжатого воздуха (поз. не обозначен). Указанный узел выполнен в виде стакана 7 с радиальными отверстиями 8 (далее - отверстия 8), на который с возможностью ограниченного продольного перемещения надета втулка 9 с кольцевым выступом 10 (далее - выступ 10). Между выступом 10 и дном 11 цилиндра 5 установлена пружина 12. Стакан 7 со стороны, противоположной его дну, скреплен с дном 11 цилиндра 5 и подсоединен к магистрали сжатого воздуха (не показана). Поршень 6 установлен с возможностью контакта с втулкой 9, используемой в качестве клапана отсечки. В цилиндре 5 выполнены радиальные выхлопные отверстия 13 (далее - отверстия 13). Стакан 7 соединен с магистралью сжатого воздуха через центральное глухое отверстие 14 (далее - отверстие 14) и радиальное сквозное отверстие 15 (далее - отверстие 15) в дне 11 цилиндра 5. При этом на свободном конце отверстия 15 установлен штуцер 16 для подачи сжатого воздуха. Для установки цилиндра 5 на штанге 4 в его дне 11 выполнено отверстие 17 с резьбой (на фиг. 3 и 4 не обозначена). Для ограничения перемещения втулки 9 вдоль стакана 7 в ней выполнено ступенчатое расширение 18 (далее - расширение 18), в котором размещен кольцевой выступ 19, выполненный на боковой поверхности стакана 7 у его дна. Для свободного прохождения сжатого воздуха в цилиндр 5 в исходном состоянии устройства во втулке 9 выполнены радиальные отверстия 20 (далее - отверстия 20) и отверстия 21 в ее выступе 10. При необходимости проведения разрыва с заданной ориентацией в устройстве предусмотрена возможность установки на органе 1 (фиг. 1) твердосплавных вставок 22, обеспечивающих создание на стенках шпура 2 продольных борозд 23 - концентраторов напряжений. В шпуре 2 сформирована трещина 24 (фиг. 2).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Шпур 2 заполняют веществом 3 и подают в него орган 1. Упором в орган 1 устанавливают штангу 4 с установленным на ней цилиндром 5. Через штуцер 16 подают сжатый воздух, который через отверстия 15 и 14 поступает в стакан 7. В исходном состоянии устройства сжатый воздух из стакана 7 через его отверстия 8, расширение 18 и отверстия 20 и 21 во втулке 9 поступает в пространство цилиндра 5, ограниченное его дном 11 и поршнем 6, образующими камеру. Под действием сжатого воздуха поршень 6 разгоняется вверх и отрывается от втулки 9. Втулка 9 при отрыве от нее поршня 6 под действием пружины 12 перемещается вдоль стакана 7 вверх до контакта ее ступени расширения 18 с кольцевым выступом 19, отчего отверстия 8 и 20 перекрываются и сжатый воздух перестает поступать в цилиндр 5. Когда поршень 6 поднимается выше отверстий 13, давление сжатого воздуха под ним падает до атмосферного, и он, затратив приобретенную энергию на подъем, начинает падать. Когда поршень 6, падая вниз, проходит отверстия 13, он взаимодействует с тормозящей его упругой системой, включающей образующуюся под ним воздушную подушку, пружину 12 и податливую среду под органом 1, состоящую из развивающейся трещины 24, в которую в это время интенсивно выдавливается вещество 1 из шпура 2. Под действием тормозящей силы поршень 6 теряет приобретенную им при падении кинетическую энергию и останавливается, смещая при этом втулку 9 вниз, отчего в цилиндр 5 начинает поступать сжатый воздух, и указанный процесс подъема и падения поршня 6 повторяется. Выдавив из шпура 2 в трещину 24 заданный объем вещества 3, устройство извлекают из шпура 2. Орган 1 извлекают после отделения горной массы от породного массива либо используют в качестве расходного материала. При необходимости подачи в трещину 24 вещества 3 в объеме, большем объема шпура 2, операции по заполнению шпура 2 веществом 3 и подачу в него органа 1 повторяют многократно.

Особенность разрыва породного массива веществом 3 заключается в том, что связь органа 1 с разрушаемым объектом через вещество 3 не является столь жесткой, как при непосредственном контакте с горной породой и изменяется с образованием и ростом трещины 24. Согласно исследованиям по разрыву хрупких сред различными флюидами с увеличением размеров трещины 24 снижается давление, необходимое на поддержание ее роста. Максимальное давление требуется для инициирования процесса возникновения начального разрыва. Далее породный массив с образованной в нем трещиной 24 разрывается при убывающем давлении и начинает проявлять эффект упругого элемента, от чего снижается эффективность разрушения горных пород короткими ударными импульсами. Эти объективные особенности разрыва горных пород учтены в предлагаемом устройстве, что обуславливает повышение эффективности его работы. До образования в шпуре 2 начальной трещины породный массив по отношению к устройству является хрупким объектом. Поэтому решающую роль в образовании начального разрыва играет динамическая составляющая силового воздействия, обеспечивающая кратковременное, но весьма большое усилие, создающее возле контакта органа 1 и вещества 3 давление, преодолевающее предел прочности горной породы на растяжение (разрыв). С возникновением трещины 24 в нее проникает вещество 3, которое проявляет эффект адаптирующего к ее параметрам внедряющегося клина. Суть этого эффекта состоит в том, что вещество 3 занимает часть пространства трещины 24, постоянно изменяет свою форму под размеры трещины 24 и подобно клину раздвигает ее поверхности с усилием, определяемым статическим давлением и площадью занимаемой им зоны. Поэтому с возникновением и ростом трещины 24 существенно возрастает значение статической составляющей силового воздействия. В предлагаемом устройстве постоянная составляющая силового воздействия по мере развития разрыва горной породы увеличивается из-за того, что породный массив по мере роста в нем трещины 24 оказывается более податливым и в большей степени проявляет эффект упругого элемента, что обуславливает возрастание длительности динамического усилия (от поршня 6). Таким образом, предлагаемое устройство реализует сочетание следующих основных принципов воздействия на породный массив через пластичное вещество 3:

1. Воздействия на орган 1 силой гравитации.

2. Возрастания усилия на орган 1, обусловленного реакцией штанги 4 с цилиндром 5 на ускоренный подъем поршня 6.

3. Увеличения длительности динамического воздействия на орган 1 путем искусственного торможения поршня 6 при его падении пружиной 12 и воздушной подушкой, возникающей в камере, образованной в цилиндре 5 между его дном 11 и поршнем 6.

4. Использования способности вещества 3 к проявлению эффектов гидравлического усиления и клина, который адаптируется к параметрам трещины 24.

5. Учета реакции породного массива 24 на внедрение в него вещества 3.

В результате, в отличие от прототипа предлагаемое устройство оказывается более адаптированным к технологиям разрыва горной породы веществом 3 и поэтому является более эффективным для их реализации.

Устройство разработано с целью реализации способов разрыва породного массива пластичными веществами в условиях наличия пневматических систем подачи сжатого воздуха и отсутствия электрической энергии, использование которой сопряжено с известными трудностями выполнения требований взрывобезопасности, например, в шахтах.