Спосіб гідроімпульсного зруйнування гірних пород

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. 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 составляют в воздухе 3,4- 10 3—3,4 • 10"5см, в воде 1,5 10^-1,5- 10 см и в стали 5 -10*2-5- 10* см 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 є при данной амплитуде плотность потока энер 1809036 гии пропорциональна квадрату частоты. При этом ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, о частности, распространению ультразвуковых волн в жидкостях сопутствует 5 движение среды (акустическое течение), скорость которого зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; она составляет доли проценте от скорости ультразвука. 10 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 15 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 20 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 25 она составляет около 0,3 Вт/см . Интенсивность потока энергии ультразвука, получаемой в современных мощных излучателях, значительно в.ыше и может достигать (в масле и воде) 30 Вт/см , что в 30 3 • 104 раза больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании (10'3 Вт/см ). В настоящее время разработаны еще более мощные излучатели. 35 Генерацию ультразвука можно осуществить используя явление магниюстрикции, У ферромагнитных материалов (никель, железо и др.) под действием магнитного поля происходит незначительное изменение 40 линейных размеров. Так, например, никелевый стержень, помещенный в переменное магнитное поле, совершает дополнительные колебания с соответствующей частотой (до 50 кГц). Амплитуда колебаний макси- 45 мальна в случае резонанса, Электрические методы генерации ультразвука основаны на явлении электрострикации (обратный пьезоэлектрический эффект). Если к кварцевой пластине прило- 50 жить переменное напряжение высокой частоты, то пластина будет совершать колебания соответствующей частоты, особенно интенсивные в резонансе. Таким способом можно получать частоты до 104 кГц. Последнее вре- 55 мя вместо кварца успешно применяют титанат бария. При включении монитора образуется струя жидкости, скорост ь которой, даже при давлении 20-50 МЛа и выше не превышает нескольких десятков метров в секунду. Скорость ультразвука в воздухе при Т=0°С равна 331,8 м/с, а в обычных условиИХ - примерно 340 м/с. В воде скорость ультразвука существенно выше: при Т=273 К 1407, при Т=293 К 1484 и при Т=303 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. Поскольку ультразвуковые волны обладают малой длиной волны, они как и соет, могут образовывать строго направленные пучки. Для них также справедливы законы отражения и преломления. Поэтому с помощью вогнутого зеркального рефлектора или линзы ультразвуковые волны можно направить в строго определенном направлении - сфокусировать вдоль оси ствола и струи. При этом ультразвук почти не дифрагирует и распространяется прямолинейно, Ослабление звуковой волны в воде незначительно и даже для расстояния в несколько десятков метров им можно пренебречь. Струя гидромонитора действует как своеобразный трубопровод, передающий энергию ультразвука на забой разрушаемого массива. Повышение эффективности воздействия струи нэ разрушаемый материал достигается за счет того, что одновременно действует гидродинамическая сила и концентрированная энергия ультразвука, интенсивность которой, как указывалось, достигает 30 Вт/см и выше. При этом упругие колебания высокой энергии образуют трещины в массиве, что облегчает его раскалывание струей воды. Во-вторых, в струе жидкости возникает акустическое течение того же направления Оценим величину этого 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):100=3,02 м/с. Таким образом, суммарная скорость струи повышается до 15+3=18 м/с Давление струи на преграду, как известно, прямо пропорционально квадрату скорости следовательно, в данном случае оно возрастет в 182:152-324-225=1.4 раза. Совершенно 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 давле 1809036 ниє при охлопывании 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 кавитационной плоскости давление практически отсутствует, что не может не привести к высвобождению газов в виде пузырьков. При дальнейшем существовании Б ультразвуковом поле (за счет диффузии, коагуляции и ультразвуковых гидродинамических течений) мелкие газовые пузырьки соединяются в более крупные. Определенную работу на груди забоя еыполняют мелкие частицы горной породы, особенно зерна и осколки высокопрочных и твердых материалов-минералов{кварц, корунд 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 гид 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6 роимпупьсом 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 некоторое время - поррдка 20-30%. Следовательно, экономия ультразвука при его импульсном режиме составит не менее 30-50%. Таким образом, именно наличие отличительны* признаков заявленного способа и обеспечивает получение положительного эффекта, указанного в цели. Этот вывод подтверждается также тем обстоятельством, что у заявленного решения появляется свойство, несовпадающее со свойствами, проявляемыми признаками в известных решениях, и не равные сумме этих свойств. Так, если рядом с обычным гидромонитором мы разместим автономный излучатель 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 (в 1000 больше, чем R воде). С другой стороны, акустическое сопротивление воды, примерно, в 3500 раз больше чем воздуха, поэтому при данной величине колебательной скорости общая акустическая мощность излучателя больше для жидкости чем для автономно установленного излучателя в газовой среде. Струя гидромонитора, как известно, состоит из нескольких частей, различающихся структурой. Наиболее эффективно воздействует 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 брызг. Длина первого участка струи определяется в основном рабочим давлением жидкости и диаметром насадки. При взаимодействии струи с ультразвуком она проявляет новое свойство - устойчивость по отношению к окружающему ее атмосферному воздуху. Направленный поток ультразвуковых волн, пространственно и по направлению совпадающий с очертаниями и направлением струи, предохраняет ее отсмешивания 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 1809036 резко возрастает (что также повышает ее дальнобойность и разрушающую эффективТу — Гг ~ (6) ность). Для рабочего давления 12 МПа и VI VI диаметра насадки 10 мм это возрастание в зависимости от интенсивности ультразвуковоП р и м е р . Расстояние между насадкой го излучения составляет не менее 50-100%. гидромонитора м забоем 1=20 м. Длина Сказанное полностью относится к импульсноструи жидкости в импульсе 1и=45 м Скорому режиму. сть струи жидкости V I = 3 5 M / C Скорость ульДлительность ультразвукового импультразвука в жидкости V2=15OO м/с са и время задержки этого импульса по 10 Тогда Гг=45-35=1 29 с. сравнению с началом гидроимпульса могут Время задержки ультразвукового имбыть определены исходя из следующих сопульса г э =20 35=0,57 с ображений Следовательно длительность ультразвуПусть расстояние между насадкой гидкового импульса будет равна г у =1.29-0,57= ромонитора и забоем равно I. Длину струи 15 =0,72 с жидкости в импульсе обозначим через їй. Поправка на скорость ультразвука в жидПри этом заранее принимаем условие. ІИ>І. кости г 1 составляет всего 20-1500=0,013 с. так как при обратном соотношении теряет Это менее 2 % от приведенной выше цифры смысл применение ультразвука из-за обязаДлительность ультразвукового импультельного наличия воздушного промежутка 20 са, определяемого выражением (6), является между струей и насадкой или забоем. оптимальной и приводит к максимальной Тогда длительность гидроимпульса ту можэкономии энергии ультразвука Таким обрано найти из выражения' зом выражение (6) конкретизирует условия fc достижения положительного эффекта, ука25 занного в цели. г - 1 и ., її (1) Особенно эффективно применение заявленного способа при разрушении горных пород повышенной крепости. Уже при исгде vi - скорость струи жидкости пользовании излучателей ультразвука с инВремя ^ , за которое струя жидкости из 30 тенсивностью потока энергии 1-5 Вт/см насадки достигает забоя, равно эффективность разрушения массива повышается в 2-3 раза, при этом экономится (2) 30-50% и более энергии ультразвука Ультразвук это же расстояние преодо- 35 леет за время I я . Формула изобретения Способ гидроимпульсного разрушения горных пород включающий формирование струи жидкости в импульсном режиме и возО) действие на нее сфокусированными по оси V2 40 ствола гидромонитора ультразвуковыми волнами о т л и ч а ю щ и й с я тем что, с где V2 - скорость ультразвука в жидкости. целью экономии энергии ультразвука, его Тогда время задержки г 3 ультразвуковоздействие производят в импульсном ревого импульса по отношению к гидроимжиме, согласованном с импульсным режипульсу может быть найдено из выражения: 45 мом струи жидкости, причем длительность импульса ультразвука т у определяют из за(4) висимости V| Т— 1и/vi~Тз; у Однако V2> vi, поэтому второй дробью в уравнении (А) можно принебречь Тогда 50 где Гэ'Н/vi - время задержки ультразвуког 3 приближенно будет равно вого импульса по сравнению с началом импульса жидкости, J_ (5) (и - дпина струи жидкости в импульсе, V1 55 I - расстояние между посадкой гидромонитора и забоем Длительность ультразвукового импульvi - скорость струи жидкости са находим из выражении (1) и (5) > Редактор ; Составитель Г. Валуконис Техред М.Моргентал Корректор!М. Самборская Заказ 1266 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уя.Гагарина, 101