Спосіб руйнування гірських порід невибуховими руйнуючими складами й патрон для його реалізації

Реферат: Спосіб руйнування гірських порід невибуховими руйнуючими складами полягає у бурінні шпурів для розміщення складу, готуванні робочої суміші невибухового руйнуючого складу з водою, поміщенні невибухового руйнуючого складу у порожнини патрона невибухового руйнуючого складу, розміщенні патрона у шпур, на стінках якого створюють концентратори розтягуючих напружень, щонайменше в одному з діаметральних напрямків шпуру, при цьому відстань між шпурами в ряду визначають по формулі: a 2 k p  t 2  rn   м 2  k c    C , де: k p - коефіцієнт концентрації розтягуючих напружень, на стінках шпуру; P(t) - напруження, що розвивається НРС усередині порожнини з часом, МПа; rn - радіус порожнини, м; Ем - модуль пружності матеріалу, що руйнують, МПа; 2 - чисельний коефіцієнт перетворення енергетичного критерію Гриффітса; kс - коефіцієнт інтенсивності руйнуючих напружень, МПа ( м ); ЕНРС - модуль пружності НРС, МПа. Спосіб реалізується за допомогою патрона невибухового руйнуючого складу, що містить водонепроникну оболонку, усередині якої поміщений невибуховий руйнуючий склад, при цьому водонепроникна оболонка патрона виконана не менш ніж з двох половин труби, отриманих поздовжнім діаметральним розрізом, кожна з яких має глухий торець, довжина патрона становить 10-15 його діаметрів, а водонепроникна оболонка виконана твердою з матеріалу з 11 модулем пружності не менше 1×10 Па з межею міцності на одноосьовий стиск не менше 60 МПа. Реалізація пропонованих способу й пристрою дозволяє забезпечити керування UA 100062 C2 (12) UA 100062 C2 розподілом напружень навколо шпуру з моменту розширення НРС, що дозволяє одержати гарантоване спрямоване руйнування об'єктів, і приводить до підвищення якості руйнування гірських порід. UA 100062 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гірничої справи, будівництва й може бути використаний для невибухового руйнування твердих тіл у гірничій промисловості для відбійки корисних копалин, видобутку самоцвітної камінної сировини й руйнування масивів гірських порід, а також у будівництві (при реконструкції) для руйнування конструкцій і розколювання кам'яних матеріалів. Відомий спосіб невибухового відділення блоків від гірського масиву (Патент РФ № 2030579, МПК 6 Е21С 37/00, Е21С 37/06 опубл. 10.03.1995р.), що включає буріння ряду шпурів у площині передбачуваного розколу, розміщення в них гідроклинів і відділення блоків за допомогою гідроклинів, при цьому, попередньо донну частину шпурів заповнюють речовиною, що розширюється при твердінні, гідроклини встановлюють у верхній частині шпурів, а відділення блоку проводять після досягнення максимального тиску, що створюється речовиною, яка розширюється при затвердінні, при цьому глибина не заповненої цією речовиною частини шпуру становить 1/3 довжини робочого органу гідроклина. Реалізація даного способу вимагає застосування спеціального устаткування для приводу гідроклинів, при реалізації способу максимальна довжина шпуру визначається довжиною робочого органа гідроклина, а спосіб не може бути застосований в стиснутих умовах підземних гірських виробок. Також складно застосувати спосіб при необхідності буріння горизонтальних і висхідних шпурів, через знаходження робітників у зоні обвалення порід, що руйнуються, і неможливість роботи при цьому гідроклинами в безпечних умовах. Таким чином, знижується ефективність руйнування штучних і природних кам'яних матеріалів. Найбільш близьким по технічній суті є спосіб розколювання гірських порід невибуховими руйнуючими складами (Патент РФ № 2141563, МПК 6 Е21С 37/00 опубл. 20.11.1999 p.), що включає буріння шпурів, для розміщення складу, готування робочої суміші невибухового руйнуючого складу (НРС) з водою і заповнення нею шпурів, при цьому відстань між шпурами в ряду визначають по отриманій аналітичним шляхом формулі. Загальними ознаками описаного способу і того, що заявляється є буріння шпурів, для розміщення невибухового руйнуючого складу, готування робочої суміші невибухового руйнуючого складу (НРС) з водою. Використання відомого способу дозволяє одержати руйнування об'єкта по лінії найменшого опору, орієнтація якої в більшості випадків визначається структурними неоднорідностями матеріалу, що мають випадковий характер розподілу, тому дане технічне рішення не дозволяє виключити небажаного руйнування матеріалів, по площинам не співпадаючим з рядами шпурів, і створити спрямоване руйнування за рахунок росту магістральної тріщини. Не є можливим застосування найближчого аналога при необхідності буріння горизонтальних і висхідних шпурів, через витікання невибухового руйнуючого складу зі шпурів. Пропонована аналітична залежність для розрахунку відстані між шпурами із НРС має у своїй основі відому формулу Ляме для розрахунку товстостінних циліндрів у пружній постановці, її застосування для реальних тіл із природними дефектами, якими є гірські породи, дає занижену на 30-50 % відстань між шпурами, що приводить до перевитрати матеріалу. Таким чином, засобами найближчого аналога неможливо досягти гарантованого спрямованого руйнування гірських порід. Відома шпурова вставка для руйнування монолітів твердіючими складами, що розширюються (UA №2025; МПК 6 Е21С 37/00, опубл. 20.12.1994 р.), що містить осьовий стрижень, з'єднаний з торцевим центруючим диском, яка містить порожній перфорований циліндр, закріплений вертикально на осьовому стрижні. Дане технічне рішення не дозволяє управляти напрямком руйнування матеріалів, тому що тиск від саморозширення складу, що твердіє, рівномірно передається на стінки шпуру. Крім того описане технічне рішення не може бути використане при необхідності застосування вертикальних або висхідних шпурів, через витікання матеріалу. Найбільш близьким по технічній суті є патрон невибухового руйнуючого матеріалу (Патент РФ №2065046; МПК 6 Е21С37/00, опубл. 10.08.1996 p.) який містить оболонку, всередині якої поміщений невибуховий руйнуючий матеріал, оболонка виконана переважно водонепроникною, а усередині патрона уздовж його поздовжньої осі поміщена тверда перфорована трубка. Крім того, один або обидва кінці перфорованої трубки оснащені зовнішньою нарізкою для приєднання роз'єму або муфти. Патрон може бути оснащений змінним нагнітальним пристроєм багаторазового використання, що містить витратну рідинну ємність із пристосуванням для контролю вмісту й витрати, у верхній частині якої розташований роз'єм для зчленування з повітроводом насоса, а в нижній приєднаний гнучкий шланг із краном і роз'ємом для сполучення з перфорованою трубкою патрона, при цьому ємність у верхній частині оснащена отвором для заливання рідини з герметичною пробкою. 1 UA 100062 C2 5 10 15 20 Загальними ознаками описаного патрона невибухового руйнуючого складу і того що заявляється, є водонепроникна оболонка, усередині якої поміщений невибуховий руйнуючий матеріал. Відомий пристрій не забезпечує досягнення необхідного технічного результату по наступним причинам. При реалізації відомого патрона тиск, який надається на стінки шпуру при саморозширенні НРС однаковий у всіх напрямках, що приводить до утворення навколо шпуру зони рівномірно розподілених стискаючих напружень, епюра яких має форму близьку до форми шпуру, тому руйнування відбувається випадково по лінії найменшого опору матеріалу. Конструкція відомого патрона НРС не дозволяє управляти напрямком руйнування матеріалів. Таким чином, відомий патрон НРС не забезпечує спрямованого якісного руйнування матеріалів. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу руйнування гірських порід невибуховими руйнуючими складами й патрона для його реалізації, у якому за рахунок утворення в заданому напрямку магістральної тріщини, забезпечується гарантоване спрямоване руйнування гірських порід, і підвищується якість їх руйнування. Поставлена задача вирішується тим, що у способі руйнування гірських порід невибуховими руйнуючими складами, що включає буріння шпурів, для розміщення складу, готування робочої суміші невибухового руйнуючого складу з водою відповідно до винаходу, невибуховий руйнуючий склад поміщають у порожнини патрона невибухового руйнуючого складу, патрон розміщають у шпур, на стінках якого створюють концентратори розтягуючих напружень, щонайменше в одному з діаметральних напрямків шпуру, при цьому відстань між шпурами в ряду визначають по формулі: a 2 k p   t 2  rn   м 2  k c    C , де: 25 kp - коефіцієнт концентрації розтягуючих напружень, на стінках шпуру; P(t) - напруження, що розвивається НРС усередині порожнини з часом, МПа; rn - радіус порожнини, м; Ем - модуль пружності матеріалу, що руйнують, МПа; 2 - чисельний коефіцієнт перетворення енергетичного критерію Гриффітса; 30 35 40 45 50 55 kс - коефіцієнт інтенсивності руйнуючих напружень, МПа ( м ); ЕНРС - модуль пружності НРС, МПа. Спосіб реалізується за допомогою патрона невибухового руйнуючого складу, що містить водонепроникну оболонку, усередині якої поміщений невибуховий руйнуючий склад, відповідно до винаходу водонепроникна оболонка патрона виконана не менш ніж з двох половин труби, отриманих поздовжнім діаметральним розрізом, кожна з яких має глухий торець. Доцільно довжину патрона приймати рівною 10-15 його діаметрів, а водонепроникну 11 оболонку виконувати твердою з матеріалу з модулем пружності не менше 1×10 Па з межею міцності на одноосьовий стиск не менше 60 МПа. Розміщення невибухового руйнуючого складу в шпур у патронах забезпечує при збільшенні обсягу НРС у процесі його гідратації, виникнення в об'єкті, що руйнується, щонайменше в одному з діаметральних напрямків шпуру підвищених розтягуючих напружень, при перевищенні якими межі міцності матеріалу на розтягування відбувається розрив зв'язків у матеріалі й починається ріст магістральної тріщини від стінок шпуру вглиб масиву, при цьому запобігається руйнування матеріалу в напрямках не співпадаючих з напрямком магістральної тріщини. Крім того, це дозволяє застосовувати спосіб при будь-якій орієнтації шпуру в просторі. Розрахунок відстані між шпурами в ряду по формулі: 2 k p   t 2  r n   м a 2  k c    C ураховує механізм руйнування неоднорідних по своїй структурі гірських порід, що дозволяє одержати максимальну відстань між шпурами для забезпечення гарантованого спрямованого руйнування. Виконання водонепроникної оболонки патрона НРС не менш ніж із двох половин труби, отриманих поздовжнім діаметральним розрізом, забезпечує при саморозширенні НРС, виникнення на стінках шпуру, у місцях співпадаючих з розрізами в патроні, розтягуючих напружень, ріст яких приводить до руйнування матеріалу в необхідному напрямку. Що призводить до підвищення якості руйнування матеріалів. 2 UA 100062 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Виконання у половин труби глухого торця запобігає мимовільному викиду НРС зі шпуру в процесі його гідратації, а також дозволяє здійснити доставку патрона в донну частину шпуру будь-якої орієнтації. Довжина патрона становить 10-15 його діаметрів, скорочення довжини менш 10 діаметрів приводить до високої нерівномірності навантаження на стінки шпуру по його довжині, викликаної впливом торцевих частин, а збільшення довжини патрона більше 15 діаметрів - до складностей реалізації, пов'язаним з необхідністю розміщення в шпурі цілого числа патронів, і труднощами ручної доставки патронів із НРС у висхідні й вертикальні шпури. Для запобігання деформування труби патрона при саморозширюванні НРС, і забезпечення можливості її багаторазового використання трубу необхідно виконувати твердої з матеріалу з 11 модулем пружності не менше 1×10 Па і з межею міцності на одноосьовий стиск не менше 60 МПа. Суть способу й пристрою пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана схема реалізації способу направленого руйнування, на фіг. 2 - загальний вид патрона невибухового руйнуючого складу. На фігурах показаний: шпур - 1, патрон НРС - 2, невибуховий руйнуючий склад - 3, половини труби - 4, діаметральний розріз - 5, глухий торець - 6, об'єкт який руйнують - 7. Патрон 2 НРС містить водонепроникну оболонку, яка виконана не менш ніж із двох половин 4 труби, отриманих поздовжнім діаметральним розрізом 5, кожна з яких має глухий торець 6. У порожнинах патрона 2 утримується зачинена водою пластична суміш невибухового руйнуючого складу - 3. Спосіб, що заявляється, реалізується за допомогою пристрою таким чином. У об'єкті, що руйнують 7, бурять шпури 1, з відстанню між шпурами 1, розрахованою по запропонованій аналітичній залежності. Діаметр шпуру 1 повинен бути на 1-3 мм більше діаметра патрона 2 НРС. Слід зазначити, що для пропонованих патронів доцільно використовувати невибухові руйнуючі склади на основі грубомолотого вапна, наприклад НРР80. У змішувальній ємності перемішуються компоненти невибухового руйнуючого складу 3, приготовлена пластична суміш заливається усередину половин труби 4, які є порожнинами патрона 2. Половини патрона 2 з'єднуються й фіксуються стрічкою або шнуром. Зібраний у такий спосіб патрон 2 поміщують в шпур 1 таким чином, щоб діаметральний розріз 5, збігався з необхідним напрямком руйнування об'єкта. При розміщенні патрона у висхідних шпурах його фіксують за допомогою дерев'яного клина. Зазначені операції повторюються у всіх шпурах. Саморозширювання НРС 3 у процесі його гідратації викликає підвищення тиску на половини 4 труби патрона 2, що приводить до їхнього переміщення у взаємопротилежних напрямках у площині, перпендикулярній діаметральному розрізу 5, і виникненню на стінках шпуру 1, у місцях співпадаючих з діаметральним розрізом, розтягуючих напружень. При досягненні величини розтягуючих напружень, межі міцності матеріалу на розтягування відбувається розрив міжатомних зв'язків і утворення магістральної тріщини, орієнтація якої збігається із площиною діаметрального розрізу 5 у патроні. Подальший ріст тріщини, що забезпечується передаванням до її берегів напружень, викликаних саморозширюванням НРС, призводить до руйнування матеріалу в необхідному напрямку. Приклад Для руйнування негабаритного блоку пісковику розмірами 1500 × 750 × 600 мм із межею міцності на одноосьове розтягування 8,5 МПа при температурі об'єкта 31 °C бурили шпури, діаметром 42 мм довжиною 500 мм із кроком 400 мм уздовж найбільшої сторони (1500 мм) негабариту, і відстанню від шпурів до меж негабариту 350 мм, розрахунок відстаней виконували по формулі: 2 k p   t 2  r n   м a 2  k c    C , де: kp 55 - коефіцієнт концентрації розтягуючих напружень, на стінках шпуру, для поставленої задачі отриманий з чисельного моделювання методом скінчених елементів, і дорівнює 1,2; P(t) - напруження, що розвивається НРС усередині порожнини з часом, дорівнює тиску, який визначений, задаючись часом руйнування 4 години, з отриманої в лабораторних умовах залежності тиску саморозширювання НРР-80 від часу при температурі 30 °C, і дорівнює 10 МПа; rn - радіус порожнини, 0,021 м; 4 Ем - модуль пружності пісковику, що руйнують 3×10 МПа; 3 UA 100062 C2 2 - чисельний коефіцієнт перетворення енергетичного критерію Гриффітса; kс - коефіцієнт інтенсивності руйнуючих напружень для даного приклада дорівнює 1, МПа ( м ); 3 ЕНРС - модуль пружності НРС 2×10 , МПа. a 5 10 15 20 1,2  10 2  0 ,0212  3 10 4 3   0,4м 2  1  2  10 . У змішувальній ємності перемішували компоненти НРР-80, приготовлену пластичну суміш заливали усередину половин труби 4, що мають діаметр 40 мм і є порожнинами патрона 2. Половини патрона 2 з'єднували й фіксували стрічкою. Зібраний у такий спосіб патрон 2 поміщали в шпур 1, з орієнтацією діаметральних розрізів перпендикулярно ряду шпурів, таким чином, діаметральний розріз збігався з необхідним напрямком руйнування об'єкта. Зазначені операції повторювали у всіх шпурах. У результаті протікання реакції гідратації відбувалося збільшення обсягу НРР-80, і він тиснув на половини труби 4 патронів 2, що приводило до їхнього переміщення у взаємопротилежних напрямках у площині, перпендикулярній діаметральному розрізу 5. Через 4 години після установки патронів відбувалося утворення магістральної тріщини, орієнтація якої збігалася із площиною діаметрального розрізу 5 у патроні 2, і негабарит руйнувався на чотири частини по найбільшій стороні. Реалізація пропонованих способу й пристрою дозволяє забезпечити керування розподілом напруг навколо шпуру з моменту розширення НРС, що дозволяє одержати гарантоване спрямоване руйнування об'єктів, і приводить до підвищення якості руйнування гірських порід. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 1. Спосіб руйнування гірських порід невибуховими руйнуючими складами, що включає буріння шпурів, для розміщення складу, готування робочої суміші невибухового руйнуючого складу з водою, який відрізняється тим, що невибуховий руйнуючий склад поміщають у порожнини патрона невибухового руйнуючого складу, патрон розміщають у шпур, на стінках якого створюють концентратори розтягуючих напружень, щонайменше в одному з діаметральних напрямків шпуру, при цьому відстань між шпурами в ряду визначають по формулі: a 2 k p   t 2  r n   м 2  k c    C , де: k p - коефіцієнт концентрації розтягуючих напружень, на стінках шпуру; 35 40 45 P(t) - напруження, що розвивається НРС усередині порожнини з часом, МПа; r n - радіус порожнини, м; Ем - модуль пружності матеріалу, що руйнують, МПа; 2 - чисельний коефіцієнт перетворення енергетичного критерію Гриффітса; kс - коефіцієнт інтенсивності руйнуючих напружень, МПа ( м ); ЕНРС - модуль пружності НРС, МПа. 2. Патрон невибухового руйнуючого складу, що містить водонепроникну оболонку, усередині якої поміщений невибуховий руйнуючий склад, який відрізняється тим, що водонепроникна оболонка патрона виконана не менш ніж з двох половин труби, отриманих поздовжнім діаметральним розрізом, кожна з яких має глухий торець. 3. Патрон невибухового руйнуючого складу за п. 2, який відрізняється тим, що довжина патрона становить 10-15 його діаметрів. 4. Патрон невибухового руйнуючого складу за п. 2, який відрізняється тим, що водонепроникна 11 оболонка виконана твердою з матеріалу з модулем пружності не менше 1×10 Па, з межею міцності на одноосьовий стиск не менше 60 МПа. 4 UA 100062 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5