О создании средств эффективного безвзрывного разрушения горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Ю.Л. Красников, А.В. Бурляев, 2003

УАК 622.363.2

Ю.Л. Красников, А.В. Бурляев

О СОЗААНИИ СРЕАСТВ ЭФФЕКТИВНОГО БЕЗВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОЛ

Проблема создания высокопроизводительного крупномасштабного безвзрыв-ного способа послойного разрушения горных пород любой крепости весьма актуальна. С созданием такого способа появятся новые эффективные экологически чистые технологии непрерывного разрушения пород как при проведении горных выработок и добычи полезных ископаемых под землей, так и ведения горных работ на открытых разработках.

Мелкомасштабные способы механического разрушения крепких горных пород давно известны и весьма распространены, например, способ ударно-поворотного бурения шпуров и скважин, в котором ударное разрушение позволяет скалывать породы на определенную глубину и с определенным шагом. При этом, чем больше энергия единичного удара, тем больше может быть глубина внедрения инструмента и больше шаг (расстояние между соседними сколами), что и определяет более высокую производительность процесса.

Крупномасштабное разрушение горных пород с большой производительностью происходит в дробилках, в том числе и в дробилках ударного действия. При этом разрушение пород происходит инструментом, не армированными твердосплавными вставками.

Если объединить идею пошагового разрушения пород в массиве, используемую при ударно-поворотном мелкомасштабном бурении с идеей крупномасштабного разрушения пород, используемой в дробилках, то можно

Рис. 1. Зависимость энергоемкости разрушения породного забоя от энергии удара Еи шага в процесса

получить способ крупномасштабного высокопроизводительного разрешения горных пород любой крепости.

Бонд (1952 г.) установил, что эффективность ударного разрушения зависит от числа критических пороков в породе. Наши исследования послойного разрушения крепких горных пород с энергией удара до 3000 Дж показали, что сопротивляемость разрушению нижележащего под пройденным ударным способом слоем более чем на 30% ниже вышележащего за счет резкого увеличения числа и длины трещин, а скорость распространения упругой волны в нижнем слое, естественно, также резко снижается.

Ранее также было показано, что ударная дробилка с энергией удара Е = 1400 Дж при частоте удара Х=20 уд/мин будет в 10 раз производительнее, чем дробилка с той же ударной мощностью, но с энергией удара Е = 14 Дж и частотой X = 2000 уд/мин.

Что касается энергоемкости ударного разрушения горных по-

род в массиве, то получены такие цифры: энергоемкость при работе бурильного молотка фирмы Джой с энергией удара до Е = 1380 Дж составляет примерно 840 Дж/см3, энергоемкость ударного разрушения в дробилках при энергии импульса до Е = 13800 Дж уже составляет 8,4 Дж/см3, а при энергии удара до 13,8-10б Дж составит только 0,84 Дж/см3. Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения экономии электроэнергии. В приведенных данных не учитывалась энергия, идущая на образование вновь появившихся трещин, кинетику разлета кусков, нагрев, шум и др.

При ударном пошаговом разрушении существуют оптимальные параметры шаговой толщины разрушаемого слоя (рис. 1), при которых энергоемкость процесса будет минимальной.

Хартман (1963 г.) Синг и Джоносон (1965 г.) для ударной отбойка пород в монолите дают следующую формулу, связывающую объем V разрушаемых в монолите пород с энергией удара Е:

V & Е12

расчеты по которой дают завышенные значения. Так, например, при энергии удара Е = 10б Дж объем разрушенной породы за цикл согласно расчетам составит

V & 15 м3

Существовавшие до настоящего времени ударные установки, состоявшие из ударника (бойка) и инструмента, имеют ограниче-

Рис. 2. Схема гидромолота метательного типа с газобаллонной пружиной и гильотинным рабочим органом

ния по скорости соударения (1215 м/с) этих деталей, что ограничивало их энергию удара (6000-9000 Дж). Однако этот существенный недостаток устраняется в конструкции ударных установок метательного типа, где ударник (боек) является одновременно и рабочим инструментом.

В Московском го-

ном открытом университете (МГОУ) разработан один из риантов конструкции, создан и испытан макетный образец ударной машины такого типа (рис. 2), у которой ударник является новременно и инструментом, а роль пружины (аккумулятора энергии) играет наполненная воздухом силовая оболочка из

резинокорда, стью герметичная и коррозионностойкая. Гидроцилиндры ставят ударник в исходное положение, сжимая воздушную пружину, и возвращают свои штоки. Удержание ударника в исходном предударном положении осуществляет специальной конструкции упор, срабатывающий:

• от концевого включателя,

• по команде оператора,

• в автоматическом режиме.

При такой конструкции ударник

жет быть выполнен любой формы, в том числе в виде плоского широкого ножа, кольца, прямоугольника и т.п.

С точки зрения повышения эффективности процесса разрушения горных пород, мерзлых грунтов, льда и т.п. наибольший интерес представляют ножи гильотинного типа в форме широкого лезвия, при котором, как показывают эксперименты, существенно увеличивается производительность

цесса разрушения среды за счет предварительного в процессе движения ножа формирования в среде «балок» шириной. В (рис. 1) и значительной длины, момент сопротивления которых невелик, и они затем легко ломаются дряющиеся инструментом при минимальных затратах энергии.

Установка по схеме (рис. 2) может быть создана на энергию, например, 1 млн. Дж и более. В

этом случае ее габариты по длине не превышают 3,5 м, а по ширине ножа - 1,5 м. При таких высоких энергиях удара и пошаговой схеме разрушения забоя, возможно создание технологии разрушения пород без применения буровых и взрывных работ, т.е. экологически чистым способом.

Так как давление в воздушной пружине можно непрерывно регулировать, то тем самым можно регулировать и энергию удара, что важно иметь при изменяющихся свойствах разрушаемой среды. Установка работает при любом положении в пространстве.

Разработано техническое задание на создание гидропневмомолота с энергией удара 10б Дж для разрушения пород. Ширина билы принята 1500 мм, толщина ее - 100 мм. Возможна компоновка нескольких приводов таким образом, что установка позволит согласно расчетам проходить по крепким породам без применения взрыва подземные выработки диаметром, например, 3500 мм.

Проработаны технические предложения установок для послойного безвзрывного разрушения пород на открытых разработках. В конструкциях установок предусмотрено использование серийно выпускаемых гидравлических и пневматических узлов (насосы, гидроцилиндры, блоки управления и др.).

В заключение следует отметить, что спроектированный и изготовленный макетный образец импульсного привода по рассмотренной выше схеме прошел стендовые испытания и подтвердил правильность заложенных в ней идей.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Красников ЮД, Бурляев А.В. — Московский государственный открытый университет.