Создание технологий и оборудования для разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев П.В. Сажин, 2004

УДК 622.35

В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД РАСТЯГИВАЮЩИМИ УСИЛИЯМИ

Семинар № 13

Горные породы с самой различной прочностью на сжатие (стсж) и растяжения (Ор) обладают высокой хрупкостью, что приближенно можно оценивать отношением асж/ор, величина которого в среднем составляет около 10. Также приближенно можно считать, что отношение энергоемкости разрушения при одноосном сжатии (М^) и растяжении (М^) пропорционально (асж/ар)2. Это означает, что Шсж/Шр=100. Отмеченное, не претендуя на точность, хорошо иллюстрирует известное положение: горные породы рациональнее всего разрушать растяжением [1].

Из всех известных способов и технологий разрушения горных пород растяжением наиболее широкое применение получил буровзрывной способ. Его преимущество перед другими состоит в том, что в момент взрыва в буровой скважине происходит резкий скачек давления от выделяемых газов, который способен создавать огромные растягивающие усилия в массиве горных пород. Однако этот способ наряду с неоспоримыми преимуществами имеет ряд серьезных недостатков. Основными, из которых являются: отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду, наведение в массиве горных пород после взрыва большого количества непредсказуемых по направленности микротрещин, высокая стоимость трынчатых нещестн и большой объем требований по технике безопасности. Возни-

Рис. 1. Устройство для разрушения горных пород с комбинированным нагружением инденторов. 1 - направляющий ствол; 2 - камера взвода; 3 -стакан; 4 - шток; 5 - ударник; 6 - курковый фиксатор; 7 - рабочая пружина; 8

- поршень; 9 - удлинители; 10 - инден-торы; 11 - отделяемый блок

кающие от взрыва микротрещины снижают качество и непосредственно влияют на долговечность, получаемой конечной продукции [2].

Поэтому параллельно технологиям использующим энергию взрыва, применяются и совершенствуются другие, например, использующие механические клиновые устройства, расширяющиеся минерально - химические композиции и другие виды, способные создавать не менее эффективные, чем взрывные, породоразрушающие растягивающие усилия.

В этом направлении ведутся работы и в ИГД СО РАН. Теоретические экспериментальные исследования позволили создать новые образцы оборудования избирательного действия, а на основе обобщения опыта применения гидрорасчленения в нефтегазовой промышленности, разработать технологию и оборудование для ориентированного флюидоразрыва (ОФР) прочных горных пород.

Рассмотрим некоторые образцы разработанных устройств избирательного действия и технологию разрушения горных пород использующую флюидоразрыв.

На рис. 1, 2 приведены две разработанные конструкции механических отрывников: устройство для разрушения горных пород с ком-

Рис. 2. Устройство для разруи горных пород отрывом: 1 -

ческий корпус; 2 - поршень; 3 - 'шток; 4 - поршневая полость; 5 - штоковая полоть; 6 - тру^аЛ ^

бинированным нагружением инденторов, и устройство цангового отрыва. В первом устройстве статическое под-жатие инденторов обеспечивает предварительную концентрацию напряжений на стенках скважины. Второе устройство работает по принципу раздвижки цанг в конусообразной части скважины с последующим отрывом объемной части массива.

Устройство для разрушения горных пород с комбинированным нагружением инденторов [3] (рис. 1) состоит из направляющего ствола 1 и камеры взвода 2, внутри которых установлены стакан 3, шток 4, ударник 5, курковый фиксатор 6, рабочая пружина 7 и поршень 8. На концевой части ствола 1 шарнирно закреплены удлинители 9 с инденторами 10, контактирующие с конической частью штока 4.

Устройство работает следующим образом. В камеру взвода 2 подают жидкость под давлением, при этом поршень 8 перемещается, сжимая рабочую пружину 7, которая с противоположной стороны удерживается курковым фиксатором 6. После сжатия рабочей пружины 7, срабатывает курковый фиксатор 6 и ударник 5 бьет по торцу хвостовика штока 4, который конической частью передает импульс силы на инденторы 10. Последние циклично, после каждого удара, внедряются в горную породу и разрушают ее. Пунктиром на рис. 1 показан отделяемый от массива блок 11.

Рабочий цикл отрывника заканчивается после слива из него рабочей жидкости. При этом поршень 8 возвращаются в исходное положение за счет рабочей пружины 7.

Устройство статического (цангового) отрыва, представленное на рис. 2, для разрушения хрупких горных пород отличается от устройства с комбинированным нагружением инденторов как конструктивно, так и принципиальной

схемой работы. При воздействии отрывника такой конструкции на массив, усилие, действующее на него, носит статический характер

[4].

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 с полостью, в которой помещены поршень 2 и шток 3. В корпусе 1 выполнены два отверстия для подвода и слива рабочей жидкости из поршневой 4 и штоковой 5 полостей. На корпусе 1 жестко закреплена труба 6 с утолщением 7 в виде усеченного конуса. Цилиндрический удлинитель 8 держателя 9 охватывает трубу 6 и на забойной части несет упоры 10, прикрепленные к удлинителю 8 упругими элементами 11, которые прижимают упоры 10 к конической части трубы 6. Между корпусом 1 и держателем 9 установлена пружина 12.

Устройство цангового (статического) отрыва работает следующим образом. В штоковую полость 5 от гидронасоса подают рабочую жидкость, при этом поршень 2 перемещается в крайнее правое положение. Затем, преодолевая сопротивление пружины 12, вручную надвигают держатель 9 на корпус 1 и вводят устройство в шпур (скважину) до упора торца штока 3 в забой шпура, имеющего заранее выполненную, специальным инструментом, конусообразную камеру 14. Удерживая устройство статического отрыва в этом положении, отпускают держатель 9 и, под действием пружины 12 удлинитель 8 надвигает упоры 10 на коническое утолщение 7, охватывая его под действием упругих элементов 11. Затем поршневую полость

4 соединяют с напорной линией. Так как шток 3 упирается в забой шпура, то происходит перемещение корпуса 1 вправо. Возникает осевое усилие, передаваемое через утолщение 7 и упоры 10 горному массиву с последующим отделением от него объемного блока 13.

Различия в способе воздействия отрывни-ков на горный массив обуславливают область их применения. Отрывники первого типа можно применять для разрушения высокопрочных хрупких пород, а отрывники второго типа, имеющие большой захват цанговыми устройствами лучше применять для разрушения менее хрупких или пород с четко выраженной слоистой структурой.

Однако у конструкции отрывников, описанных выше есть один общий недостаток. Рабочий цикл таких отрывников является дискретным, поэтому их производительность от-

Рис. 3. Бурение шпура. 1 - буровой станок БЖ; 2 -скважина; 3 - буровой став; 4 - фонарь; 5 -буровая коронка

носительно невелика.

Таким образом, отрывники целесообразно применять в случаях, когда объем выполняемых работ не является основным показателем, например, при добыче редкоземельных полезных ископаемых, которые под воздействием взрывных работ могут терять свои природные качества, во время проведения горноспасательных работ для разбора завалов из негабаритов (породных блоков) и железобетонных конструкций, и т. д.

Наиболее технологичным и эффективным способом разрушения прочных горных пород и каменных блоков является метод ориентированного флюидоразрыва (ОФР), разработанный под руководством проф. О.И. Чернова. Этот метод позволяет, в отличие от отрывников, создавать в массиве значительно большие растягивающие усилия, а, следовательно, увеличивать объем отделяемых блоков.

Внедрение теоретически обоснованной новой технологии разрушения монолитных прочных горных пород стало возможным благодаря разработке и изготовлению специального оборудования - щелеобразователя и герметизатора, о которых будет сказано ниже.

Первые эксперименты практического применения метода направленного гидроразрыва (НГР) были проведены на шахтах Кузбасса для разупрочнения труднообрушаемых кровель угольных пластов. Последовательность выполняемых рабочих операций разупрочнения кровель показана на рис. 3, 4 и 5.

Первая операция - бурение скважин. Бурение скважины 2 диаметром 45 мм производилось станком 1 типа БЖ (рис. 3) с использованием стандартной буровой коронки 5, у которой режущие кромки разводились до диаметра 45-46 мм. Для сглаживания, образующихся на стенках скважины 2 выступов во время бурения, за коронкой устанавливался фонарь 4 (разработки ИГД СО РАН). Глубина скважин составляла от 4 до 6 метров, и определялась исходя из горногеологических условий и ряда других факторов (угол падения пласта, направленность естественной трещиноватости массива и

Рис. 4. Нарезание инициирующей щели: 1 - буровой станок БЖ; 2 - скважина; 3 - буровой став; 4 - щелеобразователь ЩМ - 45М; 5 - инициирующая щель

Т. Д.).

ттшшш

Рис. 5. Герметизация инициирующей щели и подготовка к НГР: 1 - насосная станция; 2 - самописец давления; 3 - расходомер; 4 - манометр; 5 - жесткий трубопровод; 6 - герметизатор (пакер); 7 - инициирующая щель

После бурения, буровой став 3, демонтировался и на место фонаря 4 и коронки 5 (рис. 3) навинчивался щелеобразователь 4 (рис. 4). Вновь монтируя и наращивая буровой став 3, щелеобразователь 4 досылался до забоя скважины. Затем при обильной подаче воды в забойную часть скважины включали вращение става 3 и минимальную осевую подачу. При осевой подаче става из щелеобразователя радиально выдвигались ножи, нарезающие в породном массиве объемную инициирующую щель 5 (ИЩ) в виде диска с острым углублением на переферии (концентратор напряжения).

Кгерметизируемои скважины, мм

:о уплотняющих элементов, шт. уплотняющих элементов диаметр уплотняющих элементов, мм подпора Рпод., МПа

до 50

420.. .450 2

полеуретан

44

5

;__" ' : ' «

Перед проведением НГР буровое оборудование полностью демонтировалось и перемещалось на новое место работы.

В подготовленную скважину вводился герметизатор 6 (рис. 5) на глубину максимального сближения его головной части с инициирующей щелью 7. Операция осуществлялась с помощью закрепленного на герметизаторе жесткого трубопровода 5, к наружному концу которого подсоединялись гибкими рукавами высокого давления насосная установка 1, приборы контроля и записи: самописец давления 2, расходомер 3 и визуальный манометр 4.

Как было сказано выше, технология НГР базируется на спецоборудовании в состав, которого входят: щелеобразователь и герметизатор (пакер). Во время проведения шахтных экспериментов применялись два типа пакеров: “Таурус” и уравновешенный герметизатор разработки ИГД СО РАН. Первый хорошо зарекомендовал себя при проведении НГР в горных массивах прочностью ниже 6 ед. по шкале Продъяконова.

“Таурус” - это рукав высокого давления с наружным диаметром 42 мм и длинной 150 см, имеющий внутреннюю металлическую оплетку. В его головной части установлен подпорный клапан. Рабочее давление этого пакера Рраб~ 25 МПа. Герметизаторы типа “Таурус” применялись для НГР на шахте “Распадская”. На других шахтах, где прочность пород была выше 6 ед. по шкале Протодъяконова, применение такого пакера стало невозможным, так как давление, необходимое для развития инициирующей щели, превышало предел его проч-

Рис. 6. Уравновешенный герметизатор: а - общий вид; б - с истечением флюида

ности. В таких породах использовался уравновешенный герметизатор (разработки ИГД СО РАН), внешний вид, которого представлен на рис. 6, а его технические характеристики в табл. 1.

Другим специализированным инструментом необходимым для осуществления НГР, является щелеобразователь. В настоящее время разработано несколько конструкций этого инструмента. Характеристики трех из них представлены в табл. 2 [5].

От геометрии инициирующей щели (ИЩ), а именно отношения диаметра ИЩ, нарезаемой щелеобразователем, к диаметру скважины (шпура), во многом зависит величина давления (“давление страгивания”), необходимого для начала развития трещины НГР. Поэтому из представленных в табл. 2 инструментов наиболее предпочтителен ЩМ - 45М. Общий вид

щелеобразователя представлен на рис. 7.

Условия проведения и основные параметры, установленные в период проведения экспериментальных работ на шахтах по разупрочнению кровель методом НГР представлены в табл. 3 [5].

Область применения метода ОФР не ограничивается только лишь разупрочнением труд-нообрушаемой кровли при подземной разработке полезных ископаемых. Этот метод хорошо зарекомендовал себя в экспериментах по расколу негабаритных каменных блоков, которые проводились ИГД СО РАН совместно с Дрезденским политехническим университетом (Германия).

Рис. 7. Щелеобразователь ЩМ - 45М

В ходе экспериментов было установлено, что наличие в каменных блоках естественной микротрещиноватости может существенно влиять на направление развития в них трещины гидроразрыва в независимости от ориентации плоскости нарезанной ИЩ. Это объясняется тем, что маловязкие жидкости (вода, керосин, масло и т. д.) под давлением проникают в естественные микротрещины, создают в них растягивающие усилия и как результат - происходит гидрорасчленение каменного блока в направлении его естественного наименьшего сопротивления.

Для минимизации влияния микротрещин на процесс ОФР был экспериментально подобран флюид, вязкость которого исключала его проникновение в микротрещины камня. Такой раствор был изготовлен из бентонитовой глины и воды в соотношении 1:2.

Известные высоконапорные насосы (Рраб. ~ 60 МПа) не способны работать на таких рас-

Рис. 8. Общий вид мультипликатора

творах. Поэтому для подачи высоковязких флюидов в полость ИЩ был создан не имеющий аналогов мультипликатор цикличного действия, общий вид которого показан на рис.

8.

Работу мультипликатора обеспечивал вспомогательный насос. Его технические характеристики:

тип рабочей жидкости - паспрортный; производительность, Q, л/мин - 4-10; рабочее давление Рра6., МПа - 20-40.

Рабочая жидкость непосредственно не контактирует с флюидом.

Давление флюида на выходе мультипликатора определяется по формуле:

Рф = Ре • Км , (1)

где Рф - давление флюида, Рв - давление воды, подающейся в мультипликатор, Км -

коэффициент мультипликации.

Величину давления, необходимого для развития

Таблица 2

Характеристика

Тип

ЩП - 42

ЩВ - 59

ЩМ - 45М

Диаметр шпура или скважины d, мм Диаметр инициирующей щели D, мм Отношение D/d

Количество режущих ножей, шт. Частота вращения,об/мин

- при твердосплавных режущих инструментах

- при алмазных режущих инструментах

Промывочная жидкость Масса, кг

42.. .45

S0

1,90.1,78

1

100.200

59...б1

10S

1,83.1,77

2

100.200

45.4б

132

2,87.2,93

2

100.200

300

^б00 9. ^

Компресс водвганга, і 5 ^ерметиз:

эр, 2 - 'йб^пй, 'З - буро - щелеобрШтатель, б ітор, S - кабі2нньш блок

'витального 06jmyd0G0nun. 1 -

іой стано°; "4 - съемная - мультіВЇЩкатор, 7 -1,5

Рис. 10. Расколы камня: а -

ный раскол негабарита

щели в горной породе можно определить,

используя следующую формулу [6]:

лЕу

2(1 -о2 )я _

1/2

осНЛШои ли -

Механизированная крепь 4М130 1-

п®и][>ртш1Щ(йиещрщм,ькНЛ2 720 -

Высота заложения щели, м 6.5 4.5 7 7

Максимальное давление жидкости при разрыве пород, МПа 12.5 27.5 23 31.5

Рабочее давление нагнетания жидкости, МПа 4.5 13.5 14 12.5

Время до начала разрыва, Ть с 10.8 8 8 6

Продолжительность разрыва, Т2, с 52 60 60 20

Зафиксированный радиус распространения жидкости, м 15 - - -

Темп нагнетания, Р/с 1.17-10'3 1-10'3

(2)

где Е, у, и -

механические характеристики породы,

соответственно: модуль упругости (МПа),

плотность поверхностной энергии (Дж/м2), коэффициент Пуассона; Я - радиус щели (м). Для подавляющего большинства горных пород значение коэффициента V изменяется от 0,2 до 0,3. В этом случае член

1

- = 1,02 -1,05 и 1'

Тогда

(1 -и2)

Рф = (яЕГ/2Л)1/2.

Помимо мультипликатора при расколе каменных блоков использовались: щелеобразова-тель, пакер, характеристики которых были рассмотрены ранее; контрольно - измерительная аппаратура; вспомогательное оборудование. Весь комплект оборудования, необходимый для ОФР каменных блоков представлен на рис.

9.

Лабораторные эксперименты и опытно -промышленное опробирование метода ОФР применительно к камнедобывающей отрасли проведены ИГД СО РАН совместно с Дрезденским политехническим университетом в 2002 году.

Метод ОФР был испытан в лабораторных условиях на 20 подготовленных образцах блочного камня и нескольких негабаритных камнях предоставленных на действующем каменном карьере.

На фотографии (рис. 10а) наглядно продемонстрирован поперечный раскол одного из образцов блочного камня методом ОФР, полученный во время лабораторного эксперимента. На нем хорошо виден исходный контур нарезанной ИЩ (поз. 1), заполненный

внутри флюидом 2 и образовавшаяся полость поперечного раскола 3.

На фотографии (рис. 106) представлен

карьерный негабаритный камень, расколотый вдоль оси скважины по плоскости 1.

Выводы по результатам исследований:

- все подготовленные лабораторные блоки и негабаритные каменные блоки на карьере были разрушены в заданных плоскостях, а сами плоскости раскрытия (разрыва) имели ровную поверхность без резких сколов;

- процесс страгивания инициирующей щели носит динамический характер;

- максимальный пик давления (~60 МПа) достигается в момент страгивания инициирующей щели, а дальнейшее раскрытие щели происходит плавно без скачков давления флюида и не превышает 20 МПа;

- скорость нагнетания флюида в пределах от 1 до 5 л/мин не влияет на интенсификацию начального страгивания щели (искусственной или естественной);

1. Мацко А.А., Михайлов В.Т. Разрушение монолитных объектов скважинным клиновым устройством. Сборник трудов “Управление горным давлением в комплексно - механизированных забоях”. - Новосибирск, 1989, вып.47.

2. Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Результаты опытно - промышленного испытания оборудования на каменных блоках. Сборник трудов “Динамика и прочность машин”, том 1. - Новосибирск, 2003.

- на выбор флюида влияют гидроскопич-ность и естественная трещиноватость каменных блоков;

- силовым процессом и процессом направленности плоскости формирования раскола можно управлять, изменением параметров нарезаемой инициирующей щели и углом ее нарезания к оси скважины. Установлено, что соотношение между площадью инициирующей щели и сечением скважины, заключенного между уплотняющими элементами пакера должно быть не менее 2:1;

- расчетные параметры, спроектированного и изготовленного в ИГД СО РАН комплекса оборудования для шпуров диаметром от 43 до 48 мм, подтверждены эксперемен-тальными результатами.

Эксперименты проведенные в шахтах и на каменных блоках, совместно с Дрезденским политехническим университетом, доказали высокие потенциальные возможности применения метода ОФР во многих отраслях горной промышленности.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. А.С. №259010 СССР “Устройство для разрушения горных пород отрывом их от массива”.

4. А.С. №799547 СССР “Устройство для отрыва блока пород от массива”.

5. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения. - Новосибирск, 2002.

6. Чернов О.И., Кю Н.Г. “О флюидоразрыве породных массивов”// ФТПРПИ. - 1988. - №6. - С. 81 - 92.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------

Клишин В.И. - доктор технических наук, зав. лабораторией подземной разработки угольных месторождений, Леконцев Ю.М. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,

Сажин П.В. - аспирант,

ИГД СО РАН

© А.А. Леонтьев, В.Г. Едигарьев,