CC BY
103
© В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, А.В. Новик, 2002
УДК 622.23
В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, А.В. Новик
СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НЕВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД РАСТЯГИВАЮЩИМИ УСИЛИЯМИ
аІНуЩение твердых горных пород может осуществляться риЛИчными способами приложения нагрузок: сжатие;
сдвиг; растяжение; изгиб; кручение. Горные породы с различной прочностью на сжатие ^сж) и растяжение ^р) обладают высокой хрупкостью, что приближенно можно оценивать отношением Gсж/Gр , величина которого в среднем равна 10. Также приближенно можно считать, что отношение энергоемкости разрушения при одноосном сжатии ^сж) и растяжении ^р) пропорционально ^сж^р)2. Это означает, что Wсж/Wр «100. Отмеченное, не претендуя на точность, хорошо иллюстрирует известное положение - горные породы целесообразно разрушать растяжением. Поэтому способы разрушения горных пород растягивающими усилиями, наименее энергоемки и наиболее эффективны.
Существует несколько способов, реализующих разрушение горных пород растягивающими усилиями [1]: буровзрывные; механические; НРС.
Буровзрывной способ. Буровзрывные способы применяются на практике в 60-70% случаев. Это один из энергоемких способов, является трудно управляемым особенно при получении единичных направленных трещин. Управление ориентацией трещин затруднено из-за большой скорости протекания процесса. Применительно к добыче блочного камня из прочных пород - это низкий выход готовой продукции (20-30%); большой объем буровых работ; специальные условия транспортирования и хранения взрывчатых веществ; наведенная техногенная трещиноватость, снижающая качество и срока службы конечного продукта.
Механические способы. В настоящее время известно большое количество технических предложений по созданию исполнительных органов горных машин, реализующих в массиве растягивающие напряжения за счет приложения усилий отрыва или скола на свободную поверхность. Эти устройства можно условно разделить на две группы: шпуровые (специальные отрывники, гидроклинья) и резцовощелевые. Отметим общие недостатки данных устройств -требуется бурение большого количества шпуров (шаг 150300 мм), что приводит к увеличению времени на вспомогательные работы; усилия отрыва ограничены конструктивными особенностями; распорные усилия прикладываются в верхней части шпуров, что не позволяет применять их для откола горного массива большой высоты, а это в свою очередь, снижает производительность и выход готовой продукции; сложность получения постельных трещин, особенно с увеличением глубины разработки; в случае применения для прочных и абразивных пород происходит большой износ породоразрушающего инструмента, резко падает производительность разрушения одновременно с ростом удельных энергозатрат;
Невзрывные расширяющиеся вещества (НРС). Они получили широкое применение на горных предприятиях небольшой производственной мощности, и на карьерах в отдаленных районах, где затруднено энергоснабжение. К их недостаткам следует отнести: длительный технологиче-
ский цикл; ограниченный температурный интервал работы (+5 0С - +25 0С); специальные условия хранения; большой объем буровых работ; сложность получения поперечных трещин.
В ИГД СО РАН предложен и разработан новый способ разрушения крепких горных, а также средства для его реализации [2, 3]. Способ, получивший название ориентированный флюидоразрыв (ОФР), имеет широкие возможности, а именно: создание огромных растягивающих напряжений в породном массиве в заданном направлении; низкая энергоемкость разрушения; безопасность; экологическая чистота; сокращение объема буровых работ; повышение выхода и качества готовой продукции. В настоящее время он применяется в нефтегазовой промышленности для повышения дебита скважин, а также в угольных шахтах для управления труднообрушаемой кровлей и дегазации угольных пластов.
Для практической реализации данного метода необходимо как типовое оборудование (буровой станок или перфоратор, насосная станция), так и специальное, например продольный или поперечный щелеобразователи, герметизатор (пакер), устройства для подачи вязких жидкостей под высоким давлением. Кроме того, в зависимости от прочностных свойств и естественной трещиноватости горного массива требуется использование специальных рабочих жидкостей (флюидов) различной степени вязкости.
С целью изучения режимов работы отдельных узлов оборудования, обоснования их режимных параметров, а также оценки влияния различных факторов на развитие искусственных зародышевых щелей были продолжены эксперименты с использованием следующего оборудования:
• сверлильный станок - для бурения шпуров и нарезки инициирующих щелей;
• насос в комплекте с компрессором (в насосе давление воздуха преобразуется в давление воды);
• смеситель - для приготовления вязких жидкостей;
• измерительная аппаратура - датчики давления; амперметр;
• щелеобразователь ЩМ-45М;
• уравновешенный пакер и мультипликатор с коэффициентом мультипликации 1,8;
• экспериментальные блоки из песчаника крепостью 7-8 по шкале проф. Прододьяконова прямоугольной формы (350x350x1000) с предварительно обработанными поверхностями и сквозными центральными отверстиями диаметром 45-46 мм.
В качестве рабочей жидкости (флюида) использовалась смесь воды и глины различной консистенции.
Щелеобразовател ЩМ-45М предназначен для нарезки инициирующих щелей на стенках скважин и шпуров. Наибольшее развитие получил механический принцип, использующий щелеобразователи с различными конструктивными
особенностями. На рис. 1. представлен один из вариантов механического щелеобразователя получивший название ЩМ-45М.
Техническая характеристика
Диаметр шпура или скважины ё, мм 45.. .46
Диаметр инициирующей щели 8, мм 104
Отношение ^8 2,3.2,26
Количество режущих инструментов, шт 2
Частота вращении, об/мин при твердосплавных режущих элементах 100.200 при алмазных режущих элементах 300.600
Промывочная жидкость
при твердосплавных режущих элементах Вода, воздух при алмазных режущих инструментах Вода
Масса, кг 1,5
Пакер предназначен для герметизации инициирующей щели в шпуре. В зависимости от назначения конструкции пакеры разрабатывают для нефтегазовых пластов, для разрушения и дегазации угольных пластов и кровли, для добычи каменных блоков. По конструктивному исполнению делятся на неуравновешенные (рабочее давление до 25,0 Н/м2) и уравновешенные (рабочее давление свыше 25,0 Н/м2). На рис. 2. показан общий вид уравновешенного пакера для герметизации участка скважины с целью последующего гидроразрыва. Он имеет корпус 1, на котором разме-
щены два уплотнения А и Б. Хвостовая часть 2 пакера соединяется через пустотелые металлические штанги бурового става или жесткого трубопровода с напорной магистралью. С помощью этих же металлических штанг пакер вводят и перемещают вдоль скважины, где предварительно нарезаны инициирующие щели. Когда инициирующая щель оказывается между уплотнениями А и Б в центральное отверстие трубопровода подают флюид под давлением 20-45 Мпа. Давление жидкости распирает уплотнения А и Б между стенками и герметизирует инициирующую щель с обеих сторон. После этого флюид проходит через отверстие 3 пакера в инициирующую дисковую щель, которая способствует созданию высоких концентраций напряжений на периферии щели и тем самым обеспечивает направленный гидроразрыв угольного или породного массива.
Техническая характеристика пакера Диаметр герметизируемой скважины или шпура -
44-50 мм;
Максимальное рабочее давление - 60 МПа;
Минимальное расстояние между уплотнениями - 30 мм;
Вес - 2 кг.
В экспериментальном блоке нарезалась инициирующая щель сверлильном станком. Затем в отверстие устанавливался пакер (рис. 3.) подключенный посредством рукавов высокого давления к мультипликатору и насосу. После этого производилось нагнетание рабочей жидкости в загерметизированный участок шпура. По достижении критических значений давления происходит разрыв горной породы.
В ходе лабораторных экспериментов критическое давление разрыва колебалось в пределах (22,0 - 24,0 Н/м2) на входе в мультипликатор, на выходе из мультипликатора составило (39,6^3,2 Н/м2), с учетом коэффициента мультипликации 1,8.
По результатам лабораторных экспериментов обоснованы параметры средств разрушения горных пород и работа устройств.
Выводы:
1. Основные узлы всего комплекта задействованного оборудования показали высокую работоспособность и надежность.
2. Энергоемкость разрушения пород методом ОФР в 2-3 раза ниже расчетного механического.
3. Для повышения эффективности ОФР и использования его на карьерах для добычи блочного камня необходимо:
а) увеличение диаметра инициирующей щели;
б) повысить давление флюида подаваемого в пакер для распора (80 - 100 МПа) ;
в) продолжить изучения влияния кинематической и динамической вязкости флюида на развитие искусственной трещины в массиве горных пород.
Рис. 1. Щелеобразователь ЩМ-45М 1 - корпус; 2 - копир; 3 - упор; 4 -корпус вилки; 5 - ось; 6 - режущие органы; 7 - пружина; 8 - упорное кольцо;9 - стопорное
Рис. 3. Схема оборудования для ориентированного разрыва. 1 - компрессор; 2 - насос; 3 - манометр; 4 - повыситель давления (мультипликатор); 5 - питатель вязкого флюида; 7 - пакер; 8 - инициирующая щель; 9 - плоскость отрыва; 10 - блок горной породы
1. Казарян Ж.А. Природный камень: добыча, обработка, применение. Справочник. - Москва ''ГК Гранит '', ''Петракомкомплект'' 1998 г.
2. Чернов О.И. Гидродинамическая стратификация монолитных прочных пород в качестве управления трудно обрушаю-
щейся кровлей. - ФТПРПИ, 1983, №2, С.18-23.
3. Чернов О.И. Клишин В.И. Нетрадиционные способы и средства разрушения горных пород растягивающими усилиями. СБ. ''Механика горных пород. Горное и строительное машиностроение. Технология
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
горных работ''. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 1993. - С. 116-119.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------
Клишин Владимир Иванович - доктор технических наук, зам. директора по научной работе. Леконцев Юрий Михайлович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник.
Новик Алексей Владимирович - аспирант.
Институт горного дела СО РАН г. Новосибирск.
