способ разрушения горных пород

Формула изобретения

Способ разрушения горных пород взаимодействием в скважине криогенной жидкости - азота с водой в режиме физического взрыва, согласно которому в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве, выбрасывают нагретую воду, отличающийся тем, что ствол артиллерийского орудия, который перекрывают мембраной, закрепленной у дульного среза, заполняют нагретой водой в количестве, в совокупности с энтальпией пороховых газов необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости в газ, ствол опускают в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при выстреле и физическом взрыве, и, разрушая выстрелом мембрану, выбрасывают в скважину нагретую воду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для разрушения горных пород при открытой разработке полезных ископаемых.

Известно разрушение горных пород взаимодействием в скважине воды с криогенной жидкостью - азотом в режиме физического взрыва. Давлением сжатого воздуха подают из бака высокоскоростной поток нагретой воды, пропуская его через ствол артиллерийского орудия, дульную часть которого опускают в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при физическом взрыве [1].

Недостатки прототипа: вертикальная компановка бака над артиллерийским стволом с возможностью совместного движения бака и ствола при откате, необходимость компрессора сжатого воздуха и синхронного дистанционного открытия клапанов на коммуникации сжатого воздуха, шибера на патрубке горячей воды и орудийного затвора и их закрытия после выброса воды усложняют конструкцию оборудования и его эксплуатацию.

Технической задачей изобретения является упрощение оборудования, конверсионное использование пороховых артиллерийских зарядов и повышение эффективности разрушения за счет энтальпии пороховых газов.

Для достижения поставленной цели ствол артиллерийского орудия, который перекрывают мембраной, закрепленной у дульного среза, заполняют нагретой водой в количестве, в совокупности с энтальпией пороховых газов, необходимом и достаточном для полного превращения криогенной жидкости в газ, ствол опускают в скважину на глубину, превышающую длину отката ствола при выстреле и физическом взрыве и, разрушая выстрелом мембрану, выбрасывают в скважину нагретую воду.

Схема способа представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - ствол артиллерийского орудия, 2 - казенник, 3 - затвор, 4 - заряд пороха, 5 - ломающаяся мембрана, 6 - патрубок, скрепленный с дульным срезом шлицевым соединением, 7 - скважина.

Тормоз отката, накатник, люлька и система крепления ствола в вертикальном положении с возможностью поворотов при ведении взрывных работ наклонными скважинами, на чертеже не представлены,

Артиллерийские установки калибром 240-280 мм характеризуются большой массой, затрудняющей их компановку в виде навесного оборудования. Их следует размещать на опоре, используя ходовую часть той же артиллерийской системы с реконструкцией лафета из-за вертикальной ориентации ствола, которая потребует дополнительных наклонных опор, концами закрепляемых в грунте.

Бак для жидкого азота, снабженный экранно-вакуумной изоляцией, устанавливают на поворотном механизме, закрепленном на вертикальной опоре, удерживающей ствол, или на отдельной опоре. На сливной трубе бака шаровой затвор с дистанционным управлением (Быков А.Ф. Быстродействующие клапаны с шаровым затвором. "Конверсия в машиностроении", 1994, N 4. - С. 49).

Компановка описанного оборудования соединена со средством ее перемещения жесткой связью, позволяющей устанавливать артиллерийский ствол над скважиной взрываемого блока с надежным удалением средства передвижения от бровки уступа.

Для дистанционного управления выстрелом применяют электрические спусковые механизмы, предпочтительно электромагнитные, так как последние не требует существенных конструктивных изменений затвора и капсюльной втулки (Орлов Б. В., Ларман Э.К., Мальков В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. Под ред. Б.В.Орлова. М.: Машиностроение. 1976, - С. 332).

Производительность способа может быть повышена одновременным проведением работ в нескольких, например в трех, скважинах при следующей последовательности операций.

Орудийные стволы транспортируют к месту ведения работ в горизонтальном положении. Над скважинами стволы переводят в вертикальное положение, проверяя надежность ориентации пробными опусканиями стволов в скважины, после чего стволы устанавливают в наклонном положении для прогревания циркуляцией нагретого газа или воды. Температура теплоносителей 95-99^oC.

Ломающиеся мембраны устанавливают между патрубком и дульным срезом, скрепляемыми шлицевым соединением. Стволы ориентируют вертикально над скважинами, заполняют водой, нагретой до 95-99^oC, в казенную часть помещают пороховой заряд, картуз с порохом экранируют со стороны ствола полимерной пленкой и стволы поднимают вверх на высоту, необходимую для размещения над скважиной бака с жидким азотом. Операцию выполняют с тремя стволами.

Из автоцистерны для перевозки криогенных жидкостей заполняют баки азотом. После заполнения всех баков и отъезда автоцистерны баки поворотными механизмами ориентируют над скважинами и одновременно открывают шаровые затворы, после чего дистанционно управляемыми поворотными механизмами баки отводят на 90-120^oC назад, освобождая пространство над скважинами.

Дистанционно управляемыми механизмами опускают артиллерийские стволы в скважины на глубину, превышающую длину отката стволов при выстреле и физическом взрыве, и включают ток для срабатывания электромагнитных спусковых механизмов. После выстрела происходит физический взрыв жидкого азота в скважине.

При проведении следующего цикла разрушения горных пород в заранее пробуренных скважинах прогрев артиллерийских стволов циркуляцией теплоносителей не потребуется.

К ломающимся мембранам предъявляются минимальные требования: в статике нагрузка на мембрану равна давлению столба воды, что позволит применять керамические или пластмассовые мембраны. При выстреле колоссальная импульсная нагрузка гарантирует их разрушение - калибровка мембран, необходимая для их применения в узком диапазоне изменения нагрузок, не требуется.

Пример применения способа. При калибре орудия 240 мм и снятом лейнере канал ствола будет 280 мм длиной 3,6 м - при длине ствола 15 калибров. Объем канала 220 л. При коэффициенте заполнения 0,85 масса нагретой воды 187 кг. Принимая температуру воды перед выбросом из ствола в скважину 90^oC, а после ударного контакта с жидким азотом температуру воды 2^oC, при 10% потерь при тепломассообмене это количество воды испарит 310 кг жидкого азота.

Пороховой заряд массой 25 кг с теплотой сгорания пороха 900 ккал/кг с учетом 15% потерь при тепломассообмене, испарит 400 кг азота. Всего при физическом взрыве будет превращено в газ 710 кг жидкого азота с образованием объема 568 м³ газа при нормальных условиях.

При толщине стенки ствола у дульного среза 25 мм внешний диаметр артиллерийского ствола 330 мм. Кольцевой зазор между стволом и стенками скважины 5-10 мм. Диаметр скважины должен быть 340-350 мм - скважины бурят под стволы орудий имеющихся калибров.

Стоимость килограмма жидкого азота эквивалентна стоимости одного киловатчаса, что дешевле стоимости взрывчатых веществ местного изготовления простейшего состава на основе аммиачной селитры с горючими. Используются пороховые заряды картузного снаряжения с получением полезной работы разрушения.

Наряду с азотом может быть применен эквивалент - жидкий воздух, что позволит упростить оборудование для получения криогенной жидкости в передвижных установках, что особенно важно при ведении взрывных работ вдали от индустриальных центров, поставляющих жидкий азот.

Выброс нагретой воды выстрелом из пушки создает практически мгновенный ударный контакт двух жидкостей, что является оптимальным условием для эффективного развития физического взрыва с формированием ударных волн.

Отвод артиллерийского орудия способствует работе разрушения среды поршневым давлением газа, удерживаемого в скважине до полного разрушения массива, так как в отличие от общепринятой забойки ствол из скважины не выбрасывается.

Литература

1. Патент РФ 2026989, кл. E 21 C 37/00, 1995.