агрегат для разработки подземных формаций

Формула изобретения

1. АГРЕГАТ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПОДЗЕМНЫХ ФОРМАЦИЙ, включающий соосно установленные центральную и внешнюю колонны, верхние торцевые части которых соединены с вращателями, а нижние с породоразрушающим инструментом, отличающийся тем, что агрегат снабжен дополнительным породоразрушающим инструментом для калибровки стенок выемочной камеры и выпуска замаганизированного полезного ископаемого, основной породоразрушающий инструмент выполнен в виде кольцевого цилиндра, образующая поверхность которого оснащена армированными твердым сплавом выступами, а основания выполнены наклонными, установленного на внешней колонне, при этом дополнительный породоразрушающий инструмент выполнен в виде размещенного на центральной колонне колеса, нижние торцы спиц которого имеют упорные элементы, обод выполнен с наклонными основаниями, а внешняя поверхность и наклонные основания обода армированы твердым сплавом.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что диаметры основного и дополнительного породоразрушающих инструментов равны между собой, при этом инструменты установлены с возможностью совместного или раздельного вращения с различными угловыми скоростями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть эффективно использовано для разработки алмазоносных месторождений, крутопадающих угольных пластов, залегающих в сложных горно-геологических условиях.

Известен скважинный гидромониторный агрегат, включающий гидромониторную и пульповыдачную колонны, а также буровой став, снабженный породоразрушающим инструментом, установленный с возможностью вращения в одной из колонн [1]

Недостатком агрегата является ограниченная область его использования, связанная с невозможностью разрушения крепких горных пород гидромониторными струями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидромониторный агрегат, включающий соосно расположенные центральную и внешнюю колонны, верхние торцевые части которых соединены с вращателями, а нижние торцы колонн снабжены породоразрушающими инструментами [2]

Известный агрегат характеризуется сложным конструктивным использованием и, как следствие, значительной металлоемкостью вследствие использования механического и гидравлического породоразрушающих инструментов. Управление работой такого агрегата затруднено. Кроме того, при использовании агрегата будут возникать значительные потери полезных компонентов высокой плотности в опережающей скважине. Использование агрегата ограничено крепостью полезных ископаемых, подлежащих добыче.

В основу изобретения поставлена задача создать агрегат для разработки подземных формаций с высокой эффективностью промышленного использования за счет снижения потерь полезных компонентов, упрощения конструктивного исполнения агрегата, а также расширения области его применения.

Поставленная задача решается тем, что агрегат для разработки подземных формаций включает соосно расположенные центральную и внешнюю колонны, верхние торцевые части которых соединены с вращателями, а нижние торцы колонн снабжены породоразрушающими инструментами.

Породоразрушающий инструмент для проходки выемочных камер установлен на внешней колонне и выполнен в виде кольцевого цилиндра с наклонными основаниями, внешняя боковая поверхность которого снабжена секторными пазами. Наклонные основания и боковая поверхность кольцевого цилиндра в промежутках между пазами армированы режущими твердосплавными элементами.

Породоразрушающий инструмент для калибровки стенок выемочных камер и выпуска замагазинированного разрушенного полезного ископаемого установлен на центральной колонне и выполнен в виде колеса с вертикальной осью вращения, снабженного ступицей, ободом и спицами, нижние торцы которых снабжены упорными элементами. Наклонные основания обода и его внешняя боковая поверхность армированы режущими твердосплавными элементами.

Диаметры породоразрушающих инструментов для проходки выемочных камер, а также калибровки их стенок и выпуска замаганизированного разрушенного полезного ископаемого равны между собой. Породоразрушающие инструменты установлены с возможностью совместного и раздельного вращения в выемочной камере с различными угловыми скоростями.

Снабжение агрегата породоразрушающим инструментом для калибровки стенок выемочных камер и выпуска замагазинированного разрушенного полезного ископаемого необходимого для реализации двух главных задач.

Во-первых, при создании выемочных камер значительной высоты и магазинирования в их очистных пространствах разрушенного полезного ископаемого, предупреждает развитие горного давления, что сопряжено с вывалами их стенок в виде призм сползания. Полезное ископаемое, сложенное, например, глинами при значительной высоте выемочной камеры будет слеживаться и зависать при выпуске. Обрушение зависшего разрушенного полезного ископаемого производят породоразрушающим инструментом при вращении и подъеме центральной колонны на повышенных оборотах.

Во-вторых, при создании выемочных камер в глинах происходит деформация их стенок в сторону очистного пространства, при этом диаметр выемочной камеры будет меньше диаметра породоразрушащего инструмента, установленного на внешней колонне. Таким образом, при его спуске возникает необходимость разбуривания стенок выемочной камеры, что приводит к ее искривлению. Искривление выемочной камеры сопряжено со значительными потерями полезного ископаемого в междукамерных целиках и разубоживанию закладочным материалом из смежных камер разрушенного полезного ископаемого.

Породоразрушающий инструмент, расположенный на центральной колонне при его подъеме и вращении на повышенных оборотах, позволит произвести калибровку стенок выемочных камер без их искривления. Это позволяет выполнить спуски породоразрушающего инструмента, закрепленного на внешней колонне, в горную выработку для его демонтажа.

Породоразрушающим инструментом в процессе калибровки стенок выемочных камер и ликвидации зависаний производят дробление разрушенного полезного ископаемого, что значительно снижает затраты на его обогащение. Снабжение породоразрушающего инструмента пазами позволяет выпускать разрушенное полезное ископаемое из забоя камеры в ее очистное пространство, предупреждая тем самым дробление высвобождаемых полезных компонентов, представленных алмазами.

Снабжение спиц породоразрушающего инструмента упорными элементами позволяет установить его на почве горной выработки неподвижно за счет внедрения последних в породы, тем самым предотвратить его произвольное вращение в случае возникновения продольной деформации колонн, что приведет к соприкосновению внешней колонны с центральной. Последствия такого сопротивления приводят к аварийным ситуациям, связанным с обрывом колонн. Установка колонн с возможностью их совместного и раздельного вращения с различными угловыми скоростями обусловлена следующей необходимостью. Породоразрушающий инструмент, используемый для проходки выемочных камер, должен иметь меньшую угловую скорость вращения, так как площадь поражения забоя равна или незначительно превышает сечение камеры в плане. Породоразрушающий инструмент, используемый для калибровки стенок выемочных камер и обрушения замагазинированного полезного ископаемого должен иметь большую угловую скорость, так как сечение деформированной выемочной камеры намного меньше сечения той же камеры, не подвергнутой деформации. При обрушении зависшего полезного ископаемого осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент будет ниже, чем при бурении в массиве. На этом основании угловые скорости породоразрушающих инструментов имеют различное значение в зависимости от их целевого назначения. Выполнение нижних оснований породоразрушающих инструментов, наклоненными в сторону центральной и внешней колонн, на которых они закреплены, предотвращает заклинивание инструментов в выемочной камере при их опускании вниз. Кроме того, расположение режущих элементов на наклонной плоскости породоразрушающего инструмента позволяет образовать забой с наклонной поверхностью при калибровке стенок выемочной камеры, по которой разрушенное полезное ископаемое скатывается в очистное пространство камеры. При этом ширину свода принимают в зависимости от деформации стенок выемочной камеры, которая в свою очередь зависит от крепости полезного ископаемого.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемыми техническим и технологическим результатами. Благодаря данной совокупности существенных признаков удалось создать агрегат для разработки подземных формаций с высокой эффективностью промышленного использования за счет снижения потерь полезного ископаемого и полезных компонентов, расширения области его применения, а также конструктивного упрощения агрегата. Следовательно, предложенный агрегат отвечает требованиям, предъявляемым к техническим средствам, применяемым в горной промышленности, так как явным образом не следует из уровня используемой техники на данном этапе развития.

Изобретение рассматривается на примере разработки алмазоносной трубки, сложенной ксенотуфобрекчиями, породы которых представлены глинами. Налегающие породы представлены плывунами. Вмещающие породы сложены песчаниками и сильно обводнены.

На фиг. 1 показан продольный разрез агрегата; на фиг.2, 3 и 4 разрезы А-А, Б-Б и В-В на фиг.1 соответственно; на фиг.5 процесс разрушения и магазинирования разрушенного полезного ископаемого в очистном пространстве выемочной камеры; фиг.6 иллюстрирует процесс ликвидации зависания разрушенного полезного ископаемого в выемочной камере.

Агрегат для разработки подземных формаций включает соосно расположенные центральную 1 и внешнюю 2 колонны. Верхние торцевые части колонн 1 и 2 соединены с вращателями 3, 4, которые закреплены на мачте 5 буровой установки 6. Нижний торец внешней колонны 2 снабжен породоразрушающим инструментом 7, выполненным в виде кольцевого цилиндра с наклонными основаниями 8 и 9. Внешняя боковая поверхность породоразрушающего инструмента снабжена секторными пазами 10. Наклонные основания 8, 9 и боковая поверхность кольцевого цилиндра в промежутках между пазами 10 армированы режущими твердосплавными элементами 11. Нижний торец центральной колонны 1 снабжен породоразрушающим инструментом 12, выполненным в виде колеса с вертикальной осью вращения, снабженного ступицей 13, ободом 14 и спицами 15, на нижних торцах которых установлены упорные элементы 16. Наклонные основания обода 15 и его внешняя боковая поверхность армированы режущими твердосплавными элементами 17. Диаметры породоразрушающих инструментов 7 и 12 равны между собой. Породоразрушающие инструменты 7 и 12 установлены с возможностью совместного и раздельного вращения с различными угловыми скоростями.

Агрегат для разработки подземных формаций функционирует следующим образом. С дневной поверхности производят вскрытие трубки 18 шахтными стволами, квершлагами (на чертежах не показаны). Осуществляют проходку штреков 19, являющихся подготовительными выработками. С дневной поверхности осуществляют также проходку вертикальных скважин 20, забои которых располагают в кровле штреков 19. Скважины 20 в пределах мощности налегающих пород 21 обсаживают колоннами труб 22 с цементацией их затрубного пространства. В кратерной части трубки 18 оставляют предохранительный целик 23, предотвращающий прорыв налегающих пород 21, представленных плывунами, в очистное пространство выемочных камер 24.

Затем производят монтаж породоразрушающих инструментов 12 и 7. Для этого на продолжении продольной оси скважины 20 на почву штрека 19 устанавливают породоразрушающий инструмент 12 с заглублением упорных элементов 16 в полезное ископаемое трубки 18. На верхней торцевой части породоразрушающего инструмента 12 располагают породоразрушающий инструмент 7 на подставках во избежание повреждения режущих элементов 11 о спицы 15. Затем с помощью лебедки 25 буровой установки 6 и вращателя 3 в скважину 20 опускают центральную колонну 1, нижнюю торцевую часть которой жестко соединяют со ступицей 13 породоразрушающего инструмента 12. После этого в скважину 20 с помощью лебедки 25 и вращателя 4 опускают внешнюю колонну 2, нижнюю торцевую часть которой жестко соединяют с породоразрушающим инструментом 7. Башмак 26 колонны 2 располагают на ступице 13 и спицах 15 породоразрушающего инструмента 12.

Затем осуществляют проходку выемочной камеры 24 снизу вверх на полную высоту до момента выхода режущих элементов 11, расположенных на наклонной поверхности 8, на нижнюю границу предохранительного целика 23. Разрушение полезного ископаемого в пределах контуров выемочной камеры 24 ведут путем передачи крутящего момента от вращателя 4 внешней колонне 2, а затем и породоразрушающему инструменту 7. Подачу породоразрушающего инструмента на забой выемочной камеры 24 осуществляют с помощью гидроцилиндров (не показаны) путем перемещения вращателя 4 вместе с колонной 2 и породоразрушающим инструментом 7 вверх на длину хода штоков. Затем колонну 2 закрепляют с помощью хомутов на мачте, а вращатель 4 вместе со штоками гидроцилиндров опускают в крайнее нижнее положение, жестко соединяя при этом вращатель с колонной 2. Отрезок колонны 2, расположенный выше вращателя 4, демонтируют. Циклы по разрушению полезного ископаемого в пределах контуров выемочной камеры 24 повторяют.

Разрушенное с помощью режущих элементов 11 полезное ископаемое по наклонному верхнему основанию 8 перемещается в секторные пазы 10 породоразрушающего инструмента 7, через которые падает на почву штрека 19. Разрушенное полезное ископаемое магазинируют 27 в очистном пространстве выемочной камеры 24, предупреждая тем самым развитие горного давления, последствия которого приводят к образованию призм сползания и к деформации стенок 28 камеры. Для предупреждения подпора поверхностью магазина 27 породоразрушающего инструмента 7, что приведет к его заклиниванию, производят периодическое удаление разрушенного полезного ископаемого из основания магазина с помощью погрузочно-доставочных машин 29.

В процессе выпуска полезного ископаемого из магазина 27 не исключается возможность его зависания в выемочной камере 24 с образованием свода естественного равновесия 30, для обрушения которого используют подороразрушающий инструмент 12. С помощью лебедки 25 породоразрушающий инструмент 12 отрывают от почвы штрека 19, а посредством вращателя 3 через центральную колонну 1 последнему предают крутящий момент. При достижении породоразрушающим инструментом свода естественного равновесия 30 режущими элементами 17 разрушается свод с последующим обрушением полезного ископаемого, находящегося в магазине 27. Затем породоразрушающий инструмент 12 опускают вниз, не прекращая его вращение, спицы 14 которого производят дробление разрушенного полезного ископаемого.

Кроме того, породоразрушающим инструментом 12 производят калибровку стенок выемочной камеры 24 в случае их деформации 28. Деформация 28 стенок камеры 24 будет препятствовать спуску породоразрушающего инструмента 7 в штрек 19 после полной проходки камеры. Расширение выемочной камеры 24 при ее значительной высоте породоразрушающим инструментом 7 не производят, так как произойдет искривление камеры по высоте.

Искривление камеры приведет к отклонению породоразрушающего инструмента 7 в азимутальном направлении, что потребует проходки дополнительной выработки для его демонтажа. В случае отклонения породоразрушающего инструмента в сторону обрабатываемой и заложенной выемочной камеры 31 произойдет разубоживание разрушенного полезного ископаемого закладочным материалом.

Калибровку деформированных 28 стенок выемочной камеры 24 производят после полного выпуска полезного ископаемого из магазина 27. Породоразрушающему инструменту 12 с помощью вращателя 3 передают крутящий момент и осуществляют его подъем лебедкой 25 вместе с центральной колонной 1. Режущими элементами 17 производится разрушение выпуклых стенок выемочной камеры на повышенных оборотах вращателя 3 с дальнейшим падением разрушенного полезного ископаемого в штрек 19. При достижении ступицей 13 и спицами 15 башмака внешней колонны 2 производят спуск породоразрушающих инструментов 12 и 7 в штрек 19 путем наращивания колонн 1 и 2. В штреке 19 осуществляют демонтаж породоразрушающих инструментов. Одновременно осуществляют подъем колонн 1 и 2 на поверхность. Затем через обсадную колонну 22 производят закладку выработанного пространства выемочной камеры 24 твердеющим материалом.

Буровую установку перемещают на очередную эксплуатационную скважину 20. В штреке 19 производят монтаж породоразрушающих инструментов 7 и 12. В процессе разрушения полезного ископаемого в пределах контуров очередной выемочной камеры технологические процессы осуществляют в последовательности, описанной ранее.

Использование изобретения позволит вовлечь в отработку алмазоносные трубки, залегающие в сложных горно-геологических условиях без нанесения ущерба окружающей среде. Кроме того, применение агрегата дает возможность получить значительную прибыль за счет сокращения капитальных, подготовительных и нарезных работ, в которых отпадает необходимость, так как алмазоносную трубку по глубине разработки не разбивают на этажи и подэтажи.