способ разрушения естественных и искусственных минеральных сред

Формула изобретения

1. Способ разрушения естественных и искусственных минеральных сред, включающий механическое воздействие на эту среду термическими нагрузками в знакопеременном, по Цельсию, диапазоне температур путем передачи низкотемпературного воздействия за счет истекающего на среду водного аэрозоля при наложении избыточного давления и высокотемпературного воздействия на среду потоком рабочего агента в виде струи, при последовательном чередовании между собой этих температурных воздействий, отличающийся тем, что низкотемпературное воздействие на среду ведут подачей парогазового рабочего агента в виде кольцевой, полой в сечении, струи, ограничивающей собой участок, на который подают водный аэрозоль, на эту кольцевую струю накладывают ультразвуковые акустические колебания одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях, затем на этот участок среды воздействуют потоком высокотемпературного рабочего агента, подавая его на среду в виде щелевых и кольцевых струй, ориентированных под различными углами к поверхности этой среды, причем щелевые струи ориентируют от краев участка к его центру, а угол их наклона к поверхности среды выбирают меньшим угла наклона к этой же поверхности среды истекающих кольцевых струй, которые подают на участок среды между щелевыми струями, при этом на щелевые и кольцевые струи накладывают ультразвуковые акустические колебания в трех взаимно перпендикулярных направлениях при сдвиге на полупериод акустических волн, накладываемых на щелевые и кольцевые потоки рабочего агента, при этом над участком воздействия создают остаточное давление меньше атмосферного, а удаление разрушаемого слоя среды осуществляют за счет периодического воздействия на него параллельно ориентированным импульсным потоком рабочего агента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу парогазового рабочего агента ведут из смеси воздуха и продуктов испарения твердой углекислоты при температуре агента (-25) - (-35)^oC.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол наклона щелевых струй от краев участка к его центру выбирают в пределах 15 - 30^o, а угол наклона кольцевых струй выбирают в пределах 30 - 60^o.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что остаточное давление создают равным 0,2 - 0,3 атмосферного.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологическим процессам разрушения и обработки естественных и искусственных минеральных сред путем воздействия на эти среды потоком рабочего агента.

В настоящее время известны направления принципиальных развитий этой технологии, из которых наиболее представительным можно считать способ разрушения минеральных сред с помощью истекающей на материал среды струи рабочего агента, имеющей определенные характеристики по температуре и давлению при воздействии на разрушаемую минеральную среду. Наиболее близким, из аналогов, по технической и физико-механической сущности является способ разрушения естественных и искусственных минеральных сред, включающий механическое воздействие на эту среду термическими нагрузками в знакопеременном, по Цельсию, диапазоне температур путем передачи низкотемпературного воздействия за счет истекающего на среду водного аэрозоля при наложении избыточного давления и высокотемпературного воздействия на среду потоком рабочего агента в виде струи, при последовательном чередовании между собой этих температурных воздействий [1].

Существенными и очевидными недостатками этого способа является использование однородной по составу, структуре и форме струи рабочего агента, в качестве которого используют газовую струю, что не приводит к процессу эффективного разрушения среды, ввиду того, что эта струя обладает незначительной разрушающей способностью, а способ не позволяет вести выбор режимов воздействия на среду, исключая комбинированное воздействие в зависимости от структуры и неоднородности среды.

Технический результат данного изобретения заключается в существенном повышении эффективности процесса за счет более эффективного использования энергии рабочего агента, а также за счет выбора режимов воздействия потоков рабочего агента, выбора структуры потоков этого рабочего агента для увеличения удельных нагрузок на разрушаемую среду и увеличения разрушающей способности струй рабочего агента при воздействии на минеральную среду.

Указанный технический результат и технологический эффект в изобретении достигают за счет того, что способ разрушения естественных и искусственных минеральных сред включает механическое воздействие на эту среду термическими нагрузками в знакопеременном, по Цельсию, диапазоне температур путем передачи низкотемпературного воздействия за счет истекающего на среду водного аэрозоля при наложении избыточного давления и высокотемпературного воздействия на среду потоком рабочего агента в виде струи, при последовательном чередовании между собой этих температурных воздействий, при этом низкотемпературное воздействие на среду ведут подачей парогазового рабочего агента в виде кольцевой, полой в сечении, струи, ограничивающей собой участок, на который подают водный аэрозоль, на эту кольцевую струю накладывают ультразвуковые акустические колебания одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях, затем на этот участок среды воздействуют потоком высокотемпературного рабочего агента, подавая его на среду в виде щелевых и кольцевых струй, ориентированных под различными углами к поверхности этой среды, причем щелевые струи ориентируют от краев участка к его центру, а угол их наклона к поверхности среды выбирают меньшим угла наклона к этой же поверхности среды истекающих кольцевых струй, которые подают на участок среды между щелевыми струями, при этом на щелевые и кольцевые струи накладывают ультразвуковые акустические колебания в трех взаимно перпендикулярных направлениях при сдвиге на полупериод акустических волн, накладываемых на щелевые и кольцевые потоки рабочего агента, при этом над участком воздействия создают остаточное давление меньше атмосферного, а удаление разрушаемого слоя среды осуществляют за счет периодического воздействия на него параллельно ориентированным импульсным потоком рабочего агента.

При этом подачу парогазового агента ведут из смеси воздуха и продуктов испарения твердой углекислоты при температуре агента (-25) - (-35^o)C.

А угол наклона щелевых струй, от краев участка к его центру, выбирают в пределах 15-30^o, при этом угол наклона кольцевых струй выбирают в пределах 30-60^o.

При этом над участком воздействия создают остаточное давление, равное 0,2-0,3 атмосферного.

Такая принципиальная технологическая последовательность осуществления операций разрушения среды позволяет довести эффективность способа до теоретического предела в классе таких технологий за счет использования практической возможности воздействия на минеральную среду разнотемпературными струями рабочего агента.

Описываемый способ разрушения естественных и искусственных минеральных сред осуществляют следующим образом.

В качестве технологического оборудования выбирают (из числа известных и отработанных) следующее: генераторы акустических колебаний, оборудованные излучателями акустических волн в ультразвуковом диапазоне частот и ориентированные в трех взаимно перпендикулярных направлениях в рабочем органе, предназначенном для воздействия на минеральную среду потоками рабочего агента в виде обычных струй, а также в виде кольцевых струй и в виде щелевых струй (при этом рабочий орган оборудован соответствующими насадками для формирования таких струй; этот рабочий орган располагают над поверхностью разрушаемой минеральной среды, проверяют устойчивость наложения силовых воздействий на среду струями, имеющими колебания одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Из истекающего рабочего агента в виде струй формируют воздействующую на минеральную среду нагрузку, термические характеристики потока рабочего агента выбирают знакопеременными (по Цельсию): первоначально на минеральную среду (например, гранит Карельский; бетон марки М-700) воздействуют потоком рабочего агента в виде кольцевых струй при температуре этого рабочего агента на контакте с минеральной средой от -25^oC до -35^oC (за счет формирования рабочего агента из продуктов испарения твердой углекислоты и протекающего над этим объемом CO₂ воздушным потоком, т.к. температура испарения твердой CO₂ равна -72^oC), при этом на этот же обрабатываемый участок минеральной среды подают одновременно и поток водного аэрозоля при давлении этого потока на минеральную среду (ее поверхность), превышающем давление кольцевых струй низкотемпературного рабочего агента: если давление последнего равно 10-30 кгс/см² то давление потока водного аэрозоля берут в пределах 35-50 кгс/см², кольцевая низкотемпературная струя ограничивает пространство (собой) распространения водного аэрозоля, внедряет водный аэрозоль в структуру минеральной среды, замораживанием ее создает значительные механические напряжения в структуре минерального материала (т. е. замерзшие капли и микрокапли водного аэрозоля, ввиду увеличения их в объеме на 9-10%, разрушают поверхностный слой минеральной среды; после этого на минеральную среду (на этот же участок воздействия) направляют высокотемпературный рабочий агент в виде обычных (сплошных цилиндрических - в сечении) струй и в виде щелевых струй рабочего агента при температуре струй в диапазоне 500 - 1555^oC и при интенсивном вакуумировании участка воздействия минеральной среды (при остаточном давлении над участком воздействия, равном 0,2-0,3 по отношению к атмосферному давлению); при этом, как и в предыдущем низкотемпературном воздействии, на высокотемпературный истекающий на среду рабочий агент накладывают акустические колебания в ультразвуковом диапазоне частот (от 25 до 40 кГц), а эти высокотемпературные струи направляют на минеральную среду под углом от 15 до 60^o к поверхности среды на обрабатываемом участке, причем щелевые струи ориентируют от краев обрабатываемого участка к его центру под углами 15-30^o, а струи между ними - под углами 30-60^o - такое интенсивное комбинированное воздействие приводит к возбуждению резонансных автоколебаний в структуре минеральной среды и ведет к интенсивному разрушению среды, в особенности когда щелевые потоки рабочего агента заключают в кольцевой поток, ограничивающий участок воздействия - это приводит к значительному превышению порога механической устойчивости разрушаемой среды (проверено экспериментально заявителем на Карельском красном граните и на бетоне М-700), а достижение максимального эффекта разрушения минеральной среды в рамках данного способа наблюдается при сдвиге на полупериод волны одних струй рабочего агента (щелевых) по отношению к другим струям рабочего агента (кольцевым и обычным цилиндрическим, например, формируемым с помощью сопел Лаваля).

Такими комплексными потоками рабочего агента подготавливают разрушаемый слой минеральной среды к отрыву и выносу из зоны участка разрушения, а процесс выноса разрушенного минерального материала (среды - в общем случае) осуществляют за счет воздействия на минеральную среду параллельно ее поверхности ориентированными импульсными потоками рабочей среды (агента), выбирая периодичность подачи таких импульсных потоков по времени от 10 до 30 с; после каждого такого импульсного потока процесс воздействия на минеральную среду повторяют, как показано выше, и добиваются максимально возможного, в рамках данного способа, эффекта и эффективности разрушения среды.

Источники информации

1. А. П. Дмитриев и др. Термическое и комбинированное разрушение горных пород. - М.: Недра, 1978, с. 19-22, 187, табл. 1.2.