устройство для разработки и перемещения горных пород

Формула изобретения

Устройство для разработки и перемещения горных пород, включающее базовое шасси с ножом, турбореактивным двигателем, газопроводом переменного сечения с эжектором и загрузочным проемом, отличающееся тем, что оно снабжено газодинамическим интенсификатором в виде коллектора с отверстиями, размещенным по всей длине ножа перед или за ним, который соединен газопроводом с внутренним контуром турбореактивного двигателя и закреплен на базовом шасси с возможностью перемещения относительно ножа, а турбореактивный двигатель выполнен двухконтурным, внешний контур которого соединен газопроводом с загрузочным проемом разгонной трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к землеройным машинам, и может быть использовано при открытой разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений полезных ископаемых.

Известны ножевые устройства для разработки горных пород. К ножевым устройствам относятся имеющие широкое распространение на разработке многолетнемерзлых россыпей бульдозеры различных конструкций (Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным работам. М.: Недра, 1982 г., с. 214).

Недостатком данного устройства является низкая интенсивность вскрышных работ и невысокий коэффициент полезной загрузки бульдозера как выемочного оборудования, вследствие специфики структуры многолетнемерзлых пород и цикличности рабочих процессов.

Наиболее близким устройством по технической сущности является землеройно-метательная машина для непрерывной послойной выемки горных пород с одновременным перемещением их в отвал газоструйным метателем. Она состоит из базового шасси с размещенными на нем ножом и турбореактивным двигателем, соединенным газопроводом с загрузочным проемом, образованным поверхностью ножа, боковыми стенками сопла эжектора и нижней поверхностью газопровода (А.с. СССР 435328, Е 02 F 5/22, опубл. 05.07.1974 г., БИ 25, 1974).

Основным недостатком известного устройства является то, что при разработке многолетнемерзлых россыпей устройство не осуществляет в едином технологическом цикле с процессами выемки и перемещения породы разупрочнение тонкого выемочного слоя породы.

Решаемая задача:

- разупрочнение тонкого выемочного слоя многолетнемерзлых пород в едином цикле с процессом выемки и перемещения породы;

- увеличение интенсивности вскрышных работ.

Поставленная задача достигается тем, что на базовом шасси устройства в рабочей зоне ножа, перед ножом или за ним, по всей его длине установлен газодинамический интенсификатор в виде коллектора с отверстиями в донной части для подачи теплоносителя в рабочую зону ножа, который соединен газопроводом с внутренним контуром турбореактивного двигателя и закреплен на базовом шасси с возможностью перемещения относительно ножа, а турбореактивный двигатель выполнен двухконтурным, внешний контур которого соединен с загрузочным проемом разгонной трубы.

Из источников информации не выявлены технические решения с наличием размещенного на базовом шасси в рабочей зоне ножа по всей его длине газодинамического интенсификатора в виде коллектора с отверстиями в донной части для подачи теплоносителя в рабочую зону ножа, который соединен с внутренним контуром турбореактивного двигателя, при этом газодинамический интенсификатор закреплен на базовом шасси с возможностью перемещения относительно ножа, а турбореактивный двигатель выполнен двухконтурным, внешний контур которого соединен с загрузочным проемом разгонной трубы.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого устройства для разработки и перемещения горных пород, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость", так как оно может быть использовано в горной промышленности при разработке высокопрочных многолетнемерзлых пород россыпных месторождений.

На фиг. 1 изображено устройство, вид сбоку (с расположением газодинамического интенсификатора перед ножом, при отрицательной температуре наружного воздуха); на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вид снизу донной части газодинамического интенсификатора; на фиг. 4 - вид сбоку (с расположением газодинамического интенсификатора за ножом, при положительной температуре наружного воздуха).

Устройство состоит из базового шасси 1, ножа 2, гидроцилиндров 3 ножа, двухконтурного турбореактивного двигателя 4, газопровода внешнего контура 5, загрузочного проема 6, разгонной трубы 7, газодинамического интенсификатора 8, газопровода внутреннего контура 9, гидроцилиндров газодинамического интенсификатора 10, гидроцилиндра разгонной трубы 11, донной части газодинамического интенсификатора 12, отверстий 13.

Устройство работает следующим образом: перед началом движения базового шасси 1 нож 2 с помощью гидроцилиндров 3 опускается на поверхность породного массива, а газодинамический интенсификатор 8 с помощью гидроцилиндров 10 размещается под определенным углом в рабочей зоне ножа 2 по всей его длине, разгонная труба 7 с помощью гидроцилиндра 11 устанавливается под необходимым углом.

С началом движения базового шасси 1 по газопроводу 9 газопинамический поток внутреннего горячего контура двухконтурного турбореактивного двигателя 4, имеющий температуру до 500С и выше с высокой скоростью поступает в газодинамический интенсификатор 8 и через отверстия 13 в донной части 12 под заданным с помощью гидроцилиндров 10 углом направляется на участок выемочного слоя породы в рабочей зоне ножа 2, где происходит разупрочнение верхнего тонкого (0,05 - 0,15 м) слоя многолетнемерзлых пород.

Донная часть газодинамического интенсификатора может иметь отверстия различного типа (в данном случае круглые) или быть выполнена в виде перегородок различного размера.

При движении базового шасси под действием тягового усилия разупрочненный слой многолетнемерзлого породного массива срезается ножом 2. Срезанный ножом грунт подпирается вновь срезанным слоем грунта и продвигается по поверхности ножа 2 до загрузочного проема 6. Через загрузочный проем 6 грунт попадает в разгонную трубу 7. Здесь грунт подхватывается высокоскоростным газодинамическим потоком, поступающим со скоростью до 600 м/сек и выше с температурой до 50 - 60С по газопроводу 5 от внешнего холодного контура турбореактивного двигателя 4, приобретает в разгонной трубе 7 скорость, достаточную для метания, и транспортируется в отвал.

Горно-технические особенности разработки многолетнемерзлых россыпей Северо-Востока существенно отличаются не только от разработки рудных месторождений, но и от талых россыпных месторождений.

Таким образом, применение ножевых устройств, в том числе и самого распространенного из них бульдозера, на разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений дает низкую интенсивность вскрышных работ, поскольку многолетнемерзлые горные породы обладают спецификой структуры - они сцементированы льдочастицами, что обуславливает высокую прочность массива мерзлых пород. Их отработка требует предварительного разупрочнения.

В летний период с помощью тепла солнечной радиации оттаивают верхний слой породы отрабатываемого полигона, снимают этот слой ножевыми устройствами, снова оттаивают и так далее.

Скорость понижения горных работ в этом случае равна скорости естественного оттаивания и составляет в среднем 10 см в сутки, что и определяет низкую интенсивность вскрышных работ.

Малая скорость естественной оттайки мерзлых пород сдерживает эффективное применение на разработке многолетнемерзлых россыпных месторождениях высокопроизводительных землеройных машин с непрерывной послойной выемкой пород и одновременным перемещением их в отвал.

Применение газодинамического интенсификатора на землеройных машинах с непрерывной послойной выемкой и одновременным транспортированием породы в отвал позволяет многократно увеличить скорость понижения горных работ и соответственно вскрышных работ.

Механизм термодинамического разупрочнения мерзлых пород сводится к совместному воздействию тепловой и динамической энергий газодинамического потока на поверхность мерзлого массива.

В результате воздействия термической составляющей газодинамического потока внутреннего контура с температурой до 500С и выше лед на контактах между агрегатными частицами мерзлого грунта подплавляется, частично оттаивает, что приводит к резкому снижению механической прочности мерзлых пород. За счет одновременного приложения динамической составляющей газодинамического потока происходит отрыв агрегатных частиц мерзлых рыхлых отложений, что увеличивает скорость разупрочнения в глубину. При этом температурный фактор оказывает решающее воздействие на процесс разупрочнения мерзлых пород.

Широко распространенный опыт термодинамического разупрочнения мерзлых пород с использованием турбореактивного двигателя применительно к очистке транспортного горного оборудования (думпкаров) от намерзшего грунта показывает, что для разупрочнения пятисантиметрового слоя мерзлой породы в период с отрицательной температурой наружного воздуха достаточно 2,5-3,0 сек воздействия газодинамического высокотемпературного потока. При этом скорость непрерывной протяжки думпкаров относительно турбореактивного двигателя составляет 2-5 км/час или 0,56 - 1,39 м/сек.

Практика применения термодинамического бурения многолетнемерзлых пород в условиях Северо-Востока показала, что линейная скорость разупрочнения мерзлой породы в глубину газодинамическим потоком с выносом породы из скважины составляет 1,5 -2,0 см/сек.

Рабочая скорость землеройных машин на разработке многолетнемерзлых пород при выемке грунта составляет, в зависимости от мощности двигателя, силы тяги и сопротивления пород резанию, от 0,55 до 1,3 м/сек.

Таким образом, рабочая скорость движения и линейная скорость термодинамического разупрочнения выемочного слоя в глубину технологически увязаны.

В процессе резания мерзлых пород ножом землеройной машины разрушение породы происходит в результате мгновенного действия нагрузки. В этих условиях температура мерзлых пород играет особенно важную роль. Например, для мерзлых пород со льдистостью 15% (средняя льдистость пород Северо-Востока) удельное сопротивление породы резанию при температуре породы -5°С составляет 25 - 30 кгс/см².

Разупрочнение мерзлой породы повышением температуры, например, до 0°С, даже без оттаивания льда снижает удельное сопротивление породы резанию до 0,2 - 2,0 кгс/см² и в результате тяговые усилия современных землеройных машин позволяют эффективно разрабатывать породы с таким удельным сопротивлением пород резанию.

Предлагаемое устройство для разработки и перемещения горных пород предусматривает два варианта установки газодинамического интенсификатора относительно ножа.

При отрицательных температурах наружного воздуха предусмотрена установка газодинамического интенсификатора в рабочей зоне ножа перед ним. Такая установка интенсификатора позволяет расширить период времени использования предлагаемого устройства при разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений.

При положительных температурах наружного воздуха предусмотрена установка газодинамического интенсификатора в рабочей зоне ножа за ним. Такая установка интенсификатора позволяет, вслед за снятием разупрочненного выемочного слоя породы, интенсивно разупрочнять газодинамическим интенсификатором последующий выемочный слой обнаженного мерзлого массива. При этом происходит не только разупрочнение последующего выемочного слоя на определенную глубину, но и поверхностная тепловая мелиорация контактного слоя породы по всей длине заходки устройства: повышается температура контактного слоя, снижается альбедо до 10 - 12%, увеличивается коэффициент теплопроводности за счет увлажнения разупрочненного слоя.

Поверхностная тепловая мелиорация позволяет в течение короткого периода (1,5-2 часа) до производства очередной выемки разупрочненного слоя данной заходки прирастить дополнительно к разупрочненному слою породы до 2 см в глубину за счет тепла солнечней радиации, что также влияет на увеличение интенсивности вскрышных работ.

Современные двухконтурные турбореактивные двигатели имеют степень двухконтурности от 2 до 6, то есть отношение количества воздуха внешнего холодного контура к количеству воздуха внутреннего горячего контура. Причем, скорость потока и напор внешнего контура сопоставимы с показателями внутреннего контура. Институтом ГосНИИ ЭPAT ГА разработана технология разделения горячего и холодного потоков двухконтурного турбореактивного двигателя.

Таким образом, для разупрочнения мерзлых грунтов можно использовать газодинамический поток внутреннего горячего контура с температурой до 500°С и выше. А скорость, напор и массовый расход газодинамического потока внешнего холодного потока с температурой 50 - 60°С позволяют использовать его для метания породы в отвал.

Использование предлагаемого устройства на разработке многолетнемерзлых россыпей открытым раздельным способом со средним и глубоким залеганием продуктивного пласта позволяет:

- значительно повысить интенсивность вскрышных работ за счет увеличения скорости понижения горных работ, что позволяет производить добычу полезного ископаемого уже на первом году эксплуатации россыпи, в то время как при отработке известными машинами полезное ископаемое получают через несколько лет по причине низкой интенсивности производства вскрышных работ;

- применять более прогрессивную в сравнении с традиционными технологию отработки месторождений узкими полосами с продольными заходками и внутренним отвалообразованием, что позволяет до 80 - 85% вскрышных пород не вывозить за контур полигона;

- значительно повысить производительность труда на вскрыше торфов и снизить себестоимость добычи полезного ископаемого.

Кроме того, при использовании предлагаемого устройства исключается из общего технологического процесса работ по добыче полезного ископаемого трудоемкий, дорогостоящий и опасный буровзрывной способ рыхления вскрышных пород, а также исключается трудоемкий и малопроизводительный способ гидроиглового оттаивания мерзлых пород.