способ подготовки к выемке скальных пород с использованием лазерного воздействия и автоматизированный комплекс для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ подготовки к выемке скальных пород с использованием лазерного воздействия, включающий высокотемпературное термодинамическое щелевое лазерное воздействие на горную породу, отличающийся тем, что в приповерхностном слое обрабатываемого массива осуществляют формирование многорядных зон перекрытия лазерных щелей, обеспечивающих высокую концентрацию напряжений, знакопеременные нагрузки и деформацию при обработке значительной поверхности массива, при этом высокотемпературное термодинамическое щелевое лазерное воздействие на горную породу совмещают с послойно-полосовым фрезерованием скальных пород карьерным комбайном, которое осуществляют в зоне, предварительно ослабленной высокотемпературным термодинамическим щелевым лазерным воздействием.

2. Автоматизированный комплекс, включающий лазерный прибор с возможностью продольного перемещения, отличающийся тем, что снабжен демпфирующей платформой, размещаемой на раме карьерного комбайна и шарнирно связанной с рамой лазерного прибора, при этом лазерный прибор размещается на направляющих рамы с возможностью продольного перемещения по направляющим на опорах качения с помощью привода, связанного с блоком автоматического управления, и выполнен в виде кассеты с оптоволоконными излучателями, размещаемыми вдоль направления перемещения карьерного комбайна, причем приводы поворота рамы в вертикальной плоскости шарнирно закреплены с двух сторон на демпфирующей платформе и связаны с блоком автоматического управления, а модуль управления и генерации процесса, включающий систему генерации и подачи оптического лазерного излучения, компрессорную систему подачи сжатого воздуха для пылеудаления из зоны лазерной обработки, систему охлаждения и блок автоматического управления всеми системами, размещен на демпфирующей платформе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для подготовки горных пород средней крепости к безвзрывному разупрочнению для последующего послойно-полосового фрезерования и выемки карьерными комбайнами.

Известны способы подготовки горных пород к выемке посредством предварительного взрывания массива, в том числе способ с циклично-поточной отработкой скальных горных пород, включающий обуривание на буровом блоке вертикальными или наклонными скважинами, зарядку скважин и взрывание их под укрытием на блоке подготовки пород к выемке, последующую выемку взорванной горной массы и погрузку ее на забойный конвейер через передвижной дробильный агрегат на выемочном блоке [1, 2].

Данные способы требуют значительной организационно-подготовительной работы согласно единым правилам безопасности ведения взрывных работ, не исключают влияния сейсмических волн, поражения кусками взрываемой горной массы элементов выемочного оборудования, транспорта и обслуживающего персонала, а также наносят значительный вред окружающей среде.

Известны способы подготовки массива к выемке за счет ослабления его под действием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Способ [3] предусматривает разупрочнение горного массива с использованием раствора ПАВ, заливаемого в скважины, образованные в горном массиве. Скважины выполняют различной глубины и размещают в шахматном порядке, а раствор ПАВ заливают в объеме и концентрации согласно приведенным формулам. Способ отработки уступов горных пород [4] предусматривает выполнение сетки взрывных скважин с увеличенным расстоянием между ними и заливочных скважин. Заливочные скважины заполняют растворами ПАВ и после выдержки вновь доливают растворы или воду. Затем производят взрывание зарядов ВВ, выемочно-погрузочные и транспортные работы.

Способы с использованием ПАВ сопряжены со значительным объемом работ и загрязнением окружающей среды.

Известны способы с использованием лазерной энергии для бурения скважин в рыхлых горных породах или создания перфорационных щелей в обсадных колоннах, цементном камне и горной породе [5, 6]. Способ бурения скважин с использованием лазерной энергии и устройство для его реализации [5] включает тепловое разупрочнение и оплавление породного массива с последующим формированием и укреплением стенок скважин при осевой подаче бурового снаряда. Тепловое разупрочнение породы и оплавление породной массы в стенках скважины осуществляют путем воздействия высокотемпературным пенетратором, разогретым лучами лазера, фокусируемыми на внутренние стенки и торцевую часть пенетратора, до температуры, превышающей температуру плавления горной породы на 200-250°. Устройство включает источник тепловой энергии, лебедку, грузонесущий кабель, высокотемпературный пенетратор, кристаллизатор-формователь, центратор. В качестве источника тепловой энергии использован лазер, который соединен через токосъемник, центратор и утяжелитель посредством волоконно-оптического кабеля с лазерной головкой, размещенной в полости трубы. Верхняя торцевая часть корпуса высокотемпературного пенетратора жестко соединена с трубой через кристаллизатор-формирователь, оснащенный расширителем скважины, свободно установленным на наружной поверхности кристаллизатора-формирователя, а наружная поверхность пенетратора образована вращением цепной линии вокруг вертикальной оси. Обеспечивает одновременное и качественное крепление и формирование стенок скважины в рыхлых и слабосвязных породах [5].

В данном изобретении лазер используется в качестве источника тепловой энергии для высокотемпературного нагрева пенетратора, при этом воздействие на горную породу осуществляется опосредовано. Происходят потери энергии, снижается эффективность термодинамического воздействия лазерного излучения на породу.

Наиболее близким по технической сущности является перфоратор лазерный гидравлический щелевой, предназначенный для создания перфорационных щелей в обсадных колоннах, цементном камне и горной породе. Перфоратор включает лазерный прибор с возможностью продольного перемещения вдоль колонны во время осуществления перфорации, при постоянной подаче электроэнергии, снабженный лазерными окнами в нижней части, над которыми расположены гидромониторы с направляющими центраторами [6]. Изобретение обеспечивает вскрытие продуктивных пластов последовательным выполнением нарезания щелей с помощью лазера и гидродинамического размыва породы.

Недостатком данного устройства, обеспечивающего нарезание щелей, является невозможность совмещения процессов нарезания щелей и непосредственного разрушения породы, что технологически снижает производительность процесса добычи.

Технический результат заключается в улучшении технологической эффективности за счет формирования в приповерхностном слое обрабатываемого массива зон перекрытия лазерных щелей, обеспечивающих высокую концентрацию напряжений, знакопеременные нагрузки и деформацию при лазерной обработке значительной поверхности; повышении производительности процесса разрушения, дезинтеграции и уменьшения объемов фракции, требующей дополнительного последующего дробления, за счет совмещения процесса нарезания щелей и послойно-полосового фрезерования скальных пород карьерными комбайнами и обеспечении экологической безопасности.

Технический результат достигается за счет того, что в способе подготовки к выемке скальных пород с использованием лазерного воздействия, включающем высокотемпературное термодинамическое щелевое лазерное воздействие на горную породу, в приповерхностном слое обрабатываемого массива осуществляют формирование многорядных зон перекрытия лазерных щелей, обеспечивающих высокую концентрацию напряжений, знакопеременные нагрузки и деформацию при обработке значительной поверхности массива, при этом высокотемпературное термодинамическое щелевое лазерное воздействие на горную породу совмещают с послойно-полосовым фрезерованием скальных пород карьерным комбайном, которое осуществляют в зоне, предварительно ослабленной высокотемпературным термодинамическим щелевым лазерным воздействием.

Автоматизированный комплекс, включающий лазерный прибор с возможностью продольного перемещения, снабжен демпфирующей платформой, размещаемой на раме карьерного комбайна и шарнирно связанной с рамой лазерного прибора, при этом лазерный прибор размещается на направляющих рамы с возможностью продольного перемещения по направляющим на опорах качения с помощью привода, связанного с блоком автоматического управления, и выполнен в виде кассеты с оптоволоконными излучателями, размещаемыми вдоль направления перемещения карьерного комбайна, причем приводы поворота рамы в вертикальной плоскости шарнирно закреплены с двух сторон на демпфирующей платформе и связаны с блоком автоматического управления, а модуль управления и генерации процесса, включающий систему генерации и подачи оптического лазерного излучения, компрессорную систему подачи сжатого воздуха для пылеудаления из зоны лазерной обработки, систему охлаждения и блок автоматического управления всеми системами, размещен на демпфирующей платформе.

Возможность формирования требуемой последовательности выполняемых действий предложенными средствами позволяет решить поставленную задачу, определяет новизну, промышленную применимость и изобретательский уровень разработки.

Автоматизированный комплекс для осуществления способа подготовки к выемке скальных пород с использованием лазерного воздействия изображен на чертежах.

На фиг.1 - общий вид автоматизированного комплекса с карьерным комбайном; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.2, фиг 5 - вид Г на фиг.1.

Автоматизированный комплекс 1 содержит лазерный прибор 2, установленный с возможностью продольного перемещения 3 на направляющих 4, 5 рамы 6 на опорах качения 7, 8 с помощью привода 9. Привод 9 связан с блоком автоматического управления 10. Демпфирующая платформа 11 размещается на раме 12 карьерного комбайна 13. Рама 6 лазерного прибора 2 шарнирно 14 связана с демпфирующей платформой 11. Приводы поворота 15 рамы 6 в вертикальной плоскости 16 шарнирно 17 закреплены с двух сторон на демпфирующей платформе 11 и связаны с блоком автоматического управления 10. Лазерный прибор 2 выполнен в виде кассеты 18 с оптоволоконными излучателями 19, размещаемыми вдоль направления 20 перемещения карьерного комбайна 13. Модуль управления и генерации процесса 21 включает систему генерации и подачи оптического лазерного излучения 22, компрессорную систему 23 подачи сжатого воздуха для пылеудаления из зоны лазерной обработки, систему охлаждения 24, блок автоматического управления 10 всеми системами и размещен на демпфирующей платформе 11. Оптоволоконные излучатели 19 направлены перпендикулярно 25 поверхности 26 обрабатываемого массива и осуществляют формирование многорядных зон перекрытия 27 лазерных щелей 28, обеспечивающих высокую концентрацию напряжений, знакопеременные нагрузки и деформацию при обработке значительной поверхности 26 массива. В точках 29 пересечения лазерных щелей 28 возникает высокая концентрация напряжений. Управление работой лазерного прибора 2 осуществляется через шлейф 30, содержащий шланги подачи сжатого воздуха и охлаждающей жидкости, оптоволоконный и электрический кабели. Шлейф 30 пропущен через кабель-канал 31 и струну 32, натянутую между кронштейнами 33, 34 рамы 6.

Способ подготовки к выемке скальных пород с использованием лазерного воздействия реализуется следующим образом.

Осуществляется предварительная лазерная подготовка горного массива. Автоматизированный комплекс 1 с лазерным прибором 2, установленным с возможностью продольного перемещения 3 на направляющих 4, 5 рамы 6, ориентируют по ходу разработки массива. Из блока автоматического управления 10 подается сигнал на шарнирно 17 закрепленные с двух сторон на демпфирующей платформе 11, связанной с рамой 12, приводы поворота 15 рамы 6. Рама 6 поворачивается на шарнирах 14 в вертикальной плоскости 16 и ориентируется относительно поверхности 26 так, чтобы луч лазерного излучения был направлен перпендикулярно 25 поверхности 26 обрабатываемого массива для более эффективного воздействия на поверхность. Лазерный прибор 2 находится в одном из крайних положений на направляющих 4, 5 рамы 6. Из блока автоматического управления 10 модуля управления и генерации процесса 21 подается сигнал на привод 9, систему генерации и подачи оптического лазерного излучения 22, компрессорную систему 23 подачи сжатого воздуха для пылеудаления из зоны лазерной обработки и систему охлаждения 24. Лазерный прибор 2, выполненный в виде кассеты 18 с оптоволоконными излучателями 19, размещаемыми вдоль направления 20 перемещения карьерного комбайна 13, начинает с помощью привода 9 перемещение на опорах качения 7, 8 вдоль направляющих 4, 5 рамы 6. Ориентированные перпендикулярно 25 поверхности 26 обрабатываемого массива оптоволоконные излучатели 19 осуществляют термодинамическое воздействие на поверхность 26 с образованием щелей 28. При осуществлении обратного хода лазерного прибора 2 происходит формирование многорядных зон перекрытия 27 лазерных щелей 28. В точках 29 пересечения лазерных щелей возникает особенно высокая концентрация напряжений, знакопеременные нагрузки. В нижних слоях многорядной зоны перекрытия 27 щелей 28 возникают многочисленные деформации. Высокотемпературное термодинамическое щелевое лазерное воздействие на горную породу совмещают с послойно-полосовым фрезерованием скальных пород карьерным комбайном 13, которое осуществляют в зоне, предварительно ослабленной высокотемпературным термодинамическим щелевым лазерным воздействием. Управление работой лазерного прибора 2 осуществляется через шлейф 30, содержащий шланги подачи сжатого воздуха и охлаждающей жидкости, оптоволоконный и электрический кабели. Шлейф 30 пропущен через кабель-канал 31 и струну 32, натянутую между кронштейнами 33, 34 рамы 6.

Способ подготовки к выемке скальных пород с использованием лазерного воздействия посредством автоматизированного комплекса повышает эффективность подготовки горных пород средней крепости к безвзрывному разупрочнению для последующего послойно-полосового фрезерования и выемки карьерными комбайнами и обеспечивает экологическую безопасность.

Источники информации

1. Патент РФ № 2362877 от 01.02.2008. Способ циклично-поточной отработки скальных горных пород.

2. Патент РФ № 2456538 от 25.02.2011. Способ взрывного рыхления скальных пород зарядами с воздушной подушкой.

3. Патент РФ № 2009322 от 15.03.1994. Способ отработки уступов горных пород.

4. Патент РФ № 2079657 от 20.05.1997. Способ отработки уступов горных пород.

5. Патент РФ № 2449106 от 13.10.2010. Способ бурения скважин с использованием лазерной энергии и устройство для его реализации.

6. Патент РФ № 2422624 от 28.04.2010. Перфоратор лазерный гидравлический щелевой.