EA014050B1 - System for rock mine working in complex massifs of hard rock - Google Patents
System for rock mine working in complex massifs of hard rock Download PDFInfo
- Publication number
- EA014050B1 EA014050B1 EA200802037A EA200802037A EA014050B1 EA 014050 B1 EA014050 B1 EA 014050B1 EA 200802037 A EA200802037 A EA 200802037A EA 200802037 A EA200802037 A EA 200802037A EA 014050 B1 EA014050 B1 EA 014050B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- rock
- mining
- complex
- destruction
- working
- Prior art date
Links
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для разрушения горных пород, и может быть использовано при проходке горных выработок (горизонтальных, наклонных, вертикальных, восстающих) в сложных горно-геологических условиях и в сложноструктурных массивах крепких горных пород, а также при бурении и при создании скважин большого диаметра с использованием различных магнитоимпульсных и взрывомагнитных воздействий.The invention relates to the mining industry, in particular to devices for the destruction of rocks, and can be used during the excavation of mine workings (horizontal, inclined, vertical, rising) in difficult geological conditions and in complex structural formations of hard rocks, as well as during drilling and when creating large diameter wells using various magnetic pulsed and explosive magnetic effects.
Известен проходческий комбайн С.Л. Загорского для горизонтальных и наклонных выработок, который включает опережающие и расширяющие буровые органы, погрузочные приспособления, транспортирующие шнек и конвейер для удаления разрушенной породы, распорно-шагающий механизм подачи комбайна [1].Known tunneling machine S.L. Zagorsky for horizontal and inclined workings, which includes leading and expanding drilling bodies, loading equipment, transporting auger and conveyor to remove the destroyed rock, spacer-walking feed mechanism of the combine [1].
Недостатками комбайна являются низкая производительность за счет применения сугубо механического способа разрушения горной породы с образованием крупных фракций, большая металлоемкость и энергоемкость процесса проходки, наличие крупногабаритных механизмов (конвейера) для удаления крупных фракций породы.The disadvantages of the harvester are low productivity due to the use of a purely mechanical method of rock destruction with the formation of large fractions, large metal and energy consumption of the sinking process, the presence of large-sized mechanisms (conveyor) for removing large fractions of the rock.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является система горнопроходческих машин, состоящая из подсистем отделения горной массы, уборки горной массы и закрепления образовавшегося пространства [2].Closest to the technical nature of the present invention is a system of tunneling machines, consisting of subsystems of separation of the rock mass, cleaning the rock mass and fixing the resulting space [2].
Недостатки данной системы - наличие комплекса БВР, громоздкие самоходные бурильные модули, погрузочные машины, ковшовые исполнительные органы, перегружатели, вагонетки, что приводит к значительным энергозатратам, металлоемкости, низкой производительности и повышенной опасности ведения горных работ.The disadvantages of this system are the presence of a complex of drilling rigs, bulky self-propelled drilling modules, loading machines, bucket actuators, reloaders, trolleys, which leads to significant energy consumption, metal consumption, low productivity and increased risk of mining.
Целью изобретения является повышение скорости проходки горных выработок в сложных горногеологических условиях и сложноструктурных массивах крепких горных пород с селективной выемкой полезных компонентов в виде тонкодисперсных фракций, получаемых с помощью новой системы, включающей магнитоимпульсное и взрывомагнитное воздействие на забой.The aim of the invention is to increase the speed of tunneling in difficult geological conditions and complex structural arrays of strong rocks with the selective extraction of useful components in the form of fine fractions obtained using a new system, including magnetic pulse and explosive magnetic impact on the face.
Эта цель достигается тем, что для разрушения крепких горных пород до тонкодисперсных фракций система включает рабочее породоразрушающее устройство, эластичную транспортную оболочку, гибкий породоудаляющий элемент - шнек (шнеки), исполнительные механизмы по управлению процессами разрушения и транспортирования диспергированной породы. При этом породоразрушающее устройство включает источник электрической энергии (накопитель), преобразователь частоты, цилиндр, в котором помещается центральный электрод, состоящий из поршня-бойка и наковальни, соленоид и магнитный диполь с возможностью регулирования его угла поворота по отношению к продольной оси бурового снаряда и горизонтальной плоскости, расположенный коаксиально центральному электроду и размещенный в кольцевой камере, заполненной жидким хладагентом.This goal is achieved by the fact that for the destruction of strong rocks to fine fractions, the system includes a working rock cutting device, an elastic transport shell, a flexible rock-removing element - auger (screws), actuators for controlling the processes of destruction and transportation of dispersed rock. In this case, the rock cutting device includes an electric energy source (storage device), a frequency converter, a cylinder in which a central electrode consisting of a striking piston and an anvil is placed, a solenoid and a magnetic dipole with the possibility of adjusting its rotation angle with respect to the longitudinal axis of the drill and horizontal a plane located coaxially with the central electrode and placed in an annular chamber filled with liquid refrigerant.
На фиг. 1 показана принципиальная схема системы для проходки горных выработок в обводненных сложноструктурных массивах крепких пород в разрезе (а) с блок-схемой управления породоразрушающим органом (б).In FIG. Figure 1 shows a schematic diagram of a system for driving mines in flooded complex structural arrays of hard rocks in section (a) with a block diagram of the control of the rock cutting body (b).
Система для проходки горных выработок в сложноструктурных массивах 41 крепких пород 1 состоит из породоразрушающего органа, включающего источник электрической энергии 2, преобразователь частоты 3, цилиндр 4, в котором помещается центральный электрод 5, состоящий из поршня-бойка 6 и наковальни 7. Поршень-боек 6 и наковальня 7 связаны упругим элементом 8, расположенным на кольцевом выступе 9 наковальни 7. Коаксиально центральному электроду 5 в цилиндре 4 помещен соленоид 10, один вывод которого соединен с преобразователем частоты 3, а другой - с периферийными электродами 11, которые расположены на нижнем торце цилиндра и электрически изолированы от него диэлектрической прокладкой 12. Центральный 5 и периферийный электроды 11 выполнены из электропроводящего материала, например из вольфрама, молибдена и (или) фуллереноподобных структур.The system for driving mines in complex structural arrays 41 of hard rock 1 consists of a rock cutting body, including an electric energy source 2, a frequency converter 3, cylinder 4, in which a central electrode 5, consisting of a striking piston 6 and anvil 7, is placed 6 and the anvil 7 are connected by an elastic element 8 located on the annular protrusion 9 of the anvil 7. A solenoid 10 is placed coaxially with the central electrode 5 in the cylinder 4, one terminal of which is connected to the frequency converter 3, and the other to the peri The serial electrodes 11 which are arranged at the lower end of the cylinder and is electrically isolated from it of the dielectric 12. The central pad 5 and the peripheral electrodes 11 are formed of an electrically conductive material such as tungsten, molybdenum and (or) the fullerene-like structures.
Упругий элемент 13 в виде пневмо- или гидроцилиндра, заполненного воздухом или жидкостью, расположен в цилиндре 4 выше центрального электрода 5 на расстоянии, близком к величине холостого хода поршня-бойка 6.The elastic element 13 in the form of a pneumatic or hydraulic cylinder filled with air or liquid is located in the cylinder 4 above the central electrode 5 at a distance close to the idle value of the striking piston 6.
Центральный электрод 5 присоединен к преобразователю частоты 3 через гибкий проводник 14 и токосъемное кольцо 15. В центральном электроде имеется отверстие 16 для подачи воздуха или жидкости на забой.The central electrode 5 is connected to the frequency converter 3 through a flexible conductor 14 and a slip ring 15. In the central electrode there is an opening 16 for supplying air or liquid to the face.
Коаксиально центральному электроду 5 расположен магнитный диполь 17, размещенный в кольцевой камере 18, заполненной жидким хладагентом 19, например жидким азотом, для охлаждения соленоида и магнитного диполя, через который пропускают ток величиной порядка 1,7-105-2-105 А. Магнитный диполь 17 соединен через кабельный канал 40 с накопителем энергии 20, который скоммутирован с источником энергии 2, через коммутатор 22 с высоковольтным мостом 23 и связаны с управляющим промышленным компьютером 21.Coaxially with the central electrode 5, a magnetic dipole 17 is disposed in an annular chamber 18 filled with liquid refrigerant 19, for example liquid nitrogen, to cool the solenoid and magnetic dipole through which a current of the order of 1.7-10 5 -2-10 5 A is passed. The magnetic dipole 17 is connected through a cable channel 40 to an energy storage device 20, which is connected to an energy source 2, through a switch 22 with a high-voltage bridge 23 and connected to a control industrial computer 21.
Для фиксирования параметров упругих волн напряжения сжатия и растяжения в породе 1 имеется датчик 24, например цифровой регистратор кинематических параметров упругих волн типа РКП-1Ш. Также имеются датчик сопротивления горной породы 36 и датчик тока 37. При этом вышеуказанные датчики 24, 36 и 37 подключены через блок аналого-цифрового преобразователя 31 и шину 32 (марки КБ 485) к промышленному компьютеру 21, например к компьютеру с операционной системой реальногоTo fix the parameters of elastic waves of compressive and tensile stresses in rock 1, there is a sensor 24, for example, a digital recorder of kinematic parameters of elastic waves of the RKP-1Sh type. There is also a rock resistance sensor 36 and a current sensor 37. Moreover, the above sensors 24, 36 and 37 are connected via an analog-to-digital converter unit 31 and a bus 32 (brand KB 485) to an industrial computer 21, for example, to a computer with a real operating system
- 1 014050 времени Ух \Уогк ВТЬших, выход которого через управляющую шину 25 типа ΟΆΝΒυδ, ΜΘΌΒυδ подсоединен к исполнительным устройствам 26, 27, 28, 29, 30, в качестве исполнительного устройства 26 используют блок управления автономного инвертора тока, подключенного к источнику тока 33. В качестве исполнительных блоков 27, 29 применяют формирователи импульсов управления, подключенные соответственно к источнику упругих волн напряжений 34 (например, механизм вибрационно-ударного типа) и к входу высоковольтного диодного моста 23. В качестве исполнительного блока 28 используют также формирователь импульсов управления, выход которого через механизм перемещения 35 соединен с диполем 17, в качестве блока 29 применяют регулятор напряжения под нагрузкой.- 1 014050 time Ух \ УГКТТых, the output of which through the control bus 25 of type ΟΆΝΒυδ, ΜΘΌΒυδ is connected to actuators 26, 27, 28, 29, 30, as an actuator 26 use the control unit of an autonomous current inverter connected to a current source 33 As control units 27, 29, control pulse shapers are used, respectively connected to a source of elastic waves of stresses 34 (for example, a vibration-shock type mechanism) and to the input of a high-voltage diode bridge 23. As an executive of block 28, a control pulse shaper is also used, the output of which is connected via a displacement mechanism 35 to dipole 17, and a voltage regulator under load is used as block 29.
На фиг. 2 изображена схема размещения магнитного диполя, который установлен с возможностью регулирования его угла поворота (α=5-60°) по отношению к продольной оси Ζ снаряда и по отношению к горизонтальной плоскости Χ-Υ (β=5-60°).In FIG. 2 shows a layout of a magnetic dipole, which is mounted with the possibility of controlling its rotation angle (α = 5-60 °) with respect to the longitudinal axis Ζ of the projectile and with respect to the horizontal plane Χ-Υ (β = 5-60 °).
Изменение пространственного положения магнитного диполя осуществляется при помощи гидроили пневмосистемы, состоящей, например, из гидро- или пневмоцилиндров (на фиг. 2 позиции 1, 2, 3), насосной и/или компрессорной станции, управляемых промышленным компьютером 21. На фиг. 3 представлен разрез рабочего органа, расположенного в сложноструктурном массиве 41 (вариант с одним гибким шнеком 42).The spatial position of the magnetic dipole is changed by means of a hydraulic or pneumatic system, consisting, for example, of hydraulic or pneumatic cylinders (in Fig. 2, positions 1, 2, 3), a pump and / or compressor station controlled by industrial computer 21. In FIG. 3 shows a section of a working body located in a complex structural array 41 (version with one flexible screw 42).
Для магнитного диполя возможно применение сверхпроводящих материалов. Сверхпроводящий проводник (контур) может быть изготовлен из высокотемпературного висмутосодержащего сверхпроводника В1§гСаСиО. Сверхпроводящий контур может быть изготовлен на основе соединений ΥΒ;·ι2ί.ϊι3,Θили Ν6Β;·ι2ί.ϊι3,Ο-. Эти соединения перспективны для создания длинномерных токонесущих (гибких) элементов с высокой плотностью тока (~109 А/м2) при температуре 77,3 К в магнитных полях до 5 Т. Возможно и применение весьма перспективного и достаточно дешевого сверхпроводящего интерметаллического соединения - диборита магния МдВ2 с критической температурой около 40 К. Чрезвычайно перспективными для создания проводящих контуров диполя и передачи энергии в массивах являются высокотемпературные сверхпроводники - купраты, состоящие из слоев оксидов меди, чередующихся со слоями других элементов и соединений (например, оксиды кобальта, слои которого разделены слоями натрия с добавлением молекул воды). Температура их сверхпроводящего перехода равна примерно 5 К. Последние исследования на смесях карбоната свинца, оксидов серебра, свинцового сурика и других композитов, например Ва-Ьа-Си-О, показали возможность создания композиционных веществ, которые приобретали сверхпроводящие свойства уже при комнатной температуре.For a magnetic dipole, the use of superconducting materials is possible. The superconducting conductor (circuit) can be made of a high-temperature bismuth-containing superconductor В1§гСаСиО. The superconducting circuit can be made on the basis of compounds ΥΒ; · ι 2 ί.ϊι 3 , Θ or Ν6Β; · ι 2 ί.ϊι 3 , Ο-. These compounds are promising for creating long-length current-carrying (flexible) elements with a high current density (~ 10 9 A / m 2 ) at a temperature of 77.3 K in magnetic fields up to 5 T. It is also possible to use a very promising and fairly cheap superconducting intermetallic compound - diborite magnesium MgV 2 with a critical temperature of about 40 K. Extremely promising for creating conducting circuits of a dipole and energy transfer in arrays are high-temperature superconductors - cuprates, consisting of layers of copper oxides alternating with layers of other elements and compounds (for example, cobalt oxides, the layers of which are separated by sodium layers with the addition of water molecules). The temperature of their superconducting transition is approximately 5 K. Recent studies on mixtures of lead carbonate, silver oxides, lead minium, and other composites, for example, Ba-Ba-Cu-O, have shown the possibility of creating composite materials that acquire superconducting properties even at room temperature.
Породоразрушающий рабочий орган с возможностью вращения вдоль продольной оси соединен с герметичной, цилиндрической, гибкой транспортно-коммуникационной оболочкой 43 (фиг. 4 - вариант с одним шнеком 42, фиг. 5 - с несколькими шнеками 42, расположенными по образующей рабочего органа). Транспортная оболочка выполнена из высокопрочного, износостойкого и эластичного материала, например полиуретана (Э-201Т), внутри нее расположен гибкий шнек 42 (шнеки) между внешней цилиндрической поверхностью рабочего органа 4 и поверхностью горной выработки, т.е. в образованном цилиндрическом транспортном канале 38 для вывода продуктов разрушения горных пород.The rock-destroying working body rotatably along the longitudinal axis is connected to a tight, cylindrical, flexible transport and communication shell 43 (Fig. 4 is a variant with one screw 42, Fig. 5 with several screws 42 located along the generatrix of the working body). The transport shell is made of a high-strength, wear-resistant and elastic material, for example polyurethane (E-201T), inside it there is a flexible screw 42 (screws) between the outer cylindrical surface of the working body 4 and the surface of the mine working, i.e. in the formed cylindrical transport channel 38 for the output of the destruction of rocks.
На фиг. 6 изображен породоразрушающий рабочий орган (совокупность позиций 6 и 11), соединенный с цилиндрической эластичной транспортной оболочкой 43, внутри которой расположен шнек 42 (шнеки).In FIG. 6 shows a rock cutting tool (set of positions 6 and 11) connected to a cylindrical elastic transport shell 43, inside which a screw 42 (screws) is located.
На фиг. 7 показан фрагмент герметичной цилиндрической гибкой транспортной оболочки 43, внутри которой по образующей внутренней поверхности размещены тяговые элементы 45, представляющие собой, например, тросы, выполненные из высокопрочного полимерного материала;In FIG. 7 shows a fragment of a sealed cylindrical flexible transport shell 43, inside of which traction elements 45 are placed along the generatrix of the inner surface, which are, for example, cables made of high-strength polymer material;
кольцо(а) 46, которое(ые) обладает(ют) пространственной жесткостью по отношению к транспортной оболочке 43 (с возможностью поворота вокруг оси; на фиг. 7 показаны два возможных варианта пространственного расположения кольца 46), изготовленное(ые) из высокопрочного эластичного полимерного материала, например тонковолокнистых стеклопластиков СППС-240 и СППС-340;ring (a) 46, which (s) has spatial stiffness with respect to transport sheath 43 (rotatable around an axis; FIG. 7 shows two possible spatial arrangements of ring 46) made of high tensile elastic a polymeric material, for example, thin-fiber glass-reinforced plastics SPPS-240 and SPPS-340;
исполнительный механизм управления 47 (может представлять собой шаговый(ые) электродвигатель(и), управляемый(е) промышленным компьютером 21);an actuating control mechanism 47 (may be a stepper motor (s) controlled by (e) industrial computer 21);
электрокабель и кабель управления 48;electrical cable and control cable 48;
прижимное устройство тросов 49 (оно может быть заменено электромагнитными или гидропневмотическими прижимными муфтами);cable clamping device 49 (it can be replaced by electromagnetic or hydropneumatic clamping clutches);
шток 50, служащий для создания усилия прижимного устройства тросов 49 к внутренней поверхности транспортной оболочки 43.the rod 50, which serves to create the force of the clamping device of the cables 49 to the inner surface of the transport sheath 43.
На фиг. 7 показан соединительный узел 44, который необходим для соединения отдельных фрагментов герметичной цилиндрической гибкой транспортной оболочки 43.In FIG. 7 shows the connection unit 44, which is necessary for connecting individual fragments of a sealed cylindrical flexible transport sheath 43.
Комплекс работает следующим образом.The complex works as follows.
Породоразрушающий орган располагается на земной поверхности или в подготовительной горной выработке вблизи сложноструктурного массива крепких горных пород 41, подлежащих разрушению. Продольная ось рабочего органа располагается ортогонально к поверхности забоя. Включается источникThe rock-destroying organ is located on the earth's surface or in the preparatory mine working near the complex structural array of strong rocks 41 to be destroyed. The longitudinal axis of the working body is located orthogonal to the surface of the face. The source is turned on
- 2 014050 электрической энергии 2. На поршень-боек 6 воздействуют упругими колебаниями, которые могут возбуждаться, например, двумя эксцентриками, приводящимися в движение двумя высокоскоростными (1012 тыс. об/мин) гидромоторами, генерирующими вибрации до 180-200 Гц, или пневмоударными механизмами с частотой 7-50 Гц (на фиг. 1 позиция 34). Передача энергии поршню-бойку 6 может осуществляться также кондуктивным способом с помощью подвижных контактов 14, 15 или индуктивным способом на основе линейного электродвигателя.- 2 014050 electric energy 2. The piston-hammer 6 is subjected to elastic vibrations, which can be excited, for example, by two eccentrics driven by two high-speed (1012 thousand rpm) hydraulic motors that generate vibrations up to 180-200 Hz, or pneumatic shock mechanisms with a frequency of 7-50 Hz (in Fig. 1, position 34). Energy transfer to the striking piston 6 can also be carried out in a conductive manner using movable contacts 14, 15 or inductively using a linear electric motor.
Напряжение между центральным 5 и периферийными электродами 11 образует канал плазменного электротеплового пробоя 39 (низкотемпературный плазменный шнур), проходящий в породе. Порода вокруг канала под действием термических и упругих волн напряжений ослабляется и разрушается. В момент образования плазменного канала электротеплового пробоя 39 в цепи, состоящей из преобразователя частоты 3, соленоида 10, периферийных электродов 11, центрального электрода 5, протекает большой ток, который заставляет поршень-боек 6, изготовленный из магнитомягкого материала, с силой втягиваться внутрь соленоида 10 и при этом ударять по наковальне 7 (с возможностью применения пневмоударного механизма 34, фиг. 1). Причем в зависимости от свойств разрушаемой породы в случае низкой частоты ударов возможно применение пневмоударного воздействия на поршень-боек с частотой 1-10 Гц, а в интервале 10-50· 104 Гц целесообразно использование соленоида и центрального электрода из магнитомягкого материала.The voltage between the central 5 and peripheral electrodes 11 forms the channel of the plasma electrothermal breakdown 39 (low-temperature plasma cord) passing in the rock. The rock around the channel under the influence of thermal and elastic waves of stress is weakened and destroyed. At the time of the formation of the plasma channel of the electrothermal breakdown 39 in the circuit, consisting of a frequency converter 3, a solenoid 10, peripheral electrodes 11, a central electrode 5, a large current flows, which causes the striking piston 6, made of magnetically soft material, to be pulled into the solenoid 10 with force and while striking the anvil 7 (with the possibility of using pneumatic impact mechanism 34, Fig. 1). Moreover, depending on the properties of the rock being destroyed, in the case of a low frequency of impacts, it is possible to use pneumatic impact on the piston-striker with a frequency of 1-10 Hz, and in the range of 10-50 · 10 4 Hz it is advisable to use a solenoid and a central electrode of soft magnetic material.
При этом породоразрушающая часть наковальни 7 внедряется в породу 1 и производит ее разрушение. Продукты разрушения из зоны работы рабочего органа перемещаются с помощью гибкого шнека (шнеков), расположенного(ых) между стенкой горной выработки 1 и внешней цилиндрической поверхностью рабочего органа 4 (на фиг. 1, 3 указанное пространство обозначено позицией 38). При падении напряжения в цепи до нуля магнитная сила соленоида 10 перестает втягивать поршень-боек 6 и дополнительный упругий элемент 8 отбрасывает поршень-боек 6, заставляя его совершать холостой ход. Величина холостого хода ограничивается пневмо- или гидроцилиндром 13, жесткость которого определяет параметры ударного воздействия. Затем цикл повторяется. При этом электрическое воздействие на массив осуществляется непрерывно.In this case, the rock-destroying part of the anvil 7 is introduced into the rock 1 and produces its destruction. Fracture products from the working body working area are moved using a flexible screw (screws) located (s) between the wall of the mine working 1 and the outer cylindrical surface of the working body 4 (in Figs. 1, 3, this space is indicated by 38). When the voltage in the circuit drops to zero, the magnetic force of the solenoid 10 ceases to retract the firing pin 6 and the additional elastic element 8 discards the firing pin 6, forcing it to idle. The idle value is limited by the pneumatic or hydraulic cylinder 13, the rigidity of which determines the parameters of the impact. Then the cycle repeats. In this case, the electric impact on the array is carried out continuously.
Частота ударов зависит от частоты тока в цепи и может быть подобрана так, чтобы удар наносился в момент, когда канал теплового пробоя 39 полностью образовался и термические напряжения достигли максимума в разрушаемом объеме породы.The frequency of impacts depends on the frequency of the current in the circuit and can be selected so that the blow is delivered at the moment when the thermal breakdown channel 39 is fully formed and thermal stresses reach a maximum in the destructible rock volume.
В устройстве помимо кондуктивного ввода энергии в разрушаемый массив посредством коаксиально расположенных центрального 5 и периферийного 11 электродов предусмотрен коаксиально расположенный к центральному электроду 5 (бойку) магнитный диполь 17 для создания индуктивного ввода электромагнитной энергии в разрушаемый массив (фиг. 1).In addition to the conductive input of energy into the destructible array, the device through the coaxially located central 5 and peripheral 11 electrodes provides a magnetic dipole 17 coaxially located to the central electrode 5 (striker) to create an inductive input of electromagnetic energy into the destructible array (Fig. 1).
Магнитный диполь 17 соединен с накопителем энергии 20, который скоммутирован с источником энергии 2, коммутатором 22, с высоковольтным мостом 23, и связанный с управляющим промышленным компьютером 21 включается в момент верхнего положения А1 поршня-бойка 6, а выключается в нижнем положении А0 поршня-бока 6 при достижении сопротивления в канале электротеплового пробоя 39 выше сопротивления породообразующих минералов, т.е. при потере сплошности породы (фиг. 1).The magnetic dipole 17 is connected to an energy storage device 20, which is connected to an energy source 2, a switch 22, a high-voltage bridge 23, and connected to the control industrial computer 21 is turned on at the moment of the upper position A 1 of the striking piston 6, and turns off in the lower position A 0 piston-side 6 when the resistance in the channel of the electrical breakdown 39 is higher than the resistance of the rock-forming minerals, i.e. with loss of rock continuity (Fig. 1).
В зависимости от физико-технических свойств горных пород выбирают параметры импульсного электромагнитного поля, создаваемого магнитным диполем 17 индукции магнитного поля В, и упругих волн напряжений Гу, создаваемых механизмом 34 и соленоидом 10. Например, для магнетитовых железистых кварцитов индукция магнитного поля находится в пределах 1,5-5 Т, длительность импульса - в пределах от 100-300 мкс, частота следования импульсов - 1 · 102-5· 105 Гц, а параметры упругих волн напряжений характеризуются амплитудой 150-250 МПа с частотой 0,5-2,5·102 Гц и длительностью 0,5-2 мс с выходом на максимум в пределах 1 мс. При воздействии на породу упругой волны напряжения сжатия, например в виде полусинусоиды, фаза которой контролируется датчиком 24 - регистратором кинематических параметров упругих волн типа РКП-1Ш, амплитуда магнитного поля диполя 17 формируется положительными полуволнами тока генератора импульсов посредством высоковольтного диодного моста 23 (фиг. 1). При этом упругая волна напряжения сжатия и волна электромагнитного поля работают в одной фазе. В данном случае происходит направленное движение заряженных дислокаций на границах минеральных зерен, которое сопровождается дипольным взаимодействием расходящихся берегов субмикротрещин с внешним электромагнитным полем. При воздействии упругой волны напряжения растяжения на породу включают отрицательную полуволну тока магнитного диполя 17 от генератора импульсов (на фиг. 1 совокупность позиций 20, 22, 23, 35, 17, 37). В этом случае волны работают также в одной фазе, но противоположной волне напряжения сжатия. Знакопеременные высокоградиентные динамические волновые воздействия на породу обеспечивают более интенсивный рост микротрещин на межзерновых границах минералов кристаллической структуры. При уменьшении удельного электрического сопротивления, например для железистых кварцитов на 3-4 порядка при высокоградиентом импульсном магнитном воздействии на разрушаемый массив, которое контролируется датчиком электросопротивления 36, промышленный компьютер 21 включает источник тока 2 кондуктивного ввода энергии в породу [3]. В результате чего происходит ослабление межзерновых связей с последующей диспергацией породы наDepending on the physical and technical properties of the rocks, the parameters of the pulsed electromagnetic field generated by the magnetic dipole 17 of the magnetic field induction B and the elastic waves of stresses G y created by the mechanism 34 and the solenoid 10 are selected. For example, for magnetite ferruginous quartzites, the magnetic field induction is within 1.5-5 T, the pulse duration ranges from 100-300 μs, the pulse repetition rate is 1 · 10 2 -5 · 10 5 Hz, and the parameters of the elastic stress waves are characterized by an amplitude of 150-250 MPa with a frequency of 0.5- 2.5 · 10 2 Hz and duration 0.5-2 ms with a maximum output within 1 ms. When an elastic wave is subjected to compression stress, for example in the form of a half-sine wave, the phase of which is monitored by a sensor 24 — a recorder of kinematic parameters of elastic waves of the RKP-1Sh type, the amplitude of the magnetic field of dipole 17 is formed by positive half-waves of the current of the pulse generator via a high-voltage diode bridge 23 (Fig. 1 ) In this case, the elastic wave of compression stress and the wave of the electromagnetic field work in one phase. In this case, there is a directed movement of charged dislocations at the boundaries of mineral grains, which is accompanied by a dipole interaction of diverging banks of submicrocracks with an external electromagnetic field. Under the influence of an elastic wave, tensile stresses on the rock include a negative half-wave of the current of the magnetic dipole 17 from the pulse generator (in Fig. 1, the set of positions 20, 22, 23, 35, 17, 37). In this case, the waves also work in one phase, but the opposite wave of compression stress. Alternating high-gradient dynamic wave effects on the rock provide a more intensive growth of microcracks at the intergranular boundaries of the minerals of the crystalline structure. When reducing the electrical resistivity, for example, for ferruginous quartzites by 3-4 orders of magnitude with a high-gradient pulsed magnetic effect on the destructible array, which is controlled by the resistance sensor 36, industrial computer 21 includes a current source 2 of conductive energy input into the rock [3]. As a result, there is a weakening of intergrain bonds with subsequent dispersion of the rock on
- 3 014050 участке одновременного воздействия электромагнитных упругих волн напряжения, а также импульсов тока. Деструкция породы на этом участке вызывает увеличение электрического сопротивления в несколько порядков. После чего изменяют вектор индукции магнитного поля диполя 17 по сигналу с датчика сопротивления 36 посредством аналого-цифрового преобразователя 36, компьютера 21, исполнительного блока 28 с механизмом перемещения 35 и блока 29, подключенного к высоковольтному диодному мосту 23, обеспечивающего ориентацию вектора индукции по отношению к токовому (плазменному) каналу пробоя 39 в породе 1 и направлению распространения упругих волн напряжений (фиг. 1). На фиг. 2 изображена схема пространственного расположения магнитного диполя по отношению к забою, а также направление вектора магнитной индукции В по отношению к направлению тока 1 (низкотемпературному плазменному потоку) и направлению упругой волны напряжения Ру. Вектор индукции магнитного поля В ориентируют ортогонально к направлению тока 1, протекающего между центральным 5 (бойком) и периферийным электродами, и направлению распространения упругой волны напряжения. В результате этих воздействий возникают сдвиговые и растягивающие напряжения Рр, приводящие к полной деструкции обрабатываемого участка массива. Далее осуществляют обработку последующего участка с ненарушенной сплошностью породы аналогично предыдущему участку. Процесс обработки породы повторяют до полной диспергации породы в обрабатываемой зоне.- 3 014050 plot of simultaneous exposure to electromagnetic elastic stress waves, as well as current pulses. The destruction of the rock in this area causes an increase in electrical resistance by several orders of magnitude. After that, the magnetic field induction vector of the dipole 17 is changed by a signal from the resistance sensor 36 by means of an analog-to-digital converter 36, a computer 21, an executive unit 28 with a movement mechanism 35, and a unit 29 connected to a high-voltage diode bridge 23 providing orientation of the induction vector with respect to the current (plasma) breakdown channel 39 in rock 1 and the propagation direction of the elastic stress waves (Fig. 1). In FIG. 2 shows the spatial arrangement of the magnetic dipole with respect to the bottom, as well as the direction of the magnetic induction vector B with respect to the direction of current 1 (low-temperature plasma flow) and the direction of the elastic stress wave P y . The magnetic field induction vector B is oriented orthogonally to the direction of the current 1 flowing between the central 5 (striker) and the peripheral electrodes, and the propagation direction of the elastic voltage wave. As a result of these influences, shear and tensile stresses P r arise, leading to complete destruction of the processed section of the array. Next, the processing of the subsequent section with undisturbed continuity of the rock is carried out similarly to the previous section. The process of processing the rock is repeated until the rock is completely dispersed in the treated area.
Процесс деструкции породы, сопровождающийся эффектом снижения электросопротивления при вышеуказанных режимах воздействия физических полей, подтвержден экспериментально [3].The process of rock destruction, accompanied by the effect of reducing electrical resistance under the above modes of exposure to physical fields, has been confirmed experimentally [3].
Одновременное воздействие на слоистый сложноструктурный массив железистых кварцитов импульсного электромагнитного поля и упругих волн напряжений приводит к повышению эффективности его разрушения (дезинтеграции) преимущественно по слоям с одной стороны и образованию микронарушений вокруг мономинеральных зерен магнетита с другой стороны, т. е. за счет образования микронарушений по плоскостям спайности зерен происходит ослабление межзерновых связей. Разрушение, например, железистых кварцитов по слоям происходит вследствие того, что весь слой магнетита в магнитном поле будет деформироваться в направлении, лежащем в плоскости слоя. Это явление обусловлено тем, что длинная ось монокристаллов, например магнетита, в слоистых кварцитах преимущественно параллельна плоскости слоя или оси анизотропии массива. В результате между ферромагнитным (проводящим слоем) и вмещающими прослойками (непроводящими слоями кварца) возникают сдвиговые напряжения по границе зерен минералов в основном за счет магнитокинетического эффекта [3], пондеромоторных сил, а также за счет сопутствующих эффектов и их совокупного действия (пьезо-, магнитострикционного, магнитоэлектрического, скин-эффекта).The simultaneous effect of a pulsed electromagnetic field and elastic stress waves on a layered complex-structural array of ferruginous quartzites leads to an increase in the efficiency of its destruction (disintegration) mainly along the layers on the one hand and the formation of micro-disturbances around monomineral grains of magnetite, on the other hand, i.e., due to the formation of micro-disturbances along The cleavage planes of the grains are weakened intergranular bonds. The destruction of, for example, ferruginous quartzites in layers occurs due to the fact that the entire magnetite layer in a magnetic field will be deformed in the direction lying in the plane of the layer. This phenomenon is due to the fact that the long axis of single crystals, for example magnetite, in layered quartzites is predominantly parallel to the plane of the layer or axis of the anisotropy of the array. As a result, shear stresses arise along the grain boundary of minerals between the ferromagnetic (conducting layer) and the containing layers (non-conducting layers of quartz) mainly due to the magnetokinetic effect [3], ponderomotive forces, and also due to the accompanying effects and their combined action (piezoelectric, magnetostrictive, magnetoelectric, skin effect).
Отдельные зерна магнетита, контактирующие с кварцем, деформируются с частотой электромагнитного поля и на их границах возникают напряжения растяжения и сжатия. Прохождение упругих волн напряжений приводит к разрушению массива по слоям и границам между зернами магнетита и кварца.Individual magnetite grains in contact with quartz are deformed with the frequency of the electromagnetic field and tensile and compression stresses arise at their boundaries. The passage of elastic stress waves leads to the destruction of the array along the layers and boundaries between the grains of magnetite and quartz.
Процесс транспортирования разрушенной тонкодиспергированной горной массы осуществляется из зоны породоразрушающего органа шнеком 42 (шнеками), который(е) заключен(ы) во внешнюю гибкую транспортную оболочку 43, имеющую прорези (щели), позволяющие рабочей кромке шнека 42 (шнеков) производить поступательные движения диспергированной породы по внутренней цилиндрической оболочке 4 (на фиг. 4 показано направление движения породы) в сторону разгрузки. В результате зацепления лопасти шнека 42 о стенки образованной выработки в точках К производится надвигание рабочего органа на забой. Лопасти шнека 42 (шнеков) могут быть армированы высокопрочными, износостойкими и эластичным полимерными материалами, например полиуретаном (Э-201Т). Под действием собственного веса или принудительным направленным воздействием головная часть рабочего органа осуществляет жесткое зацепление лопасти шнека 42 со стенками выработок, что при соответствующем направлении вращения шнека (шнеков) приводит к поступательному движению вперед или назад.The process of transporting the destroyed finely dispersed rock mass is carried out from the rock-cutting organ zone by a screw 42 (screws), which (e) is enclosed (s) in an external flexible transport shell 43 having slots (slots) that allow the working edge of the screw 42 (screws) to produce translational movements of the dispersed rocks along the inner cylindrical shell 4 (in Fig. 4 shows the direction of movement of the rock) in the direction of discharge. As a result of the engagement of the auger blades 42 on the walls of the formed mine at points K, the working body is pushed to the bottom. The blades of the screw 42 (screws) can be reinforced with high-strength, wear-resistant and flexible polymeric materials, such as polyurethane (E-201T). Under the influence of its own weight or forced directed action, the head of the working body rigidly engages the auger blades 42 with the walls of the workings, which, with the corresponding direction of rotation of the auger (augers), leads to forward or backward movement.
При разработке сложноструктурных массивов в сложных горно-геологических условиях (при наличии сильнообводненных участков, тектонических нарушений и т.д.) и селективной выемке полезных компонентов возникает необходимость изменения направления фронта работ и пространственного положения не только головной части рабочего органа, но и транспортной оболочки 43 (фиг. 7). В связи с этим транспортная оболочка 43 должна повторять форму и направление горной выработки. Для изменения направления горных работ рабочему органу и транспортной оболочке 43 подается управляющий сигнал с промышленного компьютера 21 на исполнительный(е) механизм(ы) 47, посредством которого(ых) изменяется пространственное положение кольца 46 (колец). Сигнал также подается на исполнительный механизм управления (на фиг. 7 не показан) тяговыми элементами 45. Для обеспечения контактов тяговых элементов 45 с внутренней поверхностью транспортной оболочки 43 в определенных точках на кольце(ах) 46 закреплены прижимные устройства 49 со штоками 50, которые могут обеспечивать плотный контакт тяговых элементов 45 с поверхностной оболочкой для осуществления изменения пространственного положения транспортной оболочки 43 и рабочего органа по сигналу промышленного компьютера 21.When developing complex structural arrays in difficult geological conditions (in the presence of heavily watered sections, tectonic disturbances, etc.) and selectively extracting useful components, it becomes necessary to change the direction of the front of work and the spatial position of not only the head of the working body, but also the transport shell 43 (Fig. 7). In this regard, the transport shell 43 must repeat the shape and direction of the mine. To change the direction of mining operations, the working body and the transport shell 43 are supplied with a control signal from the industrial computer 21 to the actuator (s) mechanism (s) 47, by means of which the spatial position of the ring 46 (rings) is changed. The signal is also fed to the actuating control mechanism (not shown in FIG. 7) by the traction elements 45. To ensure the contacts of the traction elements 45 with the inner surface of the transport sheath 43 at certain points on the ring (s) 46, clamping devices 49 with rods 50, which can provide tight contact of the traction elements 45 with the surface shell to effect a change in the spatial position of the transport shell 43 and the working body according to the signal of the industrial computer 21.
На фиг. 8 показана упрощенная структурная схема системы проходки горных выработок в сложноструктурных массивах крепких пород, связывающая основные технологические процессы с процессами управления исполнительными механизмами посредством промышленного компьютера. Указанная схемаIn FIG. Figure 8 shows a simplified block diagram of a mining system in complex structural arrays of hard rocks, connecting the main technological processes with the control processes of actuators using an industrial computer. Specified circuit
- 4 014050 включает ранее описанную блок-схему БС управления породоразрушающим органом (фиг. 1б), которая выделена пунктиром. Перед началом проходки горных выработок на основании базы данных создается программа управления всеми технологическими процессами, учитывающая геоструктурные особенности массива, его обводненность, трещиноватость, блочность, крепость пород, влияющих на пространственное положение фронта работ.- 4 014050 includes the previously described block diagram of the BS for controlling the rock cutting body (Fig. 1b), which is indicated by a dotted line. Before starting mining operations, a program for managing all technological processes is created on the basis of the database, taking into account the geostructural features of the massif, its water cut, fracturing, blocking, and rock strength, which affect the spatial position of the front of work.
При реализации изобретения с использованием вышеописанной системы появляется возможность проходки горных выработок в сложных горно-геологических условиях, включая сильнообводненные сложноструктурные массивы, при селективной выемке полезных компонентов. Работа системы позволяет достичь высокой степени деструкции породы, перевода ее в мелкодисперсное состояние и транспортировку из забоя гибкими транспортными средствами с большой скоростью.When implementing the invention using the above-described system, it becomes possible to mine openings in difficult geological conditions, including heavily flooded complex structures, with the selective extraction of useful components. The operation of the system allows to achieve a high degree of destruction of the rock, transferring it to a finely dispersed state and transporting it from the bottom with flexible vehicles at high speed.
В свою очередь, высокая степень деструкции горной породы способствует снижению энергозатрат, повышению производительности и скорости проходки или бурения в 2-3 раза, позволяет значительно уменьшить металлоемкость оборудования и повысить безопасность горно-проходческих работ за счет исключения нахождения персонала в рабочей зоне.In turn, a high degree of rock destruction helps to reduce energy consumption, increase productivity and speed of penetration or drilling by 2-3 times, significantly reduce the metal consumption of equipment and improve the safety of mining operations by eliminating the presence of personnel in the working area.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.Sources of information taken into account during the examination.
1. Патент РФ № 2116451, Ε21Ό 9/1, 1996.1. RF patent No. 2116451, Ε21Ό 9/1, 1996.
2. Патент РФ № 2144139, Ε21Ό 10/12, Ε21Ό 9/12, 1997 (прототип).2. RF patent No. 2144139, Ε21Ό 10/12, Ε21Ό 9/12, 1997 (prototype).
3. В.Н. Анисимов. Взрывомагнитная деструкция кристаллических материалов (горных пород) различными импульсными динамическими волновыми воздействиями. Издание ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 2008 г., с. 128.3. V.N. Anisimov. Explosive magnetic destruction of crystalline materials (rocks) by various pulsed dynamic wave effects. Edition of VVIA them. professors N.E. Zhukovsky, 2008, p. 128.
4. В.Н. Анисимов. Мощные взрывомагнитные воздействия, их влияние на процесс деструкции и возникновение новых эффектов в кристаллических горных породах. Отдельный выпуск горного информационно-аналитического бюллетеня. Москва. Изд-во МГГУ, 2007, с. 18.4. V.N. Anisimov. Powerful explosive magnetic effects, their influence on the destruction process and the emergence of new effects in crystalline rocks. A separate issue of the mountain news and analytical bulletin. Moscow. Moscow State University for the Humanities, 2007, p. eighteen.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA200802037A EA014050B1 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | System for rock mine working in complex massifs of hard rock |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA200802037A EA014050B1 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | System for rock mine working in complex massifs of hard rock |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200802037A1 EA200802037A1 (en) | 2010-02-26 |
| EA014050B1 true EA014050B1 (en) | 2010-08-30 |
Family
ID=42041965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200802037A EA014050B1 (en) | 2008-08-25 | 2008-08-25 | System for rock mine working in complex massifs of hard rock |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA014050B1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112483086B (en) * | 2020-10-30 | 2022-02-08 | 北京科技大学 | System for causing metal ore bed to be cracked by instant electric pulse and using method |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU107589A1 (en) * | 1955-12-24 | 1956-11-30 | В.С. Пикуль | Underground excavation machine |
| SU541984A1 (en) * | 1974-12-04 | 1977-01-05 | Институт Геотехнической Механики Ан Украинской Сср | The executive body of the tunnel miner |
| SU1229354A1 (en) * | 1984-04-24 | 1986-05-07 | Институт угля СО АН СССР | Entry-driving shield unit |
| SU1549153A1 (en) * | 1988-07-06 | 1995-10-10 | Фрунзенский политехнический институт | Hole making robot and transporting mechanism of hole making robot |
| EP0921270A1 (en) * | 1996-08-22 | 1999-06-09 | Komatsu Ltd. | Underground augering machine by electrical crushing, excavator, and its excavating method |
| RU2204008C2 (en) * | 2000-03-07 | 2003-05-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки | Method and device for superhigh frequency of electrothermomechanical drilling |
| RU2312217C1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный горный университет" (МГГУ) | Method to break rock having crystalline structure |
-
2008
- 2008-08-25 EA EA200802037A patent/EA014050B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU107589A1 (en) * | 1955-12-24 | 1956-11-30 | В.С. Пикуль | Underground excavation machine |
| SU541984A1 (en) * | 1974-12-04 | 1977-01-05 | Институт Геотехнической Механики Ан Украинской Сср | The executive body of the tunnel miner |
| SU1229354A1 (en) * | 1984-04-24 | 1986-05-07 | Институт угля СО АН СССР | Entry-driving shield unit |
| SU1549153A1 (en) * | 1988-07-06 | 1995-10-10 | Фрунзенский политехнический институт | Hole making robot and transporting mechanism of hole making robot |
| EP0921270A1 (en) * | 1996-08-22 | 1999-06-09 | Komatsu Ltd. | Underground augering machine by electrical crushing, excavator, and its excavating method |
| RU2204008C2 (en) * | 2000-03-07 | 2003-05-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки | Method and device for superhigh frequency of electrothermomechanical drilling |
| RU2312217C1 (en) * | 2006-05-19 | 2007-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный горный университет" (МГГУ) | Method to break rock having crystalline structure |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA200802037A1 (en) | 2010-02-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2658570C (en) | Portable and directional electrocrushing drill | |
| US5106164A (en) | Plasma blasting method | |
| CA2581701C (en) | Pulsed electric rock drilling, fracturing, and crushing methods and apparatus | |
| CA2661026C (en) | Portable electrocrushing drill | |
| CA2860775A1 (en) | Apparatus and method for supplying electrical power to an electrocrushing drill | |
| US6000479A (en) | Slimhole drill system | |
| US11225856B2 (en) | Acoustic stimulation | |
| CN107035316A (en) | A kind of rock surface fracturing microwave focusing radiator | |
| Anders et al. | Electric impulse drilling: The future of drilling technology begins now | |
| RU2385417C2 (en) | Electrohydraulic breaking and crushing method for solid materials | |
| US11293735B2 (en) | Multi-firing swivel head probe for electro-hydraulic fracturing in down hole fracking applications | |
| CN110094156B (en) | Rock breaking device assisting impact by using high-frequency electric pulse and construction process thereof | |
| EA014050B1 (en) | System for rock mine working in complex massifs of hard rock | |
| EP3234297B1 (en) | Device and method for crushing rock by means of pulsed electric energy | |
| US20190186886A1 (en) | Apparatus for Plasma Blasting | |
| RU2376468C1 (en) | Device for destruction of hard rocks | |
| CN208089227U (en) | Multi-electrode electric crushing drill bit and electric crushing experimental device | |
| EP0453076B1 (en) | Plasma blasting method | |
| RU2312217C1 (en) | Method to break rock having crystalline structure | |
| EP4112867A1 (en) | Apparatus, drilling arrangement and method for high voltage electro pulse drilling | |
| Zhao et al. | Rock Fracturing by Low Power Microwave Treatment-Observations, Mechanisms and Applications | |
| AU2011226873B2 (en) | Pulsed electric rock drilling, fracturing, and crushing methods and apparatus | |
| CN109877975B (en) | Double-pulse plasma rock breaking generation device | |
| US20210116226A1 (en) | Apparatus for Plasma Blasting | |
| Voitenko et al. | A phased splitting off from the high-strength concrete by an electro-blasting method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): RU |