NO142926B - Fremgangsmaate og anordning for bryting av et fast materiale, saasom fjell. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en anordning for bryting av et fast materiale, såsom stein eller fjell, hvorved det bores et hull i det materiale som skal brytes, og brytingen skjer ved hjelp av i hullet innført, forholdsvis inkompressibelt fluidum, eksempelvis vann.

Konvensjonelle brytingsmetoder, såsom boring-lading-sprengning, og mekanisk bearbeidelse har mange ulemper. Boring-lading-sprengningsteknikken medfører ulempen med støy, gasser, støv og rundtflygende, løssprengte steinstykker, hvilket innebærer at både personell og apparatur må fjernes fra arbeidsområdet. Mekanisk bearbeidelse krever store kref-ter for å knuse steinen eller fjellet og verktøyslitasjen er stor.

Videre er det i tysk patent 241 966 i forbindelse med kullbryting blitt foreslått å utnytte en hydraulisk brytingsteknikk. Kullstrossen gjennombløtes ved tilførsel av vann til et i strossen boret hull inntil at porene i hullveggen i det vesentlige er blitt fylt av vann. Vanntilførselen inn i hullet økes da plutselig sprangvis. Strossen kan ikke oppta den plutselig tilførte, store vann-mengde, slik at det oppnås en brytekraft i borehullet. På grunn av de små brytekrefter som oppnås ved denne metode,

kan bare myke materialer, såsom kull, brytes.

I det amerikanske patent 3 521 820 er det

også blitt foreslått å bryte fjell ved hjelp av vannstråler som med høy hastighet skytes mot fjellet. For harde berg-arter gjelder at det kreves stråler med en anslagshastighet av størrelsesorden 2000 meter pr. sek. for å sikre bryting. Dette innebærer i mange tilfeller at deler av utrustningen

må arbeide ved meget høyttrykk, hvilket medfører øket fare for utmattingsbrudd og store tetningsproblemer.

Oppfinnelsen har som formål å tilveiebringe en hydraulisk brytingsteknikk som muliggjør bryting av harde, kompakte materialer, såsom fjell, under utnyttelse av en utrustning som arbeider ved forholdsvis lavt trykk.

Ovennevnte formål oppnås ved en fremgangsmåte

og en anordning som er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte trekk.

Oppfinnelsen skal beksrives nærmere i det føl-gende under henvisning til tegningene der forskjellige ut-førelsesformer er vist som eksempel. Det er underforstått at disse utførelsesformer bare har til hensikt å illustrere oppfinnelsen, og at forskjellige modifikasjoner er mulige innen-for rammen av patentkravene.

Med det i patentkravene benyttede uttrykk "fluidum" skal forstås en forholdsvis irtkompressibel materie som endrer sin form ved påvirkning av en kraft, som har tendens til å flyte eller å tilpasse seg formen på et omsluttende hylster, og som omfatter væsker, plastisk formbare materialer og flyt-bare blandinger av væsker og faste stoffer. Som eksempel på

en sådan materie kan nevnes vann, bly og plastelina.

På tegningene viser fig. 1 et sideriss i snitt

av en anordning ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser i snitt en del av anordningen på fig. 1 i større målestokk, fig. 3

viser en annen utførelse av en anordning ifølge oppfinnelsen, fig. 4 og 5 viser alternative utførelsesformer av et i et borehull innført rør ved en anordning ifølge oppfinnelsen,

fig. 6 viser et skjematisk sideriss av et mobilt aggregat som bærer en anordning ifølge oppfinnelsen, fig. 7 viser et skjematisk riss sett bakfra av aggregatet på fig. 6, og fig. 8 viser en utførelse av et prosjektil som er beregnet for anvendelse ved en anordning ifølge oppfinnelsen.

I de forskjellige figurer er tilsvarende deler betegnet med samme henvisningstall.

På fig. 1 og 2 er vist en med.10 generelt betegnet kanon for innskyting av fluidum i form av et fluidumstempel 11 i et boret, sylindrisk blindhull 12. Blindhullet' 12 bores med konvensjonell teknikk. Fluidumstempelet ut-gjøres i den viste utførelsesform av vann, men andre fluida kan anvendes. Kanonen 10 omfatter en pipe eller et rør 13. Røret 13 er sentrert i forhold til hullet 12 og munner ut

like foran hullåpningen. I kanonens 10 bakre parti er inn-skrudd et bakstykke 14. Bakstykket 14 er forsynt med en gjennomgående kanal 15. Fluidumet påfylles røret 13 gjennom kanalen 15. En tilbakeslagsventil 15 i kanalen 15 forhindrer at fluidumet renner ut av røret 13.

Et ladningskammer 16 for drivfluidum er anordnet rundt den bakre del av røret 13. Dette drivfluidum, som utgjøres av trykkluft eller en annen trykkgass, anvendes for akselerasjon av fluidumstempelet 11. På fig. 2 er vist en plate 21 inn-satt mellom drivfluidumet og fluidumstempelet . 11. Platen 21 er beregnet å bibeholde fluidumstempelets form uforandret ved å hindre forekomst av såkalte fingre som kan oppstå når luft av høyt trykk virker på en vannflate. Platen 21 kan innføres i pipen eller røret 13 ved at bakstykket 14 skrues av. Deretter påfylles fluidumet via kanalen 15 og et med denne konsentrisk hull i platen 21. Platen 21 kan alternativt utføres uten hull, idet fluidumet kan påfylles gjennom en i forhold til røret 13 radialt rettet, ikke vist ledning.

Platen 21 er under visse forhold ikke nødvendig. Ved å ut-forme fluidumstempelet 11 med tilstrekkelig lengde og ved å styre trykklufttilførselen på passende måte ved hjelp av den viste sleide 17, kan man begrense utbredelsen av de nevnte fingre slik at akselerasjonen av stempelet blir mulig uten å benytte platen 21. Ventilsleiden 17 kan omstilles ved tilførsel av manøverluft til den ene av to kanaler 18, 19.

Ved omstilling av sleiden 17 fra den på fig. 2 viste stilling kan trykkgassen i kammeret 16 bringes til å virke på fluidum.-stempelets 11 bakre endeflate via platen 21. Fluidumsitempe-let 11 begynner således å akselereres. Ved ekspansjon av trykkgassen i kammeret 16 vil en fortsatt akselerasjon av fluidumstempelet n inntreffe under denne transport gjennom røret 13. Når det akselererte fluidumstempel forlater røret 13, skytes det inn i hullet 12. Det foran fludiumstempelet 11 i røret 13 tilstedeværende volum avluftes gjennom spalten mellom røret og fjellet.

Når fluidumstempelet treffer hullets bunn, dannes det momentant et høyt trykk i denne, under ideelle strømningsforhold det såkalte væskeslagtrykk p = pcv der p er fluidumets tetthet, c er dets lydhastighet og v dets anslagshastighet mot hullets bunn. Dette trykk vil virke på hullets bunnflate og mantelvegg, og dersom trykket overstiger materialets enaksede strekkfasthet, dannes sprekker i dette.

Sprekkene kan forplante seg videre dersom fluidumet far strømme inn i og utfylle disse under fortsatt trykk-virkning, hvorved fluidumstempelets . bevegelsesenergi sukses-sivt blir konsumert, men imidlertid kreves et stadig lavere trykk for fortsatt sprekkutbredelse etter hvert som sprekk-arealet vokser.

Fullstendig bryting eller utslag inntreffer når i det minste tre sprekker er drevet så langt at de skjærer en fri flate, dvs. når frem til materialets omgivelse.

For fullstendig bryting kreves det således dels et tilstrekkelig høyt trykk i hullet, dvs. en viss minimums-hastighet for fluidumstempelet, og dels en tilstrekkelig mengde fluidum, slik at et tilstrekkelig antall sprekker kan drives ut mot den frie flate mot hvilken utslag skal skje.

Da fluidumstempelets diameter er tilnærmet lik hullets diameter, innebærer det sistnevnte krav at fluidumstempelet må ha en lengde som overstiger et visst mål som beror på hulldybde, fordemming og hullavstand.

Da fludiumstempelets bevegelsesenergi kan ut-trykkes som

der p er fludiumstempelets tetthet, A dets tverrsnittsareal,

L dets lengde og v dets hastighet, kan man også uttrykke vilkåret' for fullstendig bryting slik at det kreves en viss hastighet og en viss bevegelsesenergi for fluidumstempelet.

For å understreke den store betydning som fluidumstempelets masse har, kan vilkåret for bryting alternativt ut-trykkes slik at det kreves, foruten en viss hastighet, en viss bevegelsesmengde, dvs. produktet av stempelets masse og hastighet.

I praksis påvirkes nødvendig trykk i hullet og nødvendig energi av flere andre faktorer. Forekomsten av naturlige sprekkdannelser i materialet reduserer vanlig-vis det nødvendige trykk mens samtidig en større mengde fludium, dvs. en større energimengde, må tilføres for å kom-pensere for det fludium som lekker ut gjennom sprekkdannelsene.

Videre går det med større trykk og energi for å drive sprekkene jo hardere innspent materialet er. F.eks. trenges større trykk og energi ved kilebryting enn hva til-fellet er ved pallbryting ved bryting av fjell eller berg.

Som typiske verdier på benyttede fluidumstempel-hastigheter kan nevnes 100 - 300 m/s og bevegelsesenergier mellom 500 og 20 000 joule.

For å oppnå en tilstrekkelig stor masse, bør fluidumstempelet gis en lengde mellom 0,2 og 2,0 meter. Den optimale lengde avhenger av sådanne faktorer som hulldybde, hulldiameter og fordemming.

Ved praktisk utnyttelse av oppfinnelsen ønsker man i alminnelighet at sprekkene skal løpe ut fra hullets bunn slik at så mye materiale som mulig brytes løs.

I denne forbindelse foreligger to vanskeligheter. Dersom materialet er jevnsterkt og hullet er utformet uten skarpe hjørner og kanter som gir opphav til lokale spennings-konsentrasjoner, innledes sprekker slumpartet over hele trykkets virkningsområde i hullet. Deretter vil de sprekker som befinner seg nærmest hullets munning, lettest kunne forplante seg, for jo tynnere materialsjiktet mellom sprekken og hullmunningen er, jo mindre kraft kreves for deformasjon. Resultatet blir at bryting fra hullets fulle dybde ikke kan tilveiebringes.

Man kan tenke seg at denne vanskelighet kan overvinnes ved at hullet fremstilles slik at overgangen mellom hullets bunn og hullets vegg blir så skarp at det oppnås en lokal spenningskonsentrasjon, slik at sprekker bare skulle innledes og utløpe fra denne sone ved trykksetting. Dette forut-setter imidlertid at materialet forøvrig er homogent og jevnsterkt. Dette er imidlertid sjelden tilfelle i praksis og særlig ikke ved bergbryting, der forekomsten av eldre, natur-lig oppståtte sprekker forstyrrer prosessen.

En måte å unngå begge disse vanskeligheter på

er å innføre pipen eller røret i hullet inntil i størrelses-orden i det minste halve hullets dybde.

Forplantningen av de sprekker som befinner seg

i hullbunnens nærhet, prioriteres derved ved at fluidumet må snu og overvinne en strømningsmotstand før det kan nå frem til sprekker som befinner seg utenfor rørets munning. En sådan brytingsmetode er illustrert på fig. 3 som viser en ut-førelsesform av oppfinnelsen ved hvilken hullet 12 kan orien-teres vilkårlig i forhold til kanonen 10. Kanonens 10 pipe er utformet som et rør. Forøvrig er kanonen 10 utført i overensstemmelse med fig. 2. Røret 20, som fortrinnsvis er bøyelig, er innført i hullet 12. Fluidums.tempelet 11 akselereres mot hullbunnen ved hjelp av drivgassen i kammeret 16. Det av fluidums tempelet 11 og hullbunnen avgrensede volum avluftes gjennom et hull 22. Avluftingen kan alternativt skje langs utsiden av røret 20 mellom dette og hullets vegg. Røret 20, som således har mindre ytterdiameter enn hull-diameteren, er passende forsynt med utvendige sentreringsflenser ved i det minste sin fremre .ende. Foruten langs rørets 20 utside kan avluftingen også skje gjennom en eller flere åpninger i røret 20. Avlufting kan også skje ved at en anordning for bortsugning av luft anordnes rundt røret 20 ved borehullåpningen.

Rørets 20 aksiale posisjon i hullet 12 kan varieres. Spesielt kan rørets 20 munning anordnes like foran hullåpningen. Pipen eller røret 13 i den på fig. 1 viste kanon 10 kan innføres i hullet 12 til forskjellig hulldybde. Avlufting kan da utføres ifølge en av de metoder som er angitt ovenfor i forbindelse med fig. 3. Fig. 4 viser en utforming av pipen 13 (eller røret 20) ved hvilken en innrettet eller rettet sprekkvirkning oppnås. Rettet oppsprekking kan med fordel benyttes når brytingen utføres som pallbryting, idet utslag skjer mot en fri flate 26 i pallen. Pipen 13 er delvis avskåret ved sin fremre ende for dannelse av en siderettet utløpsåpning 23. Den i forhold til utløpsåpningen 23 motstående side av pipen eller røret 13 er utformet som en rettedor 24. På tilsvarende måte som i det tilfelle da pipen innføres i hullet, prioriteres sprekkut-bredelsen i den retning utløpsåpningen peker. Denne rettes således mot den frie flate mot hvilken utslag ønskes. På denne måte tilveiebringes en effektiv utnyttelse av fluidumstempelets energi. Fig. 5 viser en alternativ utforming for oppnåelse av rettet sprekkvirkning. I stedet for å utgjøre en med pipen 13 integrert enhet, er rettedoren utformet som en separat enhet 25 som innføres i borehullet til dettes bunn.

Den på fig. 4 viste anordning kan modifiseres

på forskjellig måter for oppnåelse av ønsketsprekkvirknings-retning. Ved å utelate doren 24 prioriteres, sprekkutbredelse både nedover og til siden takket være åpningen 23. Ved å an-ordne flere åpninger rundt pipens 13 omkrets, oppnås sprekkvirkning i et valgfritt antall retninger. Ved anvendelse av mer lettflytende fluida • kan det iblant være vanskelig å sikre at fluidumet helt eller i det minste for størstedelen opp-fører seg som et stempel ved innføring i det borede hull, særlig dersom dette er dypt i forhold til diameteren.

Fig. 8 viser en utførelsesform som bortskaffer denne vanskelighet. Fluidumet er innkapslet i et hylster 30 av et materiale som lett brister av det trykk som oppstår når fluidumstempelet slår an mot hullets bunn. Eksempler på så-dant materiale er papp og plast. Ifølge en ytterligere modi-fikasjon kan fluidumstempelet utformes med en bakre begrens-ningsplate på den måte som er vist på fig. 1 og 2, og en fremre plate. Den fremre plate er da beregnet for å opprettholde stempelets fremre endeflate uforandret for å sikre nødvendig anslagskraft mot borehullets bunn når stempelet slår mot denne.

Fig. 6 og 7 viser skjematisk et aggregat for understøttelse av anordningen ifølge fig. 3. Aggregatet opp-viser et med drivbelter 60 forsynt understell 61. Dette bærer en nedfellbar bom 62 som er såvel svingbar som hev- og senkbar i forhold til understellet 61. Bommen 62 bærer ved sin frie ende en materbjelke 63. En maskinelt matet fjellboremaskin 64 er forskyvbart styrt langs materbjelken. Fjellboremaskinen avgir slag mot en borstang 65 som samtidig roteres.

Understellet 61 bærer også kanonen 10. Røret

20 strekker seg langs bommen 62 og er forbundet med denne for opptagelse av de massekrefter som opptrer ved fluidumstempelets fremdrivning gjennom røret. Rørets 20 fremre ende er forbundet med materbjelken 63. Røret monteres på materbjelken slik at det rager forbi denne en avstand som svarer til den lengde av røret som er beregnet for å innføres i borehullet. Materbjelken anbringes mot fjell- eller bergoverflaten med en kraft som overstiger den reaksjonskraft som virker på røret under fluidumstempelets fremdrivning. Den på materbjelken anordnede propp eller dubb som er beregnet for anlegg mot fjellet, er utformet på stempelstangenden på en hydraulisk sylinder. Aggregatet anvendes på følgende måte. Ved hjelp av fjellboremaskinen 64 bores et hull i det materiale som er beregnet for bryting. Deretter rettes munningen på røret 20 mot en flate i borehullet ved hjelp av den innstillings-anordning som består av den nedfellbare bom 62, materbjelken 6 3 og tilhørende hydraulikk. Et fluidumstempel akselereres ved hjelp av akselerasjonsorganet (kanonen) 10 til en for oppnåelse av sprekkdannelse i materialet nødvendig hastighet og rettes inn i det borede hull.

Det på fig. 6 og 7 viste aggregat kan selvsagt anvendes for oppnåelse av rettet sprekkvirkning ifølge fig. 4 og 5. Den på fig. 5 viste rettedor 25 kan da være forbundet med materbjelken 63 og føres inn i hullet samtidig som røret

20 innrettes mot hullet.

En rekke prøver er blitt utført med de ovenfor beskrevne anordninger. Man har i denne forbindelse konsta-tert at det nødvendige drivtrykk i ladningskammeret kan senkes vesahtlig dersom rettet sprekkdannelse (fig. 4 og 5) anvendes. Ved en prøve ble det benyttet en utrustning ifølge fig. 1 og

5, idet pipens eller rørets 13 lengde var 1200 mm. Pipen 13 ble rettet ca. 45 grader oppover fra horisontalplanet. Hullets 12 dybde var 160 mm og dets diameter var 41 mm. Forholdet mellom pipens diameter og hullets frie tverrsnittsdiameter var 0,78. Med et vannstempe.l med lengden 1500 mm og et drivtrykk

i kammeret 16 på 100 bar ble pallbryting utført med en fordemming på 250 mm.

Den ovenfor angitte teori angående vilkårene

for bryting tar ikke hensyn til den effekt som forårsakes av kompresjon av luftvolumet mellom f luidumstem<p>elet 0<3 hullets bunn. Studium av trykket i simulerte borehull tyder på at

en eventuell kompresjon påvirker bryteforløpet på gunstig måte, særlig hva angår frembringelsen av sprekker. Denne kompre-sjonseffekt blir mindre jo mindre det relative arealforhold mellom fluidumstempelet og hullet er.

Man har funnet at tilfredsstillende bryting oppnås dersom fludiumstempelet har en tverrsnittsdiameter som ligger mellom 70 og 100% av hullets frie tverrsnittsdiameter. Med fri tverrsnittsdiameter menes diameteren på

et tomt hull eller innerdiameteren på pipen i de tilfeller da denne innføres i hullet. Det er fordelaktig at fludiumstempelets diameter er minst 90% av den frie tverrsnittsdiameter.

Oppfinnelsen kan også med fordel anvendes for oppnåelse av intervallbryting. Ved å variere lengden av slangen mellom kanonen og hullet oppnås ønsket intervall.

Med en fordemming mellom 200 mm og 400 mm kan passende intervall beregnes å ligge mellom 1 ms og 2ms. Dersom vannstempelets hastighet er 200 m/s, innebærer dette at slangelengdene varieres med en trinnlengde mellom 0,2 m og 0,4 m.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte ved bryting av et fast materiale, såsom fjell, hvorved et hull bores i det materiale som skal brytes, og brytingen skjer ved hjelp av i hullet innført, forholdsvis inkompressibelt fluidum, eksempelvis vann, karakterisert ved at fluidumet utformes som et fluidumstempel (11), at fluidumstempelet som et sammenhengende, langstrakt masselegeme akselereres til en for oppnåelse av sprekkdannelse i materialet nødvendig anslagshastighet og rettes for anslag inn i det borede hull (12) mot en flate i dette, slik at materialet brytes ved utnyttelse av den trykkpuls som oppstår i fluidumstempelet ved dettes anslag mot flaten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fluidumstempelet i form av et vannstempel akselereres til fortrinnsvis en hastighet av størrelsesorden 100 - 300 meter pr. sekund.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fluidumstempelet rettes for anslag mot hullets bunn.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at fluidumstempelet (11) rettes inn i hullet gjennom et i hullet innført rør (20).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at fluidumstempelet (11) akselereres til den ønskede anslagshastighet i det nevnte rør.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fluidumstempelet i hullet helt eller delvis avbøyes for anslag i sideretningen mot en del av hullveggen (fig. 4 og 5).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at røret (13; 20) innføres i hullet fortrinnsvis til i nærheten av hullets bunn.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at fluidumstempelet gis en lengde av 0,2 - 2,0 meter.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at fluidumstempelet helt eller delvis begrenses av et hylster.

10. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at fluidumstempelet gis en diameter som er minst 70% av hullets diameter.

11. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at fluidumstempelet gis en diameter som er minst 90% av hullets diameter.

12. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge ett av kravene 1 -.H, for bryting av et fast materiale, såsom fjell, hvorved et hull bores i det materiale som skal brytes, og brytingen skjer ved hjelp av i hullet innført, forholdsvis inkompressibelt fluidum, eksempelvis vann, karakterisert ved at et med munningen mot en flate i borehullet ved hjelp av en innstil-lingsanordning innrettbart rør (13; 20) er slik anordnet at det i sitt indre danner et prosjektilleie for opptagelse av et langstrakt, av fluidumet dannet, homogent fluidumstempel (11), idet røret (13; 20) er tilordnet organer for akselerasjon av fluidumstempelet (11) i røret til en for oppnåelse av sprekkdannelse i materialet nødvendig anslagshastighet mot flaten i borehullet.

13. Anordning ifølge krav 12, karakterisert ved at fluidumstempelet er dannet av vann med en lengde av 0,2 - 2,0 meter og at akselerasjonsorganet i røret tildeles en munnings-hastighet av størrelsesorden 100 - 300 meter pr. sekund.

14. Anordning ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at rørets (20) munning av innstillingsanordningen er anordnet for å innføres i hullet fortrinnsvis til i nærheten av hullets bunn.

15. Anordning ifølge krav 14, karakterisert ved at røret ved munningen er tilordnet en rettedor (24; 25) for avbøyning av fluidumstempelet i sideretningen mot en del av hullveggen.

16. Anordning ifølge krav 15, karakterisert ved at røret og rettedoren (24) utgjør en enhet og en siderettet, overfor rettedoren (24) beliggende utløpsåpning (23) danner munningen.

17. Anordning ifølge krav 14, karakterisert ved at røret (20) har avluftingsanordninger (22) for luftvolumet foran fluidumstempelet i røret.

18. Anordning ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at fluidumstempelet helt eller delvis er begrenset av et hylster.