NO314809B1

NO314809B1 - Fremgangsmåte og anordning for styrt fragmentering og fjerning av et hardtmateriale

Info

Publication number: NO314809B1
Application number: NO19980528A
Authority: NO
Inventors: John David Watson; Brian P Micke
Original assignee: Rocktek Ltd
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2003-05-26
Also published as: EP0843774A4; AU721900B2; DE69630606D1; ATE253685T1; PL324882A1; WO1997006348A1; US6145933A; PL183120B1; CN1072302C; AP9801193A0; JPH11510575A; AU6766596A; AP1053A; EP0843774A1; CA2235676A1; CN1198794A; ZA966727B; NO980528D0; US5803550A; EP0843774B1

Description

OMRÅDE FOR OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for styrt fragmentering og fjerning av et hardt materiale, så som fjell eller betong, hvor et hull med en bunn er lokalisert i en fri overflate av materialet, idet hullet tilføres en gass og trykksettes, hvorved en fraktur forandrer seg utover fra bunnen av hullet, og derved danner en fraktur i minst én del av det harde materialet lokalisert tilstøtende hullet.

Videre angår oppfinnelsen en anordning for styrt fragmentering av et hardt materiale, omfattende en maskin for frakturering av materialet ved trykksetting av bunnen av et hull i en fri overflate av materialet med en gass frigjort inne i hullet.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Utgravning av fjell er en primæraktivitet ved gruvedrift, steinbruddsdrift, og anleggskonstruksjonsindustri. Det er et antall av viktige ikke oppfylte behov innen disse industrier som er relatert til utgravningen av fjell og andre harde materialer. Disse innbefatter:

Redusert kostnad ved fjellutgravning

Økte utgravningsmengder

Forbedret sikkerhet og reduserte kostnader for sikkerhet

Bedre styring over nøyaktigheten av utgravningsprosessen Kostnadseffektiv fremgangsmåte for utgravning som er akseptabel i urbane og miljømessige sensitive områder.

Bore- og sprengningsmetoder er de som mest vanligvis anvendes og er de mest anvendbare midler for fjellutgravning. Disse metoder er ikke passende for mange urbane miljøer på grunn av bestemmelsesrestriksjoner. Ved produksjons-gruvedrift er bore- og sprengningsmetoder fundamentalt begrenset i produk-sjonsmengder idet ved gruveutvikling og anleggstunneldrift, er bore- og sprengningsmetoder fundamentalt begrenset i fremdriftstakt på grunn av den sykliske naturen til storskala bore- og sprengningsprosesser.

Tunnelboringsmaskiner er benyttet for utgravninger som krever lange, relativt rette tunneler med sirkulære tverrsnitt. Disse maskinene er sjeldent benyttet i gruvedriftsoperasjoner.

Tunnelmaskiner («Roadheader»-maskiner) er benyttet ved gruvedrift og konstruksjonsanvendelser, men er begrenset til moderat harde, ikke abresive fjellformasjoner.

Mekaniske slagknusere er i dag benyttet som et middel for å knuse overdi-mensjonert fjell, betong og armerte betongkonstruksjoner. Mekanisk slagknuser-teknologi har gått fremover ved å øke slagenergien og slagfrekvensen til knuse-verktøyet gjennom bruken av høyenergihydraulikksystemer; og gjennom bruken av høystyrke, høyfrakturseighetsstål for verktøykronen. Mekaniske slagknusere kan benyttes i de fleste arbeidsplassmiljø på grunn av mangelen på luftutslipp og deres relativt lave seismiske virkning. Som et generelt utgravningsverktøy er mekaniske slagknusere begrenset til relativt svake fjell- (stein-) formasjoner med en høy grad av frakturering. De hardere fjellformasjoner (ikke-begrensede trykkstyrker over 60 til 80 MPa), faller utgravningseffektiviteten av mekaniske slagknusere hurtig og verktøyborkroneslitasje øker hurtig. Mekaniske slagknusere kan ikke selv utgrave en undergrunnsflate i massive harde fjellformasjoner økonomisk.

Sprengladningsteknikker med liten ladning kan benyttes i alle fjellformasjo-nene innbefattende massive, harde fjellformasjoner. Sprengning med liten ladning innbefatter fremgangsmåter hvor små mengder av sprengstoffmidler er forbrukt på en gang, i motsetning til episodiske konvensjonelle bore- og sprengningsoperasjoner som involverer boring av flere hullmønstere, ladning av hullene med sprengladninger, sprengning ved millisekundregulering av salven til hvert individuelle hull og i hvilken 10 til 1000 kg av sprengningsmiddel er benyttet.

Sprengning med liten ladning kan tilveiebringe flygestein som er uaksepta-bel for nærværende maskineri og konstruksjoner og kan generere uakseptabelt luftutslipp og støy. I tillegg, kan ikke sprengningsteknikken med liten ladning økonomisk benyttet for å grave ut med den presisjon som ofte er påkrevet.

US 4.080.000 omtaler generelt en utgravnings- eller tunnelgravningsmaskin som er flyttbar langs fundamentet til tunnelen, ettersom maskinen skaper tunnelen. Patentet beskriver en mangfoldighet av verktøy som er festet til tunnelgrav-ningsmaskinen til bruk i å skape tunnelen, innbefattende men ikke begrenset til en støthammer, en utgravningsskrue, og et utgravningsbomverktøy. Patentet tilveiebringer imidlertid ingen foranstaltninger for å holde det frakturerte materiale på plass ved flaten.

US 5.098.163 tilhørende innehaveren av den foreliggende oppfinnelse og omtaler generelt en fremgangsmåte for å bryte harde kompakte materialer gjennom bruken av sprengstoff eller drivmidler plassert i hull som perkusjonsmessig har blitt boret i det harde materialet. Sprengstoffene eller drivmidlene, når de er riktig plassert, er så antent og tjener til å frakturere det harde materialet, slik at det frakturerte materialet kan fjernes. Patentet unnlater imidlertid å omtale at det frakturerte materialet holdes på plass ved flaten.

US 5.308.149 som tilhører innehaveren av den foreliggende oppfinnelse, omtaler bruken av en trykksatt gass fra å frakturere hardt materiale. Hull er boret i det harde materialet og bunnen av hullet er fylt med en trykksatt gass, slik at den initierer og sprer en styrt fraktur fra hullbunnen, idet det omgivende fjell ikke knu-ses. Patentet anviser ikke hvordan det frakturerte materialet skal holdes på plass ved flaten.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Det er således et behov for en fremgangsmåte og middel for å bryte fjell effektivt og med lavhastighetflygestein slik at boring, gravningsmasse, transport og grunnstøtteutstyr kan forbli ved arbeidsstedet under fjellbrytningsoperasjoner.

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en fremgangsmåte for styrt fragmentering og fjerning av et hardt materiale som angitt i innledningen av beskrivelsen og som er kjennetegnet ved at den omfatter: (a) minst størsteparten av det frakturerte partiet holdes på plass ved den frie overflaten av materialet; og; (b) deretter fjernes det frakturerte materialet som er på plass ved slag-påvirkning av det frakturerte materialet som er på plass med en butt gjenstand, hvori den butte gjenstanden kontakter det frakturerte materialet som er på plass med en slagenergi på minst omkring 0,5 kJ og en slagfrekvens på minst omkring ett slag pr. sekund. Videre oppnås målene ved en anordning for styrt fragmentering av et hardt materiale som angitt i innledningen av beskrivelsen og som er kjennetegnet ved (a) innretning for å hindre spredningen av den trykksatte gassen fra hullet etter frigjøring av gassen i hullet og derved frakturere minst en del av materialet som omgir hullet, hvori minst det meste av det frakturerte materialet forblir på plass ved den frie overflaten av materialet;

Fremgangsmåten tilveiebringer et antall av fordeler. Kombinasjonen av

sprengning med liten ladning og slagknuserteknikker øker betydelig fjellbrytnings-effektiviteten til begge teknikker sammenlignet med deres respektive effektiviteter når de benyttes separat. Kombinasjonsbruken av sprengning med liten ladning og slagknuserteknikker tillater typisk et større volum av fjell og fjernes over en kortere tidsperiode enn ellers mulig med separat bruk av sprengning med liten ladning og slagknuserteknikker spesielt i harde materialer. Kombinasjonen av de to teknikker tilbyr videre fordelene av sprengning med liten ladning (for eksempel bruken av en lav seismisk signatur og lav mengde med flygestein under sprengning), med fordelene av slagknuserteknikker (for eksempel evnen til å justere konturen av ut-gravningsflaten og findele store stykker av fjell ved flaten for å øke gravningsmas-seoperasjonen).

Gassen kan frigjøres i bunnen av hullet ved detonasjon av et sprengstoff eller forbrenning av et drivmiddel. Ladningssprengningsteknikker med liten ladning kan innbefatte skyting av hull individuelt eller skyting av flere hull samtidig. Den seismiske signaturen (påkjenningen) av sprengningsmetoder med liten ladning er relativt lav på grunn av den lille mengden av sprengningsmiddel som benyttes ved et tidspunkt. Sprengningsteknikker under grunnen med liten ladning involverer fjerning av typisk i størrelsesorden omkring 0,3 til omkring 10 m3 fast fjell pr. salve som benytter fra omkring 0,15 til omkring 0,5 kg med sprengningsmiddel, avhengig av fremgangsmåten som benyttes. I overflateutgravninger, liten ladning og over-flatesprengningsteknikker med liten ladning, kan størrelsen av ladningen og mengden av sprengt fjell pr. salve økes til omkring 1 til omkring 3 kg sprengningsmiddel for å fjerne omkring 10 til omkring 100 m<3> fast fjell pr. salve.

Slagknuseren støter fortrinnsvis mot det frakturerte partiet av den frie overflaten med en slagenergi som varierer fra omring 0,5 til omkring 500 KJ. Slagfrekvensen av slagknuseren varierer typisk fra omkring 1 slag pr. sek. til omkring 200 slag pr. sek.

Slagtrinnet følger fortrinnsvis direkte frigjøring og forseglingstrinnene. Tek-nikkene kan sekvensielt anvendes på en hull-ved-hull basis eller for flere hull samtidig.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Fig. 1 er en graf som viser produksjonsmengdene av (1) en typisk mekanisk knuser, (2) en typisk sprengningsprosess med liten ladning og (3) kombinasjonen av de to metodene som ved funksjon av ikke-renset fjelltrykkstyrke. Denne grafen illustrerer hvorledes ytelsen av kombinasjonen av de to metodene er større enn summen av de to individuelt. Fig. 2 er et avskåret sideriss av de generelle elementene til en sprengningsprosess med liten ladning som viser et kort borehull, en innsats (patron) ved bunnen av hullet som inneholder en mengde av sprengningsmiddel og en ten-ningsinnretning, og en innretning for fordemning (forladning, forsegling) av ladningen for å konsentrere gassproduktene mot bunnen av hullet. Fig. 3 er et avskåret sideriss av et krater formet i en fjellflate ved en liten ladningssprengningsprosess som viser det fragmenterte fjellet som utstøtes fra krateret og de gjenværende frakturene som forblir under kraterområdet. Fig. 4 er et avskåret sideriss av en fjellflate hvor to korte hull har blitt boret og skutt ved en liten ladningsprengningsprosess, slik at fjellet som omgir hullene ikke har blitt fjernet. Denne skjematiske representasjonen viser en stor fraktur eller frakturer drevet inn i fjellet nær bunnen av hullene og andre gjenværende mindre frakturer som kommer fra den lille ladningssprengningen og illustrerer hvorledes nabounderoverflatefraktumettverk kan svekke den totale fjellstrukturen. Fig. 5 er et avskåret sideriss av en typisk mekanisk slagknuser som viser knusersammenstillingen og knuserverktøykronen. Knusersammenstillingen er vist montert på en leddet bomsammenstilling festet til en underbærer. Fig. 6 er et avskåret sideriss av en fjellflate hvor en mekanisk slagknuser-verktøyborkrone har støtet mot fjellflaten som bevirker at frakturer injiseres i det omgivende fjellet. Fig. 7 er et avskåret sideriss av et utgravningssystem som viser underbæreren, en bom på hvilken en mekanisk slagknuser er montert, en bom på hvilken en liten ladningssprengningsapparat er montert. Fig. 8A er et avskåret sideriss av et lite ladningssprengningsapparat montert på en indekseringsmekanisme som igjen er montert på enden av en leddet bomsammenstilling; og Fig. 8B er et frontriss av indekseringsmekanismen som viser et fjellbor og et sprengningsapparat med liten ladning.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSEN

Den foreliggende oppfinnelse er basert på kombinasjonsbruken av en sprengningsprosess med liten ladning og en mekanisk slagknuser (også kjent som en hydraulisk hammer eller slagbrekker). En sprengningsmetode med liten ladning involverer at fjellet brytes ut i små mengder ved å benytte små mengder av sprengstoff, i motsetning til episodisk konvensjonell boring og sprengningsoperasjoner som involverer boring av flere hullmønstere, ladning av hullene med eks-plosive ladninger (for eksempel i mengder som varierer fra omkring 20 til omkring 250 tonn i overflateutgravninger), sprengning ved millisek.-regulering av sprengningen av hvert individuelle hull, ventilering og gravningsmassesykluser. I under-grunnsutgravninger, benytter sprengningsteknikker med liten ladning fortrinnsvis en mengde av sprengningsmiddel som varierer fra omkring 0,15 til omkring 0,5, mer foretrukket fra omkring 0,15 til omkring 0,3 og mest foretrukket fra omkring 0,15 til omkring 0,2 kg for å fjerne en mengde av materiale som varierer fra omkring 0,3 til omkring 10, mer foretrukket fra omkring 1 til omkring 10, og mest foretrukket fra omkring 3 til omkring 10 haug m<3>.1 overflateutgravninger, benytter sprengningsteknikker med liten ladning en mengde av sprengningsmiddel som varierer fortrinnsvis fra omkring 1 til omkring 3, mer foretrukket fra omkring 1 til omkring 2,5, og mest foretrukket fra omkring 1 til omkring 2 kg for å fjerne en mengde av materiale som varierer fra omkring 10 til omkring 100, mer foretrukket fra omkring 15 til omkring 100, og mest foretrukket fra omkring 20 til omkring 100 m<3>fast fjell. «Fast fjell» er m<3> av fjell på plass, og ikke m<3> av løst fjell som er fjernet fra fjellflaten.

Sprengning med liten ladning involverer vanligvis individuelle sprengnings-hull, men kan innbefatte sprengning av flere hull samtidig. Den seismiske innvirk-ningen av sprengningsmetoder med liten ladning er relativt lav på grunn av den lille mengden av sprengningsmiddel som benyttes ved et tidspunkt. Foretrukne sprengningsmidler innbefatter sprengstoff og drivmidler.

Det kan være fordelaktig å bore og skyte flere hull samtidig (innen en total periode på mindre enn 1 sek.), selv om den totale mengden av sprengningsmiddel som benyttes vil være i størrelsesorden på omkring 2 kg eller mindre for sprengning med liten ladning. Imidlertid vil de fleste sprengningsmetoder med liten ladning fremvist heri normalt utføres ved boring og skyting av et kort hull hvert flere minutt. Gjennomsnittstiden mellom sekvensielle liten ladningsprengningsavfyringer varierer fra omkring 0,5 min. til omkring 10 min., mer foretrukket fra omkring 1 minutt tii omkring 6 min. og mest foretrukket fra omkring 1 min. til omkring 3 min.

Sprengningsteknikker med liten ladning kan modifiseres for å optimalisere effektiviteten av slagknuseren ved å anvende dypere borehull enn det som normalt er anvendt for sprengningsteknikker med liten ladning. Dypere borehulldyb-der minimaliserer vesentlig flygesteinenergi ved å bevirke at mer av den frakturerte steinen forblir på stedet i topografien. I fjell varierer hulldybden når sprengningsteknikker med liten ladning er kombinert med slagknuserteknikker fortrinnsvis fra omkring 3 til omkring 15 hulldiametere. I en utførelse, forblir en vesentlig mengde av det frakturerte fjellet på plass ved topografien. Ladningen overfører typisk kun nok energi til fjellet for å frakturere fjellet, men bevirker ikke at fjellet flyttes fra topografien. Fortrinnsvis forblir minst omkring 50%, mer foretrukket minst omkring 75%, og mest foretrukket minst omkring 80% på plass ved topografien.

Den mekaniske slagknuseren opererer ved avlevering av en rekke av mekaniske slag mot fjellet. Kontaktområdet til knuseren med det frakturerte fjellet varierer fortrinnsvis fra omkring 500 til omkring 20 000 mm<2>. Slagenergier er i området av flere KJ og frekvensen av hammerslagene er i området på omkring 1 til omkring 100 slag pr. sek. Den mekaniske slagknuseren kan også benyttes for å kile, brekke og rive ut fjell som er frakturert eller delvis fraskilt. Den mekaniske slagknuserenergien pr. slagsprengning varierer fortrinnsvis fra omkring 0,5 KJ til omkring 20 KJ, mer foretrukket fra omkring KJ til omkring 15 KJ og mest foretrukket fra omkring 1 KJ til omkring 10 KJ. Den mekaniske slagknuserfrekvensen varierer fortrinnsvis fra omkring 1 slag pr. sek. til omkring 100 slag pr. sek. mer foretrukket fra omkring 5 slag pr. sek. til omkring 100 slag pr. sek. og mest foretrukket fra omkring 25 slag pr. sek. til omkring 100 slag pr. sek.

Den foreliggende oppfinnelse involverer bryting av fjell eller annet hardt materiale slik som betong, ved å benytte en sprengningsmetode med liten ladning interaktivt med en mekanisk slagknuser for å oppnå meget effektiv fjellbrytning; nøyaktig styring av enhver flygestein forbundet med sprengningsprosessen med liten ladning; en seismisk virkning; og presisjonsstyring av periferien av utgravningskonturen. Flygesteinens kinetiske energi varierer fortrinnsvis fra omkring 0 til omkring 450 J pr. kg, mer foretrukket fra omkring 0 til omkring 100 J pr. kg og mest foretrukket fra 0 til omkring 50 J pr. kg. Toppseismisk partikkelhastighet er målt ved 10 m fra salvepunktet eller støtpunktet og varierer fortrinnsvis fra omkring 0 til omkring 30 mm pr. sek., mer foretrukket fra omkring 0 til omkring 15 mm pr. sek. og mest foretrukket fra omkring 0 til omkring 2 mm pr. sek. Overbrytning som målt fra den beregnede utgravningskonturen varierer fortrinnsvis fra omkring 0 til omkring 150 mm, mer foretrukket fra omkring 0 til omkring 100 mm og mest foretrukket fra omkring 0 til omkring 50 mm.

I både frakturert og massivt hardt fjell, kan kombinasjonsbruken av sprengning med liten ladning og mekaniske knusere tilveiebringe optimal ytelse. For eksempel hender det at en salve ikke fullstendig klarer å bryte ut fjellet og en hydraulisk knuser kan effektivt og hurtig fullføre fjellbrytingen eller fjerningen. Det er antatt at i mange anvendelser kan en operatør ha en tendens til å undersprenge hull for å minimalisere flygestein. Funksjonen til knuseren er således å fullføre brytingen av fjellet; for å behandle det bristede fjellet til den ønskede fragmenteringsstørrelsen; og trimme konturen av utgravningen til den spesifiserte dimensjonen; og å fjerne små humper og fremspring.

I relativt svakt frakturerte fjellformasjoner, kan den mekaniske slagknuseren operere alene med fornuftig effektivitet (energi påkrevet for å fjerne et enhets-volum av fjellet) og med akseptabel levetid for knuseverktøykronen. Effektiviteten til den mekaniske slagknuseren kan forbedres ved å benytte en eller flere salver med en sprengningsprosess med liten ladning for å frakturere og svekke fjellet. Hvis ønsket kan det sentrale partiet av utgravningen fullstendig fjernes sprengningen med liten ladning; som skaper ytterligere frie overflater for den mekaniske slagknuseren. Borehullet påkrevet for sprengningsprosessen med den lille ladningen kan bores dypt nok for å sikre at fjellet enten er frakturert rundt bunnen av borehullet uten å være forflyttet, eller fjellet er forflyttet med meget lavenergiflygestein. I relativt svakt frakturerte fjellformasjoner, vil den mekaniske slagknuseren generelt benyttes for å utgrave volumet av fjellet. For eksempel kan sprengningen med liten ladning fjerne i størrelsesorden 20% av fjellet, idet den mekaniske slagknuseren vil fjerne de resterende 80%.

I moderat sterkt fjell med noe frakturering, minsker både utgravningseffektiviteten og verktøyborkronelevealderen til den mekaniske slagknuseren som resul-tat av økt fjellhardhet, redusert frakturering og, ofte tap av heterogenitet i fjellfor-masjonen. I denne situasjonen, er antallet av småladningssprengningsborehull øket for å svekke og/eller fjerne en større fraksjon av utgravningen. Den mekaniske slagknuseren er benyttet for å fjerne ethvert gjenværende løsbundet fjell i det sentrale partiet av utgravningen, og er benyttet for å gjøre ferdig utgravningen til den ønskede periferien eller trimlinjen av utgravningen. Igjen kan borehullet som er påkrevet for sprengningsprosessen med liten ladning bores dypt nok for å sikre at fjellet enten er frakturert rundt bunnen av borehullet uten å forflyttes, eller fjellet er flyttet med en meget lavenergiflygestein. I moderat sterkt fjell med noe frakturering, vil sprengninger med liten ladning og den mekaniske slagknuseren fjerne omtrent like mengder av utgravningen.

I relativt hard til meget hard, massive fjellformasjoner, kan ikke den mekaniske slagknuseren selv fragmentere eller fjerne noen betydelige mengder av fjell og verktøyborkronelevetiden er vesentlig redusert eller lik 0.1 dette tilfellet må sprengning med liten ladning eller andre midler benyttes for å fragmentere fjellet. Sprengning med liten ladning er i stand til å grave ut harde, massive fjellformasjoner alene, mens dens utgravningseffektivitet er også vesentlig redusert. Relativt korte hull må bores i hardere fjell. Hvis hullet er for dypt, vil lite eller ikke noe fjell flyttes. Hvis hullet er for kort, kan energien av flygesteinen være meget høy, som resulterer i skade på nærværende utstyr. Imidlertid hvis borehullene for sprengning med liten ladning er boret dypere i steden for grunnere, er hendelsen av energiflygestein nærmest eliminert. Etter flere salver med liten ladning, har det blitt funnet at en mekanisk slagknuser så kan flytte større partier av fjell. Dette er på grunn av at sprengningssalver med liten ladning har skapt et nettverk av underoverflatefrakturer i områdene rundt bunnen av borehullene og har svekket fjellet tilstrekkelig for en mekanisk slagknuser slik at den gjenvinner effektivitet med akseptabel verktøyborkronelevetid. I harde, massive fjellformasjoner, må mange flere sprengningssalver med liten ladning utføres. Mengden av støthamring avheng-er av hvor mye fjell som i virkeligheten er fjernet av sprengningen med liten ladning. I tillegg til å skyte ut det sentrale partiet av utgravningen, må småladnings-salver utføres nær periferien av utgravningen. Den mekaniske slagknuseren, på grunn av dens utmerkede styring, benyttes fremdeles for å tilveiebringe den ferdi-ge trimmingen av den ønskede konturen.

Nøkkelkonseptet med kombinasjonsbruken av sprengning med liten ladning og den mekaniske slagknuseren er at effektiviteten ved å bruke begge er mye høyere enn effektiviteten ved å benytte den ene prosessen for seg selv. Knuseren, øker i virkeligheten gjennomsnittlig ytelsene av sprengningsprosessen med liten ladning. Sprengning med liten ladning øker effektiviteten og verktøylevetiden til den mekaniske slagknuseren og forlenger dens bruksområde til hardere, mindre frakturerte fjellformasjoner.

Foreksempel, i fjell som har en ikke-begrenset trykkstyrke (UCS) på omkring 60 til omkring 100 MPa, kan den mekaniske knuseren alene antas å kreve omkring 4 timer for å fjerne omkring 30 m<3> (ved omtrent 100 kW avlevert til fjellflaten). En sprengningsprosess med liten ladning alene kan kreve omkring 21 og omkring 20 salver for å utgrave omkring 30 m<3> (ved omtrent 0,3 kg (1 MJ) sprengningsmiddel pr. salve). Når de benyttes sammen, kan utgravningen av 30 m<3> ut-føres med to eller tre sprengningssalver med liten ladning, som kan ta 34 time og 1 time med mekanisk slagknuser.

Ved 75% utnyttelse, vil den mekaniske slagknuseren alene forbruke 18 MJ av energi og ta fire timer for å fullføre utgravningen. Sprengningen med liten ladning alene vil forbruke 20 MJ og ta tre timer for å utføre utgravningen (knuseren vil ofte benyttes for å utføre den endelige konturen), kombinasjonsbruken vil forbruke omkring 7,5 MJ og utføre utgravningen på omkring 114 time.

Som et ytterligere eksempel, i fjell med en ubegrenset trykkstyrke (UCS) på omkring 250 til omkring 300 MPa, vil den mekaniske knuseren alene ikke være i stand til å bryte i virkeligheten noe fjell. En sprengningsprosess med liten ladning alene kan kreve 5 timer og 60 salver for å utgrave 30 m<3>. Når de benyttes sammen, kan utgravningen av 30 m<3> fullføres ved omkring 15 til omkring 25 sprengningssalver med liten ladning som kan ta 2 timer og ytterligere 2 timer med mekanisk slagknusing for å flytte fjellet som ikke er flyttet ved sprengningen med liten ladning, rense og løsne fjell og trimme konturen av utgravningen.

Sprengning med liten ladning alene vil forbruke omkring 60 MJ og ta omkring 6 timer for å fullføre utgravningen (knuseren vil måtte benyttes for å sørge for den endelige konturen). Kombinasjonsbruken vil forbruke fra omkring 25 til omkring 35 MJ og fullføre utgravningen på 4 timer.

Sammenligningen av utgravningsproduksjonsmengdene for mekaniske slagknusere alene; sprengning med liten ladning alene; og kombinasjonsbruken av de to er vist i fig. 1.

Den foreliggende oppfinnelse representerer derfor en betydelig utvidelse av mekaniske slagknusere og sprengningsmetoder med liten ladning ved å kombinere de to metodene på en måte som vesentlig øker ytelsen av hver over summen av deres ytelse når de virker alene. Kombinasjonsbruken kompenserer også for signifikante begrensninger av hver metode når den virker alene.

Ved å kombinere de to metodene, er produktivitet (som målt ved m<3> av fjell fragmentert pr. time) øket over bruken av enhver metode individuelt fortrinnsvis ved en faktor på omkring 2 til omkring 10, mer foretrukket ved en faktor på omkring 3 til omkring 10, og mest foretrukket ved en faktor på omkring 4 til omkring 10.

Ved å kombinere de to metodene, er ytelsen av den mekaniske slagknuseren vesentlig forbedret i svakt fjell og utvidet til medium og harde fjellformasjoner hvor, når den virker alene, er den mekaniske slagknuseren ikke i stand til å utføre økonomiske utgravningsmengder.

Ved å kombinere de to metodene, er verktøyborkroneslitasje av den mekaniske slagknuseren betydelig redusert og ytterligere frie overflater er utviklet på grunn av at fjellet er svekket ved den foregående sprengning med liten ladning.

Ved å kombinere de to metodene, er den gjennomsnittlige ytelsen av sprengningssalvene med en liten ladning betydelig øket, ved faktorer på 2 til 10 på grunn av at den mekaniske slagknuseren kan fraskille frakturert fjell som blokkerer den effektive plasseringen av etterfølgende avfyringer med liten ladning. Ved å kombinere de to metodene, kan avfyringshull med liten ladning bores dypere, og derved redusere eller eliminere energien av flygesteinen fra salven med liten ladning.

BRUDDMEKANISME TIL SPRENGNING MED LITEN LADNING

Ved sprengning med liten ladning, er et kort hull boret i fjellet, en liten mengde av sprengningsmiddel er plassert i hullet, ladningen er fordemmet eller stampet ved et passende materiale, slik som sand, slam, fjell eller ved en stålstang, og ladningen er initiert. Gassen utviklet av ladningen kan initiere og utvikle nye frakturer eller utvikle eksisterende frakturer, og derved utgrave et lite volum av fjell rundt borehullet. Hovedelementene til en sprengningsprosess med liten ladning er vist i fig. 2.

Borehullet kan bores på en slik måte for således å garantere at frakturer vil drives ferdig og bruddfjellet vil akselereres bort fra fjellflaten med betydelig energi slik som illustrert i fig. 3.1 dette tilfellet vil det gjenværende fjellet inneholde noe gjenværende frakturering rundt det utgravede krater og krateret vil utgjøre ytterligere frie overflater. Begge disse frakturer vil virke til å øke ytelsen av en mekanisk knuser.

Alternativt kan hullet være boret dypere på en slik måte at det hindrer frakturer fra å bli utviklet til overflaten eller, hvis frakturene ikke når overflaten, er det lite gassenergi gjenværende for å akselerere fragmenteringene av bristet fjell. Denne situasjonen er vist i fig. 4.1 dette tilfellet vil fjellet rundt borehullet ha tålt et nettverk av frakturer som betydelig vil svekke fjellet og virke til å øke ytelsen av en mekanisk knuser. I tillegg vil frakturer som har utviklet seg til overflaten være til-gjengelig for den mekaniske slagknuseren som steder hvor fjellet kan brekkes, kiles eller rives løs.

Hovedforutsetningen for sprengning med liten ladning er fjerningen av små volumer av fjell pr. salve ved en rekke av sekvensielle salver i motsetning til episodisk konvensjonell boring og sprengningsoperasjoner som involverer boring av flere hullmønstere, ladning av hull med sprengstoffladninger, sprengning ved re-gulering av sprengningen av hvert individuelle hull, ventilering og transport-sykluser. Mengden av fjell fjernet pr. salve ved sprengning med liten ladning er i området omkring V£ til omkring 3 m<3> og tidsintervaller mellom salvene er typisk 2 min. eller mer.

Det er flere midler for å utføre sprengning med liten ladning. Disse innbefatter men er ikke begrenset til: 1. Boring og avfyring av et kort hull og anvendelse av en konvensjonell bore- og sprengningsteknikk. Bunnpartiet av hullet kan lades med en eksplosiv ladning og stampes med sand og/eller fjell. Dette er basert på utgravning og velkjent basis bore- og sprengningspraksis. 2. Boring og avfyring av et kort hull ved å anvende putesprengnings-teknikker. Her kan bunnpartiet av hullet lades med en eksplosiv ladning som er frakoplet fra fjellet og stampet med sand og/eller fjell. Dette er også basert på eksisterende og velkjente grunnleggende bore- og sprengningspraksis. 3. Anvendelse av en gassinjektor for å trykksette bunnen av et kort borehull, slik som legemliggjort i US patent nr. 5.098.163, 24. mars 1992, (med tittelen «Controlled Fracture Method and Apparatus for Breaking Hard Rock and Concrete Materials».

4. Anvendelse av en drivmiddelbasert lade-i-hullet metode for å trykk

- sette bunnen av et kort borehull, slik som legemliggjort i US patent nr 5.308.149, 3. mai 1994, med tittelen «Non-Explosive Drill Hole Pressurization Method and Apparatus for Controlled Fragmentation

of Hard Compact Rock and Concrete».

5. Anvendelse av en sprengstoffbasert metode for å trykksette bunnen

av et kort borehull, slik som legemliggjort i US patentsøknad nr 6.035.784 med tittel "A Method and Apparatus for Controlled Small-Charge Blasting of Hard Rock and Concrete by Explosive Pressurization of the Bottom of a Drill Hol»).

Den foretrukne metode for sprengning med liten ladning vil avhenge av typen fjellformasjon og de beste resulterende fraktureringsmønsterne for å oppnå optimal ytelse ved den mekaniske knuseren.

BRUDDMEKANISME FOR DEN MEKANISKE SLAGKNUSEREN

Den mekaniske slagknuseren avleverer en rekke av høyenergislag til fjellflaten. En typisk mekanisk slagknuser er vist i fig. 5. Energien av de individuelle slagene kan være i området av et få hundre J til titalls KJ. Frekvensen av slag kan være fra få slag pr. sek. til over 100 slag pr. sekund. Hvert slag vil utvikle et sjokk-støt i fjellet som vil reflektere fra en nærliggende fri overflate og plassere fjellet i spenning for å skape forholdene som er nødvendig forfrakturinitiering. Hvert slag kan også forlenge eksisterende frakturer. Et sterkt sjokkstøt består av et sterkt sjokk umiddelbart etterfulgt av en brå svekningsbølge, slik at forhøyningen og fal-let av trykk oppstår under en tid som er kort sammenlignet med tiden påkrevet for en seismisk bølge og krysse volumet av fjellet påvirket av impulsen. Disse meka-nismene er illustrert i fig. 6. Seriene av slag kan også lage vribrasjonsspen-ningsmønstere i fjellet som kan øke bruddet. Knuserverktøyborkronen kan også benyttes for å bryte eller kile fjell fra hverandre ved å tvinge seriene inn i delvis åpne frakturer.

BRUDDMEKANISME FOR KOMBINASJONEN AV SPRENGNING MED LITEN LADNING OG EN MEKANISK SLAGKNUSER

En eller flere salver med liten ladning kan avfyres i en fjellflate for å skape enten (1) et nettverk av underoverflatefrakturer; (2) ytterligere frie overflater; eller (3) en kombinasjon av begge. Ved å utvikle frakturnettverk og ytterligere frie overflater, skaper sprengningen med liten ladning forholdene som er nødvendig for at en mekanisk slagknuser kan bli effektiv.

I mange tilfeller, resulterer bruken av sprengning med liten ladning alene i flere hull i hvilke brudd er ufullstendig enda fjellet rundt hullbunnen kan være frakturert.

Påfølgende hull vil måtte plasseres langt nok fra hverandre for å unngå situasjoner hvor trykket utviklet i påfølgende hullbunn ikke kan ventilere for tidlig inn i tidligere formede underoverflatefrakturer, og derved redusere ytelsen av salven. Denne situasjonen kan reduseres eller elimineres ved å bore korte hull for å sikre at frakturene når overflaten og fjellet er fullstendig fjernet. Dette fører imidlertid til situasjoner hvor vesentlige mengder av gassenergi kan akselerere det fragmenterte fjellet for å produsere flygestein eller tilstrekkelig energi for å ødelegge nærliggende utstyr.

Hvis hullene med liten ladning er boret dype nok til å frakturere fjellet rundt hullbunnen uten å fjerne fjellet (ekvivalent til underavfyring av hullet), så kan en

mekanisk slagknuser benyttes for å fjerne fjellet uten fare for høyenergiflygestein. På denne måten, kan fjellflaten rengjøres for løst fjell og påfølgende sprengnings-satser med liten ladning kan plasseres i kompetent fjell og derved redusere mulig-heten for for tidlig ventilering av trykket utviklet i hullbunnen.

Bruken av sprengning med liten ladning utvider således området for fjellstyrker hvor knuseren kan effektivt operere. Knuseren kan hjelpe til med å eliminere det løse fjellet som reduserer effektiviteten av sprengning med liten ladning og hjelper til med å forhindre hendelsen av høyenergiflygestein.

KOMPONENTER FOR DET KOMBINERTE SYSTEM

Basiskomponentene for kombinasjonen av mekanisk slagknuser, liten lad-ningssprengningssystem er:

• bomsammenstillingen og underbæreren

• den mekaniske slagknuseren

• fjellboret

• den lille ladningssprengningsmekanismen

• indekseringsmekanismen

Basiskomponentene til systemet er vist skjematisk i fig. 7. De følgende pa-ragrafer beskriver egenskapene til de forskjellige komponentene.

BOMSAMMENSTILLINGEN OG UNDERBÆREREN

Bæreren kan være enhver standard gruvedrift eller konstruksjonsbærer eller enhver spesiell konstruert bærer for montering av bomsammenstillingen eller bomsammenstillingene. Spesielle bærere for sjaktsynking, strossegruvedrift, tett-åregruvedrift og militære operasjoner kan bygges.

Bomsammenstillinger er typisk påkrevet. En er benyttet for å montere den mekaniske slagknuseren og den andre er benyttet for å montere sprengningsap-paratet med liten ladning. Bomsammenstillingene kan omfatte enhver standard gruvedrift eller konstruksjonsleddet bom eller enhver modifisert eller skreddersydd bom. Funksjonen av bomsammenstillingen er å orientere og lokalisere knuseren eller apparatet med den lille ladningen til det ønskede stedet. I tilfellet med apparatet med liten ladning, kan bomsammenstillingen benyttes for å montere en in-dekseringssammenstilling. Indeksereren holder både fjellboret og mekanismen med den lille ladningen for å rotere omkring en akse innrettet med både fjellboret og mekanismen med den lille ladningen. Etter at fjellboret borer et kort hull i fjellflaten, er indeksereren rotert for å innrette den lille ladningsmekanismen for klar isolasjon i borehullet. Indekserersammenstillingen fjerner behovet for separate bommer for fjellboret og den lille ladningsmekanismen. Massen av bommen og indeksereren tjener også til å tilveiebringe rekylmasse og stabilitet for boret og mekanismen med den lille ladningen.

DEN MEKANISKE SLAGKNUSEREN

Den mekaniske slagknuseren er også kjent som en hydraulisk hammer, høyenergihydraulisk hammer eller slagbrekker. Til å begynne med var disse mekaniske slagknuserne pneumatisk drevet og benyttet primært for nedbrytning av rullestein og for betongdemoleirngsarbeide. Deretter ble hydraulisk kraft introdusert og både slagenergi og slagfrekvens ble øket. Etter som kraften av mekaniske slagknusere ble øket, ble de introdusert i undergrunnskonstruksjon og gruvedrift-operasjoner, som ofte benyttes i forbindelse med en traktorgraver for utgravning i bløt, frakturert fjell. En form for mekanisk slagknuser kalt slagknuser («impact rip-pen») har blitt utviklet i Syd-Afrika for strosseoperasjoner i smalåregruver. Den mekaniske slagknuseren er typisk montert på sin egen bomsammenstilling som er i stand til å orientere knuseren tii det ønskede stedet og isolere underbæreren fra vibrasjonene generert under drift. Mekaniske slagknusere kan også innbefatte tilbakemeldingsstyring for å moderere slagenergien og frekvensen i samsvar med varierende fjellforhold.

FJELLBORET

Boret består av bormotoren, borstålet og borkronen, og bormotoren kan være pneumatisk eller hydraulisk drevet.

Den foretrukne bortypen er et slagbor på grunn av at et slagbor skaper mik-rofrakturer ved bunnen av borehullet som virker som initieringspunkt for bunnhull-ffakturering. Roterende, diamant eller andre mekaniske bor kan også benyttes.

Standard borstål kan benyttes og disse kan avkortes for å møte de korte hullkravene og sprengningsprosess med liten ladning.

Standard gruve- eller konstruksjonsborkroner kan benyttes for å bore hullene. Slagborkroner som øker mikrofrakturering kan utvikles. Borehullstørrelser kan variere fra 25,4 mm til 508 mm i diameter og dybden er typisk 3 til 15 hulldiametere dype.

Borkroner for å forme et avtrinnet hull for lettere innsetting av liten lad-ningsmekanisme kan bestå av et styrebor med et utvidet bor med en noe større diameter, som er standard borkroneutforming som tilbys av produsenter av borkroner. Borkroner for å forme et konet overgangshull for lettere innsetting av den lille ladningsmekanismen kan bestå av en styreborkrone med en utvider-borkrone med en noe større diameter. Utvideren og styreren kan være spesielt konstruert for å tilveiebringe en konet overgang fra det større utvidede hullet til det mindre styrehullet.

SPRENGNINGSMEKANISMEN MED LITEN LADNING

Den lille ladningsmekanismen kan bestå av de følgende undersystemer:

1. Patronmagasin

2. Patranlademekanisme

3. Patron

4. Patrontenningssystem

5. Innretning for fordemning (stamping) eller forsegling.

Patronmagasin - Driv- eller sprengpatroner er lagret i et magasin på samme måte som et ammunisjonsmagasin for et automatisk ladet våpen.

Patronlademekanisme - Lademekanismen er en standard mekanisk anordning som henter inn en patron fra magasinet og innsetter det i borehullet. Fordemningsstangen beskrevet nedenfor kan benyttes for å tilveiebringe noe eller hele denne funksjonen.

Lademekanismen må hentes syklisk en patron fra magasinet til borehullet

på mindre enn 10 sek. og mer typisk på 30 sek. eller mer. Dette er sakte sammenlignet med moderne automatiske våpen med høy avfyringshastighet og involverer derfor ikke høye akselerasjonsbelastninger på patronen. Varianter av militære automatiske ladningsteknikker eller industrielle flaske- og beholderhåndteringssys-temer kan benyttes.

En variant er et pneumatisk transportsystem hvor patronen er drevet gjennom et stivt eller et fleksibelt rør ved trykkdifferanser i størrelsesorden 1/10 bar.

Patron - Patronen i beholderen for sprengmidlet (sprengstoff eller drivmiddel) og kan være formet av et antall av materialer innbefattende vokset papir, plast, metall eller en kombinasjon av de tre. Funksjonen av patronen er: virke som en lagerbehotder for det faste eller flytende sprengnings midlet

tjene som et middel for å transportere sprengningsmidlet fra lag-ringemagasinet til utgravningsstedet

beskytte sprengningsmiddelladningen under innsetting i borehullet hvis nødvendig, å tjene som et forbrenningskammer for sprengningsmidlet

hvis nødvendig, å tilveiebringe indre volum for å styre trykkene utviklet i hullbunnen

beskytte sprengningsmidlet fra vann i et vått borehull

tilveiebringe fordemningsstangen med isolasjon fra enhver sterk støtovergang fra sprengningsmidlet

• tilveiebringe en oppbakkingstetningsmekanisme for sprengnings-middelproduktgassene etter som sprengningsmidlet er forbrukt i

borehullet

PaVrontenningssystem -1 tilfelle med et sprengningsmiddel bestående av et sprengstoff, kan standard eller nye sprengningsinitieringsteknikker anvendes. Disse innbefatter øyeblikkelig elektriske fenghetter avfyrt med en likestrømsimpuls eller en induktivt indusert strømimpuls; ikke-elektriske fenghetter; termalitt; høy-energitennladninger eller en optisk detonator, hvor en laserimpuls initierer en lett sensitiv tennladning.

I tilfelle med et sprengningsmiddel som består av et drivstoff, kan standard eller nye drivsmiddelteknikker anvendes. Disse innbefatter slagtennladninger hvor en mekanisk hammer eller avfyringsnål detonerer tennladningen; elektriske tenn-ladninger hvor en kondensatoriadningskrets tilveiebringer en gnist for å detonere tennladningen; varmetennladninger hvor et batteri eller kondensator slipper ut varme til en glødevaier; eller en optisk tennladning hvor en laserimpuls initierer en lett sensitiv tennladning.

Midler for fordemning ( stamping) eller forsegling -1 sprengningsmetoder med liten ladning som omtalt heri, vil sprengningsmidlet plasseres i bunnen av et kort borehull og toppartiet av borehullet vil være fordemmet (stampet) eller forseg-let med enhver av flere midler avhengig av ladningsmetoden med liten ladning som benyttes. Funksjonen avfordemningsinnretningen er å innvending holde høy-trykksgassene som kommer fra sprengningsmidlet i bunnen av hullet for en tilstrekkelig periode (typisk noen få 100 mikrosek. til noen få millisek.) for å bevirke frakturering av fjellet.

I tilfelle med boring og skyting av et kort hull og anvendelse av konvensjonelle bore- og sprengningsteknikker, kan bunnpartiet av hullet være ladet med en sprengladning og stampet med sand og/eller stein eller ved en innvending fordemningsstang, slik som beskrevet nedenfor.

I tilfellet med boring og skyting av et kort hull hvor det anvendes pute-sprengningsteknikker, kan bunnpartiet av hullet være ladet med en sprengladning som er frakoplet fra fjellet og stampet med sand og/eller stein eller ved en indre fordemningsstang slik som beskrevet nedenfor.

I tilfeller med en gassinjektor (US patent nr. 5.098.163), eller den drivmid-delbaserte lade-i-hullet metoden (US patent nr 5.308.149), eller den sprengstoff-baserte metoden (US patentsøknad med tittelen «A Method and Apparatus for Controlled Small-Charge Blasting of Hard Rock and Concrete by Explosive Pressurization of the Bottom of a Drill Hole»), er den primære metoden ved hvilken høygasstrykkene er oppnådd ved hullbunnen inntil fjellet er frakturert, den massive massefordemningsstangen som blokkerer strømmen av gass opp borehullet unntatt for en liten lekkasjebane mellom fordemningsstangen og borehullsvegge-ne. Denne lille lekkasjen kan ytterligere reduseres ved å konstruere egenskaper av patronen som inneholder sprengningsmidlet og av fordemningsstangen. Fordemningsstangen kan være laget av et høystyrkestål eller fra andre materialer som kombinerer høy tetthet og treghetsmasse, styrke for å motstå trykkbelast-ninger uten deformasjon og seighet for holdbarhet.

Indekseringsmekanismen - Fjellboret og liten ladningssprengningsmekanismen er montert på en indekseringsenhet som igjen er montert på en separat bom fra den mekaniske slagknuseren. Funksjonen av indekseringsmekanismen er å tillate at borehullet formes og så å tillate at den lille ladningsmekanismen lett kan innrettes og innsettes i borehullet. En typisk indekseringsmekanisme er illustrert i fig. 8. Indeksereren er festet til dens bom ved hjelp av hydrauliske koppere som tillater indeksereren å plasseres ved de ønskede vinklene og i avstand fra fjellflaten. Indeksereren er først plassert slik at fjellboret kan bore et kort hull inn i fjellflaten. Indeksereren er så rotert omkring en akse felles med boret og den lille ladningsmekanismen slik at den lille ladningsmekanismen blir innrettet med borehullet. Den lille ladningsmekanismen er så innsatt i hullet og er klar for å avfyres.

ANVENDELSER

Denne metoden med å bryte bløtt, medium og hardt fjell så vel som betong har mange anvendelser innen gruvedrift, konstruksjon og steinbruddsindustrien og i militære operasjoner. Disse innbefatter:

tunneldrift

lagergruveutgravning

sjaktutgravning

stål- og havdriftsutvikling i gruvedrift

langveggsgruvedrift

rom- og pillargruvedrift

strossemetoder (krymping, kutt og fyll og smalåre)

selektiv gruvedrift

uoppskåret utvikling for vertikal kratertilbaketrekking (VCR) gruvedrift

strekkepunktutvikling for blokkuthuling og krympestrossing sekundær bryting og reduksjon av overstørrelse grøfting

heveboring

fjellavkuttinger

presisjonssprengning

demolisjon

åpen gruveavsatsopprenskning

åpen gruveavsatssprengning

blokkbryting og avsatstilveiebringelse i steinbrudd konstruksjon for bekjempelsesposisjoner og personellbeskyttere i

fjell

reduksjon av naturlige og menneskelige lagde hindringer for militær

forflytning

Den beregnede produksjonsmengden 1, uttrykt som haug m<3> pr. time

av fjell utgravet er vist som en funksjon av ubegrenset trykkstyrke av fjell 2, uttrykt i megapascal (MPa) i fig. 1, ytelsen av en typisk mekanisk slagknuser er vist som et skravert område 3 og illustrerer at den mekaniske slagknuseren ikke graver ut fjell med en ubegrenset trykkstyrke over omkring 150 MPa. Publiserte datapunkt4 er vist i det skraverte område 3. Ytelsen av en typisk sprengningsprosess med liten ladning er vist som et skravert område 5 og illustrerer at sprengning med liten ladning kan grave ut fjell ut gjennom området av ubegrensede trykkstyrker typisk for fjellutgravningsindustrien. Publiserte datapunkt 6 er vist i det skraverte område 5. Ytelsen av en kombinasjon av en ladningssprengningsprosess med liten ladning og mekanisk slagknuser som arbeider interaktivt er vist som et krysskravert område 7 og illustrerer at kombinasjonsbruken utgraver mer effektivt enn summen av de to metodene som virker separat. Eksperimentelt bestemte datapunkt 8 er vist i det krysskraverte område 7.

Elementene av et sprengningssystem med liten ladning er vist i fig. 2. Et kort hull 9 er boret i fjellflaten 10 ved et fjellbor. Borehullet 9 kan ha en avtrinnet diameterforandring 11 som kan være utført ved en utvider/ styreborkronekombinasjon. Den avtrinnede diameter 11 kan tjene formålet med å begrense den maksimale bevegelsen av patroninnretningen eller kan benyttes for å hjelpe til med forseglingen av gassene utviklet i hullbunnen 12. En patron 13 er plassert i hullet 12. Patronen 13 inneholder en ladning med et sprengningsmiddel 14. Forbrenning av sprengningsmidlet 14 er initiert ved en tenninnretning 15 som er fjernstyrt gjennom en elektrisk eller optisk kommunikasjonslinje 16 som går gjennom fordemningsstangen 17. Fordemningsstangen 17 er benyttet for å innvending holde tilbake høytrykksgassene som er utviklet i hullbunnen 12 ved avfyring av sprengningsmidlet 14. Fordemningsstangen 17 kan også tilveiebringe en tetningsfunksjon for å forhindre utslippet av høytrykksgasser fra hullbunnen 12 under tiden som er påkrevet for å utvikle primærfrakturer 18 og restfrakturer 19 i fjellet 20 som omgir hullbunnen 12.

Fig. 3 illustrerer den totale fjellfragmenteringsprosessen for en spreng-ningssalve med liten ladning hvor et relativt kort hull har blitt boret og hullet har

blitt «overavfyrt». Et hull har blitt boret i fjellflaten 21. Bunnen av borehullet 22 kan ses ved senteret av bunnen av det utgravede krateret 23. Fragmentert fjell 24 har blitt utstøtt med kraft fra krateret under den akselererende virkningen av gassene generert av sprengningsmidlet. Restfrakturer 25 forblir i fjellet 26 under krater-veggene.

Fig. 4 illustrerer den totale fjellfragmenteringsprosessen for en spreng-ningssalve med liten ladning hvor et relativt dypt hull har blitt boret og hullet har blitt «underavfyrt». Hull 27 og 28 har blitt boret i fjellflaten 29. Fjellet har ikke blitt flyttet av de små ladningssalvene, men primære frakturer 30 og restfrakturerer 31 har blitt skapt i fjellet 32. Disse former et underoverflatenettverk av frakturer som har svekket den totale fjellstrukturen. Fjellet vil være lettere å bryte ut, enten ved påfølgende liten ladningssalver eller ved en mekanisk slagknuser.

En typisk moderne mekanisk slagknuser er vist i fig. 5. Det mekaniske slag-knuserhuset 33 er festet til en leddet bomsammenstilling 34, som igjen er festet tii en underbærer 35. Verktøyborkronen 36 er drevet ved en hydraulisk stempel-mekanisme innen knuserhuset 33. Underbæreren 35 beveger knuseren 33 innen området av arbeidsflaten og bommen 34 plasserer knuseren 33, slik at verktøy-borkronen 36 kan operere på fjellflaten.

Fig. 6 illustrerer basisknusemekanismen til en mekanisk slagknuser. Verk-tøyborkronen 37 er vist ved slagøyeblikket på en fjellflate 38. Fjellflaten 38 inneholder en på forhånd eksisterende fraktur 39. Til venstre for fjellflaten, er en nærliggende fri overflate 40. Støtslaget generert ved støtet av verktøykronen 37 radie-res ut og detekteres som en spenningsbølge (strekk) fra overflaten av den på forhånd eksisterende fraktur 39 og skaper et område av fjell i strekk 41 i hvilket ytterligere frakturering vil initieres. Sjokkstøtet stråler også ut og reflekterer som en strekkbølge fra den frie overflaten 40 og skaper et andre område i fjellet med spenning 42 i hvilket ytterligere frakturering vil initieres. Etter gjentagne støtslag ved verktøykronen 37, vil frakturen initiert i området 41 og 42 forbinde opp og flytte fjellmassen representert ved området 43.

Et fjellutgravningssystem basert på kombinasjonsbruken av et sprengningssystem med liten ladning og en mekanisk slagknuser er vist i fig. 7. Der er to leddbomsammenstillinger 44 og 45 festet til en mobil underbærer 46. Bomsammenstillingen 44 har en mekanisk slagknuser 47 montert på den. Bomsammenstillingen 45 har et sprengningsapparat med liten ladning 48 montert på den. Vist som valgfritt utstyr på utgraveren er en traktorgravefesteanordning 49 for å beve-ge brutt fjell fra arbeidsflaten til et transportørsystem 50 som fører det brutte fjellet gjennom utgraveren til et transportsystem (ikke vist).

En typisk indekseringsmekanisme for det lille ladningssprengningsapparatet er vist i fig. 8. Indekseringsmekanismen 51 forbinder det lille ladningssprengningsapparatet 52 til leddbommen 53. Et fjellbor 54 og en liten ladningsinnset-tingsmekanisme 55 er montert på indeksereren 51. Bommen 53 plasserer indekserersammenstillingen ved fjellflaten slik at fjellboret 54 kan bore et kort hull (ikke vist) inn i fjellflaten (også ikke vist). Når fjellboret 54 er trukket tilbake fra hullet, er indeksereren 51 rotert omkring sin akse 56 ved en hydraulisk mekanisme 57 for på denne måten å innrette den lille ladningsinnsettingsmekanismen 55 med aksen til borehullet. Den lille ladningsinnsettingsmekanismen 55 er så innsatt i borehullet og den lille ladningen er klar for avfyring.

Claims

1. Fremgangsmåte for styrt fragmentering og fjerning av et hardt materiale, så som fjell eller betong, hvor et hull med en bunn er lokalisert I en fri overflate av materialet, idet hullet tilføres en gass og trykksettes, hvorved en fraktur forplanter seg utover fra bunnen av hullet, og derved danner en fraktur i minst en del av det harde materialet lokalisert tilstøtende hullet, karakterisert ved at den omfatter: (a) minst størsteparten av det frakturerte partiet holdes på plass ved den frie overflaten av materialet; og; (b) deretter fjernes det frakturerte materialet som er på plass ved slag-påvirkning av det frakturerte materialet som er på plass med en butt gjenstand, hvori den butte gjenstanden kontakter det frakturerte materialet som er på plass med en slagenergi på minst omkring 0,5 kJ og en slagfrekvens på minst omkring ett slag pr. sekund.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved attrykksettingstrinnetomfatter: innføring av en fordemmingsdel inn i hullet; frigjøring av en høytrykksgass i bunnen av hullet, mens fordemmingsdelen er plassert i hullet; spredningen av gass fra hullet forhindres ved hjelp av fordemmingsdelen, og derved trykksettes hullet og hvori en del av frakturen avdekkes ved den frie overflaten og hvori minst det meste av det frakturerte materialet forblir på plass ved den frie overflaten og hvori det på plass frakturerte materiale fraktureres i fjerningstrinnet deretter med en slagknuser for å fjerne det frakturerte materialet som er på stedet fra den frie overflaten.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at hullet anordnes med en diameter og dybde fra den frie overflaten i størrelsesorden fra 3 til 15 hulldiametere og slagknuseren er i det minste en av en hammer eller brekker.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det på plass frakturerte materialet er minst omkring 75% av det frakturerte materialet og det frakturerte materialet har et volum som er i størrelsesorden fra omkring 0,3 til 10 m<3>.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at gassen dannes av minst en av et sprengstoff og drivmiddel og mengden av det i det minst ene av sprengstoffet og drivmidlet er i størrelsesorden fra omkring 0,15 til omkring 0,5 kJ.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det frakturerte materialet støtpåvirkes av slagknuseren med en støtenergi i størrelsesorden fra omkring 0,5 til omkring 500 kJ

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fjerningstrinnet deretter omfatter: repeterende støtpåvirkning av det på plass frakturerte materialet etter behov for å fjerne det på plass frakturerte materialet fra den frie overflate av det harde materialet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at støtfrekvensen til slagknuseren tilveiebringes i størrelsesorden fra omkring ett slag pr. sekund til omkring 200 slag pr. sekund

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at før fraktureringen av det harde materialet, har det harde materialet en ubegrenset trykkstyrke på omkring 150 MPa og, etter frakturering av det harde materialet har det harde materialet en ubegrenset trykkstyrke på mindre enn omkring 150 MPa.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst omkring 50% av det frakturerte materialet opprettholdes på plass ved den frie overflate av det harde materialet etter at hullet er trykksatt og det på plass frakturerte materialet støtpåvirkes med en slagknuser.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kontaktarealet tii den butte gjenstanden med det på plass frakturerte materialet tilveiebringes i størrelsesorden fra omkring 500 til omkring 20.000 mm<2>.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trykksettingstirnnetomfatter: innføring av et sprengmiddel i hullet, hullet lokaliseres i en fri overflate av materialet og i et senterparti av en utgravingsflate som den frie overflaten er en del av; fordemming av åpningen til hullet med et fordemmingsmateriale som er et granulert materiale eller en fordemmingsstang; deretter initiering av sprengmidlet, når hullet er fordemmet; og forhindring av spredningen av gass fra bunnen av hullet med fordemmings-materialet for å danne det frakturerte materialet, hvori minst det meste av dybden av hullet og noe av det frakturerte materialet forblir på plass ved den frie overflaten.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at minst 50% av det frakturerte materialet holdes på plass ved den frie overflaten.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at den butte gjenstanden er en slagknuser.

15. Fremgangsmåte ifølge 12, karakterisert ved at forhindringstrinnet utgjøres av forsegling av en høytrykksgass i hullet.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: innføring av en del av en maskin inn i hullet anordnet i den frie overflate av materialet; og tilveiebringing av en høytrykksgass i hullet, samtidig som delen er plassert i hullet.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at hullet anordnes i et senterparti av en utgravingsflate som den frie overflaten er en del av.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst det meste av dybden til hullet forblir på plass ved den frie overflate av det harde materialet.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at minst 50% av dybden til hullet forblir på plass ved den frie overflaten etter trykksettingstrinnet.

20. Anordning for styrt fragmentering av et hardt materiale, omfattende en maskin for frakturering av materialet ved trykksetting av bunnen av et hull i en fri overflate av materialet med en gass frigjort inne i hullet, karakterisert ved(a) innretning for å hindre spredningen av den trykksatte gassen fra hullet etter frigjøring av gassen i hullet og derved frakturere minst en del av materialet som omgir hullet, hvori minst det meste av det frakturerte materialet forblir på plass ved den frie overflaten av materialet; (b) innretning for repeterende støtpåvirkning av det på plass frakturerte materiale med en butt gjenstand for å tildele en støtenergi på minst omkring 0,5 kJ for å fjerne det på stedet frakturerte materialet fra den frie overflaten.

21. Anordning ifølge krav 20, karakterisert ved at støtfrekvensen kan være variert fra omkring 1 til omkring 200 støt pr. sekund og hvori minst 50% av dybden av hullet forblir på plass i den frie overflaten etter trykksetting.