NO329504B1 - Fremgangsmate for bryting av fjell - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bryting av fjell som skal bores ved fjellboring, i hvilken fremgangsmåte fjellet som skal bores blir utsatt for suksessive spenningspulser via et verktøy. Fremgangsmåten innbefatter at spenningspulser blir utøvd på fjellet med en høyfrekvens, og at lastandelen beregnet på grunnlag av verdiene til frekvensen og lengden (tp) for spenningsbølgen er minst 0,075.

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bryting av fjell som skal bores ved fjellboring, i hvilken fremgangsmåte fjellet som skal bores blir utsatt for suksessive spennings-bølger via et verktøy på en slik måte at energien til spenningsbølgen overført fra verk-tøyet til fjellet får fjellet til å brytes.

I fjellboring eller lignende blir fjell brutt ved å lede en spenningsbølge til fjellet via et verktøy, slik som en borestang eller en borkrone på dets ende. En spenningsbølge blir nå for tiden typisk generert ved å treffe enden av verktøyet med et slagstempel som be-veger seg frem og tilbake i en fjellboremaskin eller en slaginnretning ved hjelp av et trykkmedium. Ved fjellboring finner både tilførselen av en spenningsbølge og rotasjon av verktøyet sted samtidig, men brytingen av fjellmaterialet er faktisk basert på energien av spenningsbølgen overført fra verktøyet til fjellet.

Typisk blir fra ca. 50 til 80% av energiinnholdet i spenningsbølgen overført til fjellet som skal brytes. Energien overført til fjellmaterialet forårsaker makrosprekker, bryting av fjellmaterialet og elastiske bølger. Energien bundet til de elastiske bølger blir tapt med hensyn til bryting av fjellmaterialet. På den andre siden er produksjon av makrosprekker, med hensyn til bryting, mer effektivt enn knusing av fjellmaterialet. Grunnet makrosprekkene blir store partikler fraskilt fra fjellmaterialet, mens ved knusing blir fjellmaterialet malt fullstendig fint, hvilket krever en stor energimengde. Det vil derfor være fordelaktig å generere et så stort antall makrosprekker som mulig i stedet for knusing av fjellet.

Nåværende slaginnretninger genererer spenningsbølger med en lav frekvens, typisk fra 20 til 100 Hz, hvor lengden av spenningsbølgen er ganske kort, dvs. fra ca. 0,2 til 1,6 m. Samtidig er amplituden og energiinnholdet til spenningsbølgen høyt. På det høyeste er

amplitudene typisk fra 200 til 300 MPa. På grunn av amplituden til spenningsbølgen har det vært nødvendig å konstruere innsatskroner (button bits) som benyttes for å motstå et høyt belastoingsnivå. Derfor må det være et stort antall fjellbrytende knaster (buttons) i en innsatskrone, og knastene må være konstruert for å motstå belastningstopper. Deres

former er således ufordelaktig med hensyn til bryting av fjellet. Derfor er det som kalles inntrengningsmotstanden for innsatsbordet, som uttrykker andelen kraft utøvd på fjellet av innsatsbordet i forhold til inntrengningen av knastene, stor.

Det høye energinivået kombinert med den ufordelaktige formen på knastene fører til dårlig effektivitet ved bryting og løsning av fjell. Tilsvarende fører høye spenningsbøl-geamplitudeverdier til en kort levetid for det benyttede boreutstyret, dvs. borestenger og innsatsbor. Det vil være fordelaktig, med hensyn til generering av makrosprekker, å

være i stand til å benytte det som kalles aggressivt utformede knaster, men dette er ikke gjennomførbart med det nåværende spemiingsamplitudeiuvået. Hvis det var mulig å benytte slike knaster, kunne bryting av fjell bli gjort vesentlig mer effektivt sammenlignet med nåværende løsninger.

Ved utvikling av nåværende løsninger har fokus generelt vært på bruk av større slag-krefter og således høyere spenningsbølgeamplituder enn før. Overraskende har det imidlertid blitt funnet ut at det samme resultatet kan bli oppnådd med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ved, i motsetning til den nåværende trenden, å benytte vesentlig lavere spenningsbølgeamplituder enn i dag.

Et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik fremgangsmåte for bryting av fjellmateriale som fører til bedre effektivitet enn i dag og som samtidig øker varigheten og levetiden til utstyret.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er kjennetegnet ved at spenningspulser blir utøvd på fjellet ved en høy frekvens og ved en amplitude for spenningsbølgene som er lav, slik at lastproporsjonen beregnet på grunnlag av verdiene til frekvensen og lengden av spenningsbølgen er i det minste 0,075.

En vesentlig idé ved oppfinnelsen er å benytte en spenningsbølgefrekvens som er vesentlig høyere enn de nåværende frekvenser, og tilsvarende spennirigsbølger som er vesentlig lenger enn de nåværende spenningsbølger sammenlignet med syklustiden for spenningsbølger, hvorved lastandelen benyttet for bryting av fjell kan bli gjort vesentlig større enn lastandelen for nåværende utstyr.

En fordel med oppfinnelsen er at en spenningsamplitude lavere enn de nåværende amplituder er tilstrekkelig for bryting av fjell med en høyere lastandel. Videre er en fordel med oppfinnelsen at knastene til innsatsbordene ikke må være utformet i henhold til krav om høye spenningstopper, men at de kan være konstruert med et lavere spenningsnivå for å være mer aggressive, slik at deres biyteeffekt på fjellet er større enn effekten til de nåværende innsatsbord. Videre tillater bruk av lavere spenningsbølgeamplituder bruk av lettere verktøy, dvs. borestenger og andre innretninger, enn før, samtidig som levetiden til verktøyene kan bli forlenget.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert i de vedlagte tegninger, der:

Fig. 1 skjematisk og tidvis viser spenningspulser for nåværende slaginnretninger; Fig. 2, på samme måte som i fig. 1, viser spenningspulser for en slaginnretning som be-nytter fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen; og

Fig. 3 skjematisk viser en spenningsbølge.

Fig. 1 viser skjematisk og tidvis i forhold til hverandre speriningsbølger tilveiebragt av

en slaginnretning som fungerer i henhold til teknikkens stand. Den vertikale aksen viser spenningsamplituden a for spenningsbølger, og den horisontale aksen viser tiden t. Som vist i fig. 1 er lengden tp for en spenningsbølge ganske kort sammenlignet med syklustiden T mellom to spenningsbølger. Dette er basert på at spenningsbølgen blir generert av et slag av et slagstempel på en borestang, hvilken handling er proporsjonal med lengden til slagstempelet, og derfor ganske kort. Grunnet frem- og tilbakebevegelsen til slagstempelet er slagfrekvensen nå for tiden typisk fra ca 20 til 100 Hz, mens lengden i tid for spenningsbølgen tilveiebragt av slaget sammenlignet med tiden mellom suksessive slag er svært kort. Amplituden <j for spenningsbølgen generert samtidig er typisk høy, dvs. fra 200 til 300 MPa.

Fig. 2 viser i sin tur spenningsbølger generert med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. I denne løsningen i henhold til oppfinnelsen kan det ses at amplituden til spen-ningsbølgen sammenlignet med spenningsbølgen i fig. 1 er vesentlig lavere. Siden frekvensen til spenningsbølgene i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er vesentlig høyere enn i tidligere kjente løsninger er lengden tp til spenningsbølgen sammenlignet med tiden T mellom spenningsbølger vesentlig høyere enn i tidligere kjente løsninger.

Betegnelsen "Iastandel/lastproporsjon a" ved bryting av fjell definerer hvordan fjellet som skal brytes blir belastet tidvis. Dette kan bli uttrykt med ligningen

hvor tp er lengden til spenningsbølgen, f er frekvens, Lp er bølgelengden og c er hastig-heten til spenningsbølgen i verktøyet. Med nåværende slaginnretninger er en typisk lastandel

a = 0,01 til 0,025.

For eksempel med slagirmretninger med en stempellengde på 0,5 m og en frekvens på 60 Hz blir lastandelen 0,012.

Med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen oppnås en vesentlig høyere lastandel, hvorved

a = > 0,075, fortrinnsvis minst 0,1.

I teorien er den maksimale lastandelen 1, men i praksis kan den ikke være 1, en del av tiden for innretningen går generering av en spenningsbølge faktisk til å generere spen-ningsbølgen og en del av tiden til å returnere, dvs. å bevege posisjonen for generering av en spenningsbølge. I praksis betyr dette at siden returneringshastigheten i virkelighe-ten ikke kan være større enn genereringshastigheten for en spenningsbølge, er den maksimale lastandelen i praksis tilnærmelsesvis 0,5.

Energi W og kraft P, som blir tilført via et verktøy fra slaginnretoingen og til materialet som skal brytes, slik som fjell, kan bli definert for rektangulære spenningspulser ved hjelp av hgningene

hvor Ak er tverrsnittsarealet for verktøyet benyttet, dvs. en borestang, og Ek er verdien for elastisitetskoeffisienten for det samme verktøyet.

Hvis det er ønskelig å benytte lastandeler som er høyere enn for de nåværende innretninger kan ikke spenningsamplituder av nåværende størrelsesorden bli benyttet lenger. Dette ville føre til vesentlig forkortelse av levetiden til boreutstyret. Heller ikke ville innsatsbor tilveiebragt med aggressive knaster, som trengs for effektiv anvendelse av fremgangsmåten, kunne motstå nåværende lastnivåer. Videre ville slagkraften som kre-ves av slaginnretningen øke inntil 4 til 10 ganger fra det den er nå.

Lastandelen kan bli øket ved for eksempel å øke frekvensen for spenningsbølgene. Ved å anvende dette prinsippet kan amplituden til en spenningsbølge bli dimensjonert ved å benytte uniformiteten til slagkreftene ved hjelp av ligningen

hvor cirøfe er en referanseamplitude, dvs. et typisk spenningsnivå med nåværende slaginnretninger, og otrefe er en tilsvarende referanselastandel. Hvis den høyeste spennings-verdien i bruk i dag, dvs. 300 MPa, blir valgt som referanseamplituden arefe, og 0,025 blir valgt som lastandelen arCfe, vil maksimalamplituden være

I henhold til oppfinnelsen blir en spenningsbølgefrekvens benyttet som er vesentlig høy-ere enn i nåværende løsninger, dvs. minst 250 Hz, fortrinnsvis mer enn 350 Hz, for eksempel fra 350 til 1000 Hz.

Når lastandelen er minst 0,075 ved de ovennevnte frekvenser blir et effektivt boreresul-tat oppnådd med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ved å ha 150 MPa som maksimalamplituden. Selv lavere amplituder gir gode resultater, men bryting av fjell krever fremdeles klart nok et vesentlig høyt amplitudenivå. I praksis har det vist seg at fordelene ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen begynner å vise seg når spenningsamplituden er ca. 25 MPa, men fortrinnsvis når spenningsampHtuden er ca. 40 MPa eller høyere.

I nåværende innretninger med et slagstempel er sperjningsbølgen i teorien nesten med

form av en rektangulær puls, og dens lengde har blitt definert til å være det dobbelte av lengden til slagstempelet. Hvis spenningsbølgen blir generert på andre måter enn ved å treffe verktøyet med et slagstempel, vil dens form avvike vesentlig fra den rektangulære formen, for eksempel på måten vist i fig. 3.1 dette tilfelle refererer amplituden til spen-ningsbølgen, på måten indikert i fig. 3, til maksimalverdien cws for amplituden, og dens lengde kan bli definert i det vesentlige i henhold til fig. 3, slik at lengden til spen-ningsbølgen er tiden mellom de punkter hvor spenningen overskrider verdien 0,1 x aniaks når spenningsbølgen stiger og tilsvarende når spenningen går under verdien 0,lx crmaks når spenningsbølgen faller.

Andre måter å generere en spenningsbølge på inkluderer elektrisk eller elektromagne-tisk utstyr hvor generering av en spenningsbølge er basert på for eksempel lengden av den elektriske strømmen tilført eller lengden av pulsen til en pulslignende elektrisk strøm. Ytterligere andre måter å generere en spenningsbølge på inkluderer løsninger der en spenningsbølge blir generert ved å lade energi ved hjelp av trykket til et trykkfluid, for eksempel ved å lade energi til spenningselementer og frigjøre den som kompresjons-energj til verktøyet, eller når en spenningsbølge blir generert ved å utsette verktøy direkte for kompresjonskraft tilveiebragt av trykket til et trykkfluid. I en utførelsesform blir således kompresjonskraften generert ved å få trykket til trykkfmidet til direkte eller indirekte å påvirke enden av verktøyet i tidsperioden for generering av spenningspulsen på en slik måte at kraften generert av trykket komprimerer verktøyet. I alle disse alter-nativer blir spenningsbølgen fortrinnsvis generert ved periodisk å utsette verktøyet, slik som en borestang, for en kompresjonskraft uten et slag ved hjelp av et slagstempel, slik at kompresjonskraften genererer en spenningsbølge i verktøyet under den tiden den vir-ker der. Når fremgangsmåten blir benyttet blir således frekvensen og lengden av spen-ningsbølgene justert ved å justere den effektive frekvensen og den effektive tiden for kompresjonskraften på verktøyet.

Oppfinnelsen har blitt forklart i den ovennevnte beskrivelse og i tegningene bare som eksempel, og er på ingen måte begrenset til dem. Det som er vesentlig er at frekvensen til spenningsbølgene er vesentlig høyere enn nåværende slagfrekvenser, at lastandelen tilveiebragt av spenningsbølgen er vesentlig større enn den som tilveiebringes av nåværende innretninger, og at amplituden til spenningen er vesentlig lavere enn amplitudene til nåværende sr>er]riingsbølger.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for bryting av fjell som skal bores ved fjellboring, i hvilken fremgangsmåte fjellet som skal bores blir utsatt for suksessive speriningspulser ved bruk av trykket til et trykkfluid via et verktøy på en slik måte at energien til spenningsbølgen overført fra verktøyet og til fjellet får fjellet til å brytes, karakterisert v e d at spenningsbølgene blir generert ved å utsette verktøyet, slik som en borestang, periodisk for kompresjonskraft slik at kompresjonskraften genererer en spen-ningsbølge i verktøyet, idet kompresjonskraften blir generert ved å få trykket til trykk-fluidet til direkte eller indirekte å påvirke enden av verktøyet i tidsperioden for generering av spenningspulsen på en slik måte at kraften generert av trykket komprimerer verktøyet, idet spenningspulsene blir utøvd på fjellet ved en høy frekvens og ved en lastandel (a) beregnet på grunnlag av at verdiene til frekvensen (f) og lengden (tp) til spenningsbølgen er minst 0,075.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lastandelen (a) er minst 0,1.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert v e d at frekvensen til spenningsbølgene er minst 250 Hz, fortrinnsvis minst 350 Hz.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 til 3, karakterisert ved at amplituden til spenningsbølgene er lav, på det meste 150 MPa.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at amplituden til spenningsbølgene er lav, imidlertid minst 25 MPa, fortrinnsvis 40 MPa.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 6 til 8, karakterisert ved at frekvensen og lengden til spenningsbølgene blir ju stert ved åjustere den effektive frekvensen 0g den efefktive tiden for kompresjontof. ten pa verktøyet.