NO833683L - Fremgangsmaate og apparat til brytning av stein eller fjellgrunn, spesielt uten bruk av eksplosiver - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat til bryting av stein eller fjellgrunn, spesielt uten bruk av eksplosiver.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører bryting av stein eller fjell spesielt bryting av stein fra en støttemur ("head-wall") som ved tunnelering og mer spesielt til bryting av stein fra en støttemur uten bruk av kjemiske eksplosiver.

Vanlig minering og tunnelering utføres hyppigst ved først å bore en flerhet av hull i den stein- eller fjellgrunn som tunnelen skal tildannes i. Hullene kan eventuelt bores i henhold til et forhåndsbestemt mønster. Deretter blir kjemiske eksplosiver plassert i hullene og detonert på en forhåndsbestemt eller slumpvis måte avhengig av anvendelsen. Når eksplo-sivene detonerer, blir fjellet splintret eller knust. Den knus-te stein blir deretter fjernet, og prosessen gjentatt. Sikker-hets- og forurensningsulempene i henhold til denne teknikk er velkjent.

Ulempene i forbindelse med boring og eksplosiver har ført til forslag hva angår mekaniske mineringsorganer. Maskinene innbefatter skjermmaskiner og mekaniske boreinnretninger. Til idag er imildertid slike innretninger ikke blitt benyttet i nevneverdig vellykket grad, og det skyldes i mange tilfeller de høye kostnader som er forbundet med slike metoder.

Der er foreslått en ytterligere fremgangsmåte som innbefatter boring av et hull i fjellflaten. En rekke hakk blir deretter skåret ut normalt på hullet enten ved hjelp av mekaniske kuttemaskiner eller ved hjelp av høytrykk-vannstråler rettet normalt på eller under en liten vinkel i forhold til hullet. Den spalte som således dannes, blir brukt til en sprekkinitia-tor når der påføres kraft på fjellet på hver side av spalten. I forbindelse med en variant av ovenstående prosess er det blitt foreslått å avtette hullet på hver side av spalten og bringe spalten under trykk med vann som presses gjennom dysene for den vannstråle som brukes til skjæring av spaltene. Til idag er ingen av de nevnte fremgangsmåter funnet å ha en vidtfavnende kommersiell anvendelse -på grunn av de store kraftmengder som kreves til bryting av fjellet, og som må utføres med mekaniske midler i hardt fjell, eller absorpsjonen av vannet under trykk på grunn av fjellets permeabilitet og på forhånd eksisterende

sprekker.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen skaffer en økonomisk og sikker fremgangsmåte for en eneste operatør til tunnelering i fjellflater. Fremgangsmåten er uavhengig av eksplosiver og farlige kjemikalier.

Fremgangsmåten omfatter flere trinn, nemlig først å bore et hull ved hjelp av vannstråle eller vanlige innretninger. En spalte blir deretter skåret ut fra hullet. Spalten fjerner en tilnærmet skiveformet seksjon av fjellet eller steinen. Spalten blir deretter raskt satt under trykk på en halv-eksplosiv måte fra et reservoar av trykkvæske. Resultatet innebærer en på fjellet utoverrettende kraft på flere tifoldige tusener av pund. Den resulterende kraft er tilstrekkelig til å bryte fjellet til overflaten av fjellsiden. Den brutte seksjon vil så enten falle av seg selv eller fjernes på en lett måte.

Apparatet kan innbefatte et fjellboringsapparat som kan modifiseres til å innbefatte et hull-spaltedannende verktøy. Apparatet innbefatter videre organer til å bringe det spaltedannende hull under trykk i løpet av en meget kort tid. Endelig innbefatter apparatet sikkerhetsorganer til å forhindre even-tuelle muligheter for skade på operatøren.

Apparatet kan også benyttes til å splitte stein som alle-rede er brutt. Hullet blir ført boret inn i det fjell eller den stin som det er ønsket å bryte. Deretter kuttes der en spalte fra hullet i en retning som det ønskes at splittingen skal foregå i. Hullet og spalten blir deretter satt plutselig under trykk ved hjelp av høytrykksvæske for initiering av brudd langs spalten. Steinen blir da splittet på grunn av den raske trekk-dannelse.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 er et blokkdiagram over framgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2 er et diagram over apparatet i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3 er et snitt gjennom en pakker som benyttes i forbindelse med apparatet. Fig. 4 er et snitt gjennom en annen pakker som benyttes

ved apparatet.

På fig. 1 er der i form av et blokkdiagram anskueliggjort fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. For det første blir der boret et hull 1 i det fjell eller den stein som man ønsker å bryte. Boringen kan utføres ved hjelp av vanlige boredriller som kan være elektriske, hydrauliske eller pneumatiske. Alternativt kan hullet fremskaffes ved hjelp av vannstrålebor slik det er beskrevet i søkerens US søknad nr. 280 797. Dybden av det hull som blir boret, er avhengig av anvendelsen og de sprekkegenskaper som kreves. En typisk hulldiameter ligger i området fra 15,9 mm til 44,5 mm. Hulldybder fra 228,6 mm til 1219 mm er blitt brukt med hell. Deretter blir der som angitt ved hénvisningstall 2, kuttet ut en skive nær bunnen av det borede hull. Skiven kan være vinkelrett på hullet eller stå under en vinkel i forhold til hullet under dannelse av en vinkel på 30-150°, hvilket skaffer et foroverrettet eller bak-overrettet skivehulrom. Skiven kan skjæres ut ved hjelp av et verktøy som er tiltenkt formålet, f.eks. en dreibar høytrykks-vannstråle eller selve drillen i tilfelle av en vannstråle-drill, slik det er beskrevet i søkerens ovennevnte søknad. Skiven kan også skjæres ut med en mekanisk skjæreinnretning. Hen-sikten med skiven er å skaffe en strekk-oppsynk eller hakk-betingelse som bidrar til initieringen av sprekkdannelse og til styring av den begynnende sprekkdannelsesretning. Ved selek-tering av vinkelen for skiven vil retningen av sprekkdannelsen kunne kontrolleres. Dersom skiven blir plassert i et ubegrenset fjell med en diameter målt i planet for skiven, lik eller mindre enn fire ganger dybden av det borede hull, vil sprekken spre seg i planet for skiven inntil den når en fri overflate vinkelrett på skiveplanet ved en diameter ca. 8 ganger hulldyb-den. Dersom hullet blir plassert i massiv stein eller en steinflate, vil sprekken spre seg i skiveplanet i en radial avstand som er tilnærmet lik dybden av det borede hull, hvor-etter den bøyer av mot den frie steinflate. Skiven bør skjæres så tett som mulig til enden av hullet. Dersom skiven ikke befinner seg tett til enden av hullet, vil sprekkdannelse begynne ved hullenden, noe som forstyrrer den ønskede sprekk - geometri. Skiveskjæringen kan variere i diameter fra en for holdsvis liten størrelse, f.eks. 19 mm til 50, 60 mm og mer. Å skjære skiver med stor diameter krever mere tid, men tillater større konsentrasjon av strekk eller påkjenning.

Når hullet er utført med skiveområdet, blir det som angitt ved henvisningstall 3 på fig. 1 satt under trykk for initiering av sprekkdannelse. Det er funnet ønskelig å sette hullet under trykk i løpet av forholdsvis kort tid. Trykkoppbyggingen blir utført ved rask innsprøytning av en væske, f.eks. vann i det skiveomfattende hull. Der må innføres tilstrekkelig væske for å fylle hullet og utføre den resulterende sprekkdannelse. Dersom væsken ikke blir ført inn tilstrekkelig raskt, vil den første væske bli absorbert inn i porene av porøst fjell, f.eks. sand-stein. Dersom væsken blir absorbert vil der ikke bli en tilstrekkelig kraftgradient ved skiven for initiering av sprekkdannelse. I forbindelse med tidligere forslag er denne faktor ikke blitt anerkjent og er blitt uttestet i ikke-porøse materialer hvor absorpsjonen ikke ble observert. Dersom stein eller fjell, f.eks. sandstein blir langsomt satt under trykk til et trykk så høyt som 24.132 N/cm 2, vil der ikke opptre noe brudd. Dersom trykkdannelsen foregår tilstrekkelig raskt, vil brudd inntre ved trykk så lave som 689 N/cm 2. En ønsket tid for innsprøytning av væske som er tilstrekkelig til å fylle skiven, utgjør mindre enn 1/50 av et sekund. Dessuten må der sprøytes inn tilstrekkelig væske til å fylle sprekken etter-hvert som denne spres seg, ellers vil sprekkdannelsen stoppe. Et typisk krav hva angår væskekapasitet er i det minste ca. 1 1. Tidligere forslag som innbefattet trykkdannelse ved hjelp av vannskjærende strålemunninger som var satt under trykk under en hydraulisk forsterker, kan ikke nå de ønskede strømningshas-tigheter, slik at alternativet trykkdannelses-fremgangsmåter måtte bli benyttet. En enkel fremgangsmåte går ut på å sette under trykk en hydraulisk akkumulator med tilstrekkelig væskekapasitet og fyllt med en gass, f.eks. nitrogen. Dette skaffer en kilde med høytrykksvæske av tilstrekkelig volum og strøm-ningshastighet. Et rør blir deretter forbundet med akkumulatoren med en rask åpneventil og avtettet mot hullet med en raskt størknende sement eller masse. Når ventilen blir åpnet, blir resultatet analogt til tenning av en laveksplosiv, f.eks. svartkrutt i det skiveformede parti av hullet. En slik eksplo-sjon initierer sprekkdannelse istedenfor knusing (som ved høyeksplosiver f.eks. nitroglyserin ). Dette blir vanligvis betegnet som en hevevirkning. Ytterligere innsprøytning av væske bringer sprekkdannelsen videre inntil sprekken når en fri overflate og bevirker trykktap. Væsken kan også sprøytes inn ved hjelp av et spesielt pakkeverktøy for eliminering av den tid det kreves for massen å herde. Innføringspunktet fra pakkeren må være i nærheten av skiven for å minimere muligheten for sprekkspredning fra hullet.

Når sprekkspredningen er fullført, vil resultatet være et konisk formet fragment av stein som er brutt av fra flaten. Generelt vil stykket eller fragmentet ikke falle ut fra flaten på egen hånd, men kan lett fjærnes ved innsetting av en liten meisel i sprekken. Dette tillater, som angitt ved 4 på fig. 1 en enkel fjerning av fragmentet. Prosessen blir deretter videreført for boring av en tunnel.

Alternativt kan det borede hull som vist ved 5 på fig. 1 utføres med en spalte. Det innebærer at der kan skaffes to spalter vinkelrett eller i samme plan i forhold til hullet. Spaltedannelsen kan utføres ved hjelp av en vannstrålekutter som føres gjennom hullet, eller ved hjelp av en mekanisk spaltedannende innretning. Når spalten ved 3 settes under trykk slik det er beskrevet ovenfor, blir sprekkdannelse initiert i planet for spaltene. En slik sprekk vil bre seg utover, inntil den når en fri flate. Den spaltedannende fremgangsmåte tillater brudd av fjernede kampesteiner. Denne sprekkdannelse kan benyttes på flaten alene eller i kombinasjon med fremgangsmåten med skivedannet hull for å tillate fjerning av meget store blokker og etablering av tunnelomkrets.

Fig. 2 er et diagram over apparatet i henhold til oppfinnelsen. En hydraulisk forsterker-vannpumpe 11 driver apparatet. Pumpen 11 kan være en forsterker av den type som vanligvis benyttes i forbindelse med vannstråleskjæring. En selekterings-ventil 12 er forbundet med utgangen fra pumpen 11. Et vannstråle-skiveverktøy 13 er forbundet med en utgang fra ventilen 12. Vannstråle-skiveverktøyet 13 kan være make til det som er beskrevet i søkerens US patentsøknad 280 797, eller være et verktøy som alene er konstruert for skjæring av skiver. Den andre utgang av selekteringsventi len 12 er forbundet med en gass/vann-akkumulator 14. Akkumulatoren 14 kan være en hvilken-som helst akkumulator med tilstrekkelig trykk- og volumkapasi-teter, idet der ved innledende tester ble benyttet en N^-akkumulator av blæretypen med en kapasitet på ca. 4 1 ladet til 2068 N/cm 2. Inngangen til en hurtigåpnende ventil 16 er forbundet med akkumulatoren 14. En hurtigåpnende ventil av kulety-pen med piezoelektrisk manøvreringsévne ble benyttet ved de innledende tester. Utgangen fra ventilen 16 er forbundet med en pakker 17 som er ført inn i et hull 18 med en utskåret skive 19.

For å betjene systemet blir pumpen 11 startet og selekteringsventilen 12 justert for å skaffe høytrykksvann til verk-tøyet 13. Deretter blir der boret et hull i stein- eller fjellflaten 21. Hullet blir deretter utformet med en skive ved hjelp av verktøyet 13 som danner et skiveformet hulrom 19 ved enden av hullet 18. Selekteringsventilen 12 blir deretter justert for oppumping av akkumulatoren 14. Pakkeren 17 blir ført inn i hullet 18. Deretter blir ventilen 16 åpnet, noe som innebærer en rask innstrømning av væske gjennom pakkeren 17 og inn i det skiveformede hulrom eller trykkskiven 19, noe som på sin side bevirker dannelse av en sprekk 22 som sprer seg til flaten 21. I sprekken 22 blir der satt inn en meisel som tillater fjerning av den konisk formede blokk 23 fra det øvrige av fjellet eller steinen 24.

Fig. 3 er et tverrsnitt gjennom en pakker som er ført inn i et hull med en skiveformet uttagning. Et tilførselsrør 31 er forsynt med en forbindelse 32 for tilknytning til en kilde av høytrykksvæske. Tilførselsrøret 31 innbefatter en avsmalnende ende 33 som er motsatt forbindelsen 32. På overflaten av til-førselsrøret 31 er der anordnet utvendige gjenger 34 i nærheten av forbindelsen 32. Et festerør 36 med et avsnitt 37 med indre gjenger er gjengeforbundet med tilførselsrøret 31. To ankre 38, 39 er dreibart forbundet med den ende av røret 36 som er motsatt det gjengede parti 37, ved hjelp av en splint 41. Ankrene

38 og 39 holdes på plass ved hjelp av en fjær 42 som er forbundet mellom dem. I forankringsrøret 36 er der anordnet en uttag ning 43. Pakkeren er vist innsatt i hullet 44 som er utført med en spalte eller uttagning 46 og et- trinn 47. Spalten 46 og trinnet 47 kan være skåret ut med en vannstråle eller en mekanisk skjæreinnretning. Under drift blir pakkeren ført inn i hullet 44 og ankerrøret 37 dreiet i forhold til tilførselsrøret 31. Dette bevirker at den skrå flate 33 av tilførselsrøret 31 kommer i berøring og tvinger ankrene 38 og 39 fra hverandre slik at disse kommer til anlegg på trinnet 47. Tilførselsrøret 31 settes under trykk gjennom forbindelsen 32 for å bryte fjellet eller steinen fra spalten 46. Diameteren av ankerrøret 36

er valgt til å passe diameteren for hullet 44, med en tilstrekkelig nærhet for dannelse av en nærhetstetning på grunn av den forholdsvis lange utstrekning av hullet 44 og den lille klaring mellom røret 36 og hullet 44. Tverrsnittsarealet av klaringen mellom hullet 44 og røret 36 må være mindre enn tverrsnittsarealet av det indre av tilførselsrøret 32 for å muliggjøre at skiven 46 blir raskt satt under trykk for initiering av sprekkdannelse, før der opptrer vesentlig lekkasje. Ankrene 38, 39 er nødvendige på grunn av den ytre kraft som utøves på pakkeren når hullet 44 settes under trykk, idet ankrene forhindrer pakkeren fra å bli blåst ut av hullet 44. Etter bruddannelse blir røret 36 igjen dreiet i forhold til tilførselsrøret 31, noe som tillater fjæren 42 å trekke ankrene 38, 39 tilbake slik at pakkeren lett kan trekkes ut av hullet 44.

Fig. 4 er et sideriss delvis i snitt gjennom en annen utførelsesform for en pakker. Denne pakker innbefatter et til-førselsrør 51 av stållegering med et forbindelsesorgan 52 til å forbinde en kilde med høytrykksvæske ved den ene ende og et

parti med avtrappede gjenger 53 ved den annen ende. Et kort rør 54 av en stållegering tildannet i tre stykker med et avtrappet, gjenget parti 56 er gjengeforbundet med røret 51. På denne måte dannes der tre spalter 57 av røret 54 og ytterligere spor 58

blir uttatt i den ytre flate av røret 54. En tetning 59 er gjengeforbundet med tilførselsrøret 51 og glidbart forbundet med røret 54. Tilførselsrøret 51 er innsatt i et boret hull og dreiet i forhold til røret 54. Det bevirker at partiene av røret 54 ekspanderer og ekspanderer tetningen 59 utover til berøring med hele flaten. Pakkeren kan deretter bli satt under

trykk gjennom forbindelsesorganet 52.

Ytterligere urførelsesformer for oppfinnelsen i henhold til denne beskrivelse vil fremtre for. andre, og det er derfor meningen at omfanget av oppfinnelsen bare skal være begrenset ved de vedføyde krav og ikke ved de utførelsesformer som er beskrevet ovenfor. Følgelig skal der henvises til kravene for bestemmelse av det fulle omfang av oppfinnelsen.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte til brytning av steingrunn eller fjell,karakterisert vedat den omfatter følgende trinn:

   - å bore et hull i den steingrunn som skal brytes, - å modifisere det hull som er boret for å tillate sprekkdannelse ved modifikasjonspunktet, - å sette hullet raskt under trykk med en væske for å bryte et steinstykke av den grunn som ønskes brutt, og - å fjerne bruddstykket fra steingrunnen.
2. 2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat trekket.vedrørende den raske trykkdannelse omfatter følgende ytterligere trinn: - å injisere en væske i dét modifiserte hull for å initiere sprekkdannelse, og - å fortsette innføringen av væske inntil sprekken når overflaten av steinen.
3. 3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2,karakterisert vedat innføringen til det punkt hvor sprekkdannelse initieres, utføres i løpet av mindre enn 1/50 av et sekund.
4. 4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat modifikasjonstrinnet innbefatter: - å skjære et spor ut i hullet i den retning som sprekkdannelsen er ønsket.
5. 5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakteri sert ved at modifikasjonstrinnet ytterligere omfatter: - å skjære et skiveformet hulrom i hullet ved det punkt hvor der ønskes sprekkdannelse.
6. 6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5,karakterisert vedat det skiveformede hulrom skjæres under en vinkel på 30-150° i forhold til hullet.
7. 7. Apparat til brytning av steingrunn eller fjell,karakterisert vedat det omfatter: - kraftorganer til drift av apparatet, - boreoraner forbundet med kraftorganene for boring av et hull i det fjell eller den stein som søkes brutt, - hullmodifiseringsorganer forbundet med kraftorganene for å modifisere det hull som er boret med boreorganene, og - pressdannénde organer forbundet med kraftorganene for rask påføring av trykk til hullet som er modifisert ved hjelp av hullmodi f iseringsorganene.
8. 8. Apparat som angitt i krav 7,karakterisertved at boreorganene omfatter en vannstrålebor.
9. 9. Apparat som angitt i krav 7,karakterisertved at hullmodifiseringsorganene omfatter et verktøy til skjæring av et skiveformet hulrom ved enden av hullet.
10. 10. Apparat som angitt i krav 7,karakterisertved at de trykkdannende organer ytterligere omfatter: - væskeinnføringsorganer forbundet med kraftorganene for innfø-ring av væske i hullet, og - oppdemningsorganer forbundet med væskeinnføringsorganene for oppdemning av væske under innføringen av denne i hullet.
11. 11. Apparat som angitt i krav 10,karakterisertved at innføringsorganene ytterligere omfatter: - akkumuleringsorganer forbundet med kraftorganene for frem-skaffelse av en sats av høytrykksvæske, - frigjøringsorganer forbundet med akkumuleringsorganene for rask frigjøring av væske fra akkumulatororganene, og - pakkerorganer forbundet med frigjøringsorganene og tetnings-organene for pakking av væske i hullet.
12. 12. Apparat som angitt i krav 11,karakterisertved at frigjøringsorganene omfatter en hurtigvirkende ventil.
13. 13. Apparat som angitt i krav 12,karakterisertved at pakkerorganene innbefatter organer til å fastholde pakkerorganet i hullet under innføringen av væske.