PL183120B1 - Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału - Google Patents

Abstract

1. Kopalniany sposób kontrolowane- go kruszenia i usuwania twardego materia- lu, zgodnie z którym czlon urzadzenia umieszcza sie w otworze usytuowanym na swobodnej powierzchni twardego materialu i gdy czlon jest umieszczony w otworze doprowadza sie wysoko sprezony gaz do tego otworu, utrzymuje sie wysokie cisnie- nie w otworze powodujac rozchodzenie sie podpowierzchniowego pekniecia od otworu i pekanie co najmniej czesci twardego ma- terialu otaczajacego otwór, znamienny tym, ze co najmniej wiekszosc pokruszone- go materialu utrzymuje sie na miejscu przy swobodnej powierzchni, w który to pokru- szony material uderza sie mechanicznym urzadzeniem kruszacym i usuwa sie go. Fig 1 PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału.

Urabianie skały jest podstawow-ą czynnością w górnictwie, kamieniołomach oraz w budownictwie lądowym i wodnym. Najpospoliciej stosowanymi sposobami urabiania skały są

183 120 metody wiercenia i strzelania. Sposoby te nie nadają się jednak do stosowania w środowiskach miejskich ze względu na ograniczenia wynikające z przepisów. Stosowanie metod wiercenia i strzelania w górnictwie jest ograniczone ze względu na ich wydajność produkcyjną. Natomiast przy drążeniu kopalń i przy drążeniu tuneli w budownictwie lądowym i wodnym stosowanie metod wiercenia i strzelania jest ograniczone ze względu na cykliczną naturę procesu wiercenia i strzelania na dużą skalę.

Do drążenia długich, stosunkowo prostych tuneli o przekrojach kołowych są stosowane maszyny do wiercenia tuneli. Maszyny te są rzadko używane w robotach górniczych.

W górnictwie i w zastosowaniach budowlanych są używane maszyny przodkowe, ale mogą być one stosowane tylko do umiarkowanie twardych, nie ściernych formacji skalnych.

W opisie patentowym US 5 308 149 został ujawniony sposób i urządzenie do odstrzeliwania twardej skały i betonu za pomocą małych ładunków. Nabój jest wypełniony materiałem miotającym i przybijany prętem. Iglica pręta przybitkowego uderza w spłonkę co wyzwala materiał miotający. Na dnie wywierconego otworu wytwarza się wysokie ciśnienie powodujące rozchodzenie się kontrolowanych pęknięć ale skała otaczająca otwór nie kruszy się i nie podlega dalszej obróbce po tym jak nastąpił wybuch.

Z opisu patentowego US 5 098 163 jest znane urządzenie do wiercenia otworów, w których umieszcza się małe ładunki do kruszenia twardej skały i betonu. W opisie jest ujawniona specyficzna geometria otworów i sposób ich wiercenia.

Maszyna tunelowa została ujawniona w opisie patentowym US 4 080 000. Ma ona ruchomą podstawę i śrubę do urabiania, urządzenia udarowe i kopalniane narzędzia wysięgnikowe. Wszystko to jest umieszczone na maszynie.

Do kruszenia nadmiaru skały i konstrukcji z betonu albo betonu zbrojonego stosuje się mechaniczne kruszarki udarowe o zwiększonej energii i częstotliwości uderzeń narzędzia udarowego, dzięki zastosowaniu systemów hydraulicznych o dużej energii; oraz dzięki wykonaniu końcówki narzędzia z wytrzymałej stali o dużej odporności na pękanie. Mechaniczne kruszarki udarowe mogą być stosowane prawie w każdym miejscu pracy, ponieważ podmuch powietrza tu nie występuje, a działanie sejsmiczne jest stosunkowo słabe.

Mechaniczne kruszarki udarowe jako narzędzie urabiające mogą być stosowane tylko do stosunkowo słabych formacji skalnych, o wysokim stopniu spękania. W twardszych formacjach skalnych, których wytrzymałość na ściskanie w wolnej przestrzeni UCS (Unconfined Compressive Strength) wynosi więcej niż 60 - 80 MPa, sprawność urabiania mechanicznych kruszarek udarowych szybko spada, a zużycie końcówki narzędzia gwałtownie rośnie. Mechaniczne kruszarki udarowe same nie mogą ekonomicznie prowadzić urabiania podziemnego przodka w litych, twardych formacjach skalnych.

Techniki z odpalaniem małych ładunków można stosować we wszystkich formacjach skalnych łącznie z litymi, twardymi formacjami skalnymi. W metodzie odpalania małych ładunków można jednorazowo stosować małe ilości materiałów minerskich (zwykle 2 kg lub mniej). W niektórych przypadkach konwencjonalnej metody wiercenia i strzelania zużywa się dziesiątki do tysięcy kilogramów materiału minerskiego, wtedy gdy wierci się układ wielu otworów, do których ładuje się materiał minerski i synchronizuje się wybuch we wszystkich otworach z dokładnością do milisekund.

Odpalanie małych ładunków może powodować podmuch powietrza i hałas oraz rozrzucanie latających odłamków skalnych, co jest niekorzystne dla usytuowanych w pobliżu maszyn i konstrukcji. Ponadto, techniki z odpalaniem małych ładunków nie mogą być stosowane do urabiania skał z określoną dokładnością.

Potrzebny jest zatem sposób i środki do sprawnego kruszenia skały przy małej prędkości rozrzucanych odłamków skalnych, tak żeby sprzęt wiertniczy, sprzęt odbierający urobek, urządzenia transportowe i podsadzkowe mogły pozostawać przy przodku podczas operacji kruszenia skały.

Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym człon urządzenia umieszcza się w otworze usytuowanym na swobodnej powierzchni twardego materiału i gdy człon jest umieszczony w otworze doprowadza się wysoko sprężony gaz do tego otworu, utrzymuje się wysokie ciśnienie w otworze powodując rozchodzenie się

183 120 podpowierzcłmiowego pęknięcia od otworu i pękanie co najmniej części twardego materiału otaczającego otwór, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że co najmniej większość pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu przy swobodnej powierzchni, w który to pokruszony materiał uderza się mechanicznym urządzeniem kruszącym i usuwa się go.

Korzystnie, głębokość otworu licząc od swobodnej powierzchni wynosi około 3-15 średnic otworu, a mechanicznym urządzeniem kruszącym jest młot albo wiertarka udarowa.

Korzystnie, materiał pokruszony miejscowo stanowi 75% materiału utrzymującego się na miejscu przy swobodnej powierzchni, a objętość materiału pokruszonego wynosi około 0,3-10 m³ nadszybia.

Korzystnie, gaz wytwarza się z materiału wybuchowego albo z materiału miotającego, a ilość tego materiału wynosi około 0,15 - 0,5 kg.

Korzystnie, mechanicznym urządzeniem kruszącym uderza się w pokruszony materiał z energią uderzenia wynoszącą około 0,5 - 500 k J.

Korzystnie, powtarza się uderzania w pokruszony materiał według potrzeb, aż do oddzielenia pokruszonego materiału od swobodnej powierzchni.

Korzystnie, częstotliwość uderzeń mechanicznego urządzenia kruszącego wynosi 1 200 uderzeń na sekundę, a materiał przed kruszeniem ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni większą niż około 150 MPa, a po kruszeniu materiał pokruszony ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni mniejszą niż około 150 MPa.

Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym zatyka się otwór usytuowany na swobodnej powierzchni twardego materiału i doprowadza się wysoko sprężony gaz do dna tego otworu, utrzymuje się wysokie ciśnienie w otworze powodując rozchodzenie się podpowierzcłmiowego pęknięcia od dna otworu, gdy otwór jest zatkany, i kruszy się co najmniej część twardego materiału otaczającego otwór, w innym wariancie wykonania wynalazku jest charakterystyczny tym, że co najmniej około 50% pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu przy swobodnej powierzchni po działaniu wysokim ciśnieniem, w który to miejscowo pokruszony materiał uderza się tępym przedmiotem z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ i z częstotliwością uderzeń co najmniej około 1 uderzenie na sekundę, i usuwa się go.

Korzystnie, obszar styku tępego przedmiotu z pokruszonym materiałem wynosi 500 20000 mm .

Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym w otworze usytuowanym na swobodnej powierzchni twardego materiału i w środkowej części przodka kopalnianego, którego częścią jest swobodna powierzchnia, umieszcza się ładunek minerski, zatyka się wlot otworu materiałem przybitkowym, którym jest materiał granulowany lub pręt przybitko wy, i gdy otwór jest zatkany wyzwala się ładunek minerski, hamuje się rozpraszanie gazu z dna otworu za pomocą materiału przybitkowego, powodując pęknięcia twardego materiału, według innego korzystnego wariantu wykonania jest charakterystyczny tym, że w pokruszony materiał, pozostający w większej części głębokości otworu i trochę przy swobodnej powierzchni, uderza się tępym przedmiotem z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ i usuwa się go.

Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym ładunek minerski ubija się w otworze w materiale, który ma być wydobyty, a następnie wyzwala się ubity ładunek minerski, powodując pęknięcia twardego materiału, jest charakterystyczny tym, że co najmniej 50% pokruszonego materiału pozostaje na miejscu przy przodku, który następnie kruszy się i usuwa z przodka przez następujące po sobie powtarzające się uderzenia w ten pokruszony materiał tępym przedmiotem z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ.

Korzystnie, częstotliwość uderzeń wynosi co najmniej około 1 uderzenie na sekundę.

Korzystnie, tępym przedmiotem jest urządzenie kruszące.

Korzystnie, wytworzony podczas wybuchu wysoko sprężony gaz w otworze pozostaje uszczelniony.

183 120

Korzystnie, twardy materiał przed kruszeniem ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni niewiele większą niż około 150 MPa, a po kruszeniu materiał pokruszony ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni mniejszą niż około 150 MPa.

Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym w otworze utrzymuje się wysokie ciśnienie powodując rozchodzenie się podpowierzchniowego pęknięcia od narożnika dna otworu i pękanie co najmniej części materiału znajdującego się obok otworu, jest charakterystyczny tym, że co najmniej większość pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu, w który to miejscowo pokruszony materiał uderza się mechanicznym urządzeniem kruszącym i usuwa się go.

Korzystnie, w otworze znajdującym się na swobodnej powierzchni twardego materiału umieszcza się człon urządzenia i gdy człon znajduje się w otworze doprowadza się wysoko sprężony gaz do tego otworu.

Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym w otworze utrzymuje się wysokie ciśnienie powodując pękanie co najmniej części materiału znajdującego się obok otworu, według jeszcze jednego wariantu wykonania jest charakterystyczny tym, że co najmniej większość pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu, w który to miejscowo pokruszony materiał uderza się mechanicznym urządzeniem kruszącym i usuwa się go.

Korzystnie, gdy materiał kruszy się przez zwiększanie ciśnienia gazu w otworze swobodna powierzchnia jest zasadniczo wolna od latających odłamków skalnych.

Korzystnie, otwór umieszcza się w środkowej części przodka wyrobiska, którego częścią jest swobodna powierzchnia.

Korzystnie, szybkość usuwania materiału ze swobodnej powierzchni jest około 2-10 razy większa niż w przypadku urządzenia kruszącego pracującego z pominięciem zwiększania ciśnienia w otworze.

Korzystnie, co najmniej większa część głębokości otworu pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni.

Korzystnie, co najmniej większa część głębokości otworu pozostaje na miejscu przy przodku.

Korzystnie, co najmniej 50% głębokości otworu pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni.

Korzystnie, co najmniej 50% pokruszonego materiału pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni po etapie uderzania tępym narzędziem.

Korzystnie, co najmniej 50% głębokości otworu pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni po wybuchu.

Sposób według wynalazku ma wiele zalet. Połączenie odpalania małych ładunków z kruszeniem udarowym znacznie zwiększa sprawność kruszenia skały w porównaniu ze sprawnością, gdy techniki te są stosowane oddzielnie. Łączne zastosowanie metody odpalania małych ładunków i kruszenia udarowego pozwala na oddzielanie większej objętości skały w krótszym czasie niż byłoby to możliwe przy oddzielnym stosowaniu każdej z tych metod, zwłaszcza w twardszych materiałach. Połączenie tych dwóch technik ma ponadto zalety zarówno metody odpalania małych ładunków (tj. niewielki ślad sejsmiczny i mała ilość latających odłamków skalnych podczas odpalania) jak i techniki kruszenia udarowego (tj. możliwość wyrównywania konturu urabianego przodka i rozdrabnianie dużych odłamków skalnych przy przodku w celu ułatwienia zabierania urobku).

Ponadto, zmniejsza się koszt urabiania skały, zwiększa się wydajność urabiania, poprawia się bezpieczeństwo przy mniejszych kosztach zabezpieczeń. Zwiększa się też kontrola dokładności procesu urabiania.

Sposób kruszenia skały staje się możliwy do zaakceptowania w miastach i w obszarach wrażliwych na szkody dla środowiska.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest zobrazowany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wydajność produkcji w funkcji wytrzymałości skały na ściskanie bez ograniczenia kruszenia twardej skały za pomocą zwykłej kruszarki mechanicznej, kruszenia twardej skały za pomocą odpalania małych ładunków i kruszenia twardej skały przy łącznym za

183 120 stosowaniu obu tych dwóch sposobów łącznie, na wykresie; fig. 2 - podstawowe elementy stosowane w procesie odpalania małych ładunków, tj. krótki otwór w skale, przy dnie którego znajduje się nabój z materiałem minerskim i element zapłonowy oraz element przybitkowy (uszczelniający), powodujący skierowanie produktów gazowych na dno otworu, w przekroju; fig. 3 - lej utworzony w przodku skalnym po odpaleniu małego ładunku z wyrzuconą z leja pokruszoną skałą i z pozostałymi poniżej wyrwanego leja resztkami odłamków skalnych, w przekroju; fig. 4 - przodek skalny z wywierconymi dwoma krótkimi otworami i z dużym pęknięciem lub pęknięciami rozchodzącymi się w skale przy dnie otworów oraz z innymi podpowierzchniowymi pęknięciami, powstałymi na skutek odpalenia małego ładunku, w przekroju; fig. 5 - mechaniczne urządzenie kruszące z, zamontowanym na przegubowym zespole wysięgnikowym przymocowanym do środka transportu, zespołem kruszarki i końcówką narzędziową kruszarki, w widoku z boku; fig. 6 - przodek skalny, w którego powierzchnię uderza końcówka narzędziowa mechanicznego urządzenia kruszącego powodując zainicjowanie pęknięć w otaczającej skale, w przekroju; fig. 7 - środek transportu z wysięgnikiem, na którym jest zamontowane mechaniczne urządzenie kruszące i z drugim wysięgnikiem, na którym jest zamontowane urządzenie do odpalania małych ładunków, w widoku z boku; fig. 8 - urządzenie do odpalania małych ładunków zamontowane na mechanizmie przestawiania, zamontowanym na końcu przegubowego zespołu wysięgnikowego, w widoku z boku, zaś fig.9 przedstawia mechanizm przestawiania z wiertarką udarową i urządzeniem do odpalania małych ładunków, w widoku z przodu.

Sposób według wynalazku polega na łącznym zastosowaniu metody odpalania małych ładunków i kruszenia udarowego za pomocą urządzenia kruszącego w postaci młota hydraulicznego lub wiertarki udarowej. Przy odpalaniu małych ładunków skała jest odrywana w małych ilościach przy użyciu małych ilości materiałów wybuchowych. Podczas gdy w epizodycznych konwencjonalnych operacjach wiercenia i strzelania, które wymagają wiercenia układu wielu otworów, przy urabianiu odkrywkowym w te otwory ładuje się ładunki wybuchowe w ilościach 20 - 250t. Odpalanie ładunków w poszczególnych otworach jest zsynchronizowane z dokładnością do milisekund. Następnie otwory są przewietrzane i następuje usuwanie urobku. Przy urabianiu podziemnym metodą odpalania małych ładunków aby usunąć 0,3-10 m³, korzystniej 1-10 m³, a najkorzystniej 3 - 10 m³ zwartego materiału skalnego trzeba zastosować odpowiednio 0,15 - 0,5 kg, korzystniej 0,15 - 0,3 kg, a najkorzystniej 0,15 0,2 kg materiału minerskiego. Przy urabianiu odkrywkowym metodą odpalania małych ładunków, aby usunąć 10 - 100 m³, korzystniej 15-100 m³, a najkorzystniej 20 - 100 m³ zwartego materiału skalnego trzeba zastosować odpowiednio 1 - 3 kg, korzystniej 1 - 2,5 kg, a najkorzystniej 1 - 2 kg materiału minerskiego. Przez zwarty materiał rozumie się skałę na miejscu, a nie luźną skałę oderwaną od przodka skalnego.

Odpalanie małych ładunków zwykle wiąże się z odpalaniem oddzielnych otworów, ale można także odpalać równocześnie kilka otworów. Ślad sejsmiczny przy odpalaniu małych ładunków jest stosunkowo niewielki ze względu na małą ilość materiału minerskiego stosowaną jednorazowo. Korzystnymi materiałami minerskimi są materiały wybuchowe i materiały miotające.

Może być korzystne wiercenie i strzelanie wielu otworów równocześnie (w czasie całkowitym krótszym niż około 1 s), mimo że całkowita ilość materiału minerskiego dla odpalenia małych ładunków użyta przy tym będzie rzędu około 2 kg lub mniej. Jednakże, przewiduje się, że odpalanie najmniejszych ładunków byłoby realizowane co kilka minut. Średni czas pomiędzy kolejnymi odpaleniami małych ładunków wynosi korzystnie 0,5 - 10 min, korzystniej 1 - 6 min, a najkorzystniej 1-3 min.

Technikę odpalania małych ładunków można zmodyfikować tak, aby zoptymalizować sprawność urządzenia kruszącego przez stosowanie głębszych otworów niż normalnie stosuje się w technikach odpalania małych otworów. Przy takim głębiej wywierconym otworze znacznie zmniejsza się energia latających odłamków skalnych, a zatem więcej pokruszonej skały pozostaje na miejscu przy przodku. W przypadku połączenia techniki odpalania małych ładunków z techniką kruszenia udarowego, głębokość wywierconego otworu w skale, korzystnie, powinna wynosić 3-15 średnic otworu.

183 120

W jednym przykładzie wykonania znaczna ilość pokruszonej skały pozostaje na miejscu przy przodku. Dzieje się tak wtedy, gdy ładunek minerski daje energię wystarczającą tylko do spękania skały, ale nie do odłączenia skały od przodka. Korzystnie, co najmniej 50%, korzystniej co najmniej 75%, a najkorzystniej co najmniej 80% skały pozostaje na miejscu, na przodku.

Mechaniczne urządzenie kruszące przekazuje szereg mechanicznych uderzeń w skałę. Pole powierzchni styku urządzenia kruszącego ze skałą wynosi 500 - 20 000 mm². Energia uderzeń jest rzędu kilku tysięcy dżuli. Mechaniczne urządzenie kruszące może być również stosowane do klinowego rozsadzania, podważania i odłupywania skały, która jest spękana lub częściowo odłączona. Energia pojedynczego uderzenia mechanicznego urządzenia kruszącego mieści się w zakresie 0,5 - 20 kJ, korzystniej 1 - 15 kJ, a najkorzystniej 1 - 10 kJ. Częstotliwość uderzeń mechanicznego urządzenia kruszącego wynosi 1-100 uderzeń na sekundę, korzystniej 5-100 uderzeń na sekundę, a najkorzystniej 25- 100 uderzeń na sekundę.

Wynalazek dotyczy kruszenia skały lub innego twardego materiału, takiego jak beton, przez zastosowanie odpalania małych ładunków wespół z mechanicznym urządzeniem kruszącym. Osiąga się przez to bardzo sprawne kruszenie skały; ścisłe kontrolowanie latających odłamków skalnych związanych z procesem odpalania małych ładunków; niewielki ślad sejsmiczny; oraz precyzyjne kontrolowanie obrzeża konturu urabiania. Energia kinetyczna latających odłamków skalnych mieści się w zakresie 0 - 450 J/kg, korzystniej 0-100 J/kg, a najkorzystniej 0 - 50 J/kg. Szczytowa sejsmiczna prędkość przemieszczania cząstki, mierzona w odległości 10 m od punktu strzału albo od punktu uderzenia, wynosi 0-30 mm/s, korzystniej 0-15 mm/s, a najkorzystniej 0-2 mm/s. Nadmierne kruszenie, mierzone od zamierzonego konturu urabiania, wynosi 0-150 mm, korzystniej 0-100 mm, a najkorzystniej 0 - 50 mm.

Zarówno w pokruszonej jak i w litej twardej skale łączne stosowanie odpalania małych ładunków i mechanicznych urządzeń kruszących może zapewnić optymalną sprawność. Przykładowo, przy strzelaniu czasami nie udaje się całkowicie oddzielić skały, a urządzenie kruszące w postaci młota hydraulicznego może skutecznie i szybko dokończyć kruszenie i usuwanie skały. W wielu przypadkach operator może wykazywać tendencję do stosowania zbyt słabego strzelania otworów, aby do minimum zmniejszyć ilość latających odłamków skalnych. Zadaniem urządzenia kruszącego jest wtedy dokończenie kruszenia skały, doprowadzenie pokruszonej skały do żądanego stopnia rozdrobnienia, wyrównanie konturu urabiania na podany wymiar, oraz usunięcie niewielkich garbów i występów.

W stosunkowo słabych, spękanych formacjach skalnych mechaniczne urządzenie kruszące może działać samo z rozsądną sprawnością (energią potrzebną do usunięcia jednostkowej objętości skały) i z możliwą do zaakceptowania żywotnością końcówki narzędziowej urządzenia kruszącego. Sprawność urabiania mechanicznym urządzeniem kruszącym można zwiększyć przez zastosowanie jednego lub kilku strzałów procesu odpalania małych ładunków, by pokruszyć i osłabić skałę. Jeśli jest to potrzebne, środkowa część urobku może być całkowicie usunięta przez odpalenie małego ładunku, przez co utworzy się dodatkowa wolna powierzchnia dla mechanicznego urządzenia kruszącego. Otwór potrzebny do odpalenia małego ładunku można wywiercić dostatecznie głęboko, by zapewnić albo spękanie skały wokół dna wywierconego otworu, albo też oderwanie skały przy bardzo małej energii latających odłamków skalnych. W stosunkowo słabych spękanych formacjach skalnych mechaniczne urządzenie kruszące jest zwykle wykorzystywane do urabiania większości skały. Przykładowo, odpalenie małego ładunku może spowodować usunięcie około 20% skały, natomiast mechaniczne urządzenie kruszące będzie usuwać pozostałe 80% skały.

W umiarkowanie twardej skale z pewnym spękaniem, zarówno sprawność urabiania jak i żywotność końcówki narzędziowej mechanicznej kruszarki udarowej maleje wraz ze wzrostem twardości skały, ze zmniejszeniem spękania oraz z utratą heterogeniczności formacji skalnej. W takiej sytuacji liczbę wierconych otworów do odpalania małych ładunków zwiększa się, by osłabić i/lub usunąć większą część urabianej skały, a mechaniczne urządzenie kraszące jest wykorzystywane tylko do usuwania pozostałej luźno związanej skały w środkowej części obszaru urabiania oraz do wykończenia urobku wzdłuż żądanego obwodu lub do wyrównania linii urabianego obszaru. Otwór potrzebny do odpalenia małego ładunku znowu

183 120 powinien być wywiercony wystarczająco głęboko, by zapewnić albo rozkruszenie skały wokół dna wywierconego otworu, albo też odrywanie skały przy bardzo małej energii latających odłamków skalnych. W umiarkowanie twardej skale z niewielkim spękaniem odpalanie małych ładunków i mechaniczne urządzenie kruszące będą usuwać w przybliżeniu jednakowe ilości urobku.

W litych formacjach skalnych, od stosunkowo twardych do bardzo twardych, mechaniczne urządzenie kruszące samo nie może powodować kruszenia lub usuwania znacznych ilości skały, a żywotność końcówki narzędziowej urządzenia znacznie się skraca. W takim przypadku, do kruszenia skały trzeba zastosować metodę odpalania małych ładunków lub jakąś inną metodę. Odpalanie małych ładunków nadaje się do urabiania twardych, litych formacji skalnych samodzielnie, ale wydajność urabiania jest wtedy również znacznie zmniejszona. W twardszej skale trzeba wiercić stosunkowo krótkie otwory. Jeżeli otwór jest zbyt głęboki, odłupywanie skały może być niewielkie lub może go w ogóle nie być. Jeżeli otwór jest za krótki, energia latających odłamków skalnych może być bardzo duża, i powodują one wtedy uszkodzenie urządzeń usytuowanych w pobliżu. Jeżeli jednak otwory do odpalania małych ładunków są wywiercone raczej głębiej niż płycej, występowanie latających odłamków skalnych o dużej energii jest prawie wyeliminowane. Po kilku odpaleniach małych ładunków mechaniczne urządzenie kruszące może już oddzielać duże części skały. Jest to spowodowane tym, że odpalenia małych ładunków utworzyły sieć podpowierzchniowych pęknięć w obszarach wokół dna wywierconych otworów i osłabiły wystarczająco skałę, aby mechaniczne urządzenie kruszące pracowało już sprawnie z możliwą do zaakceptowania żywotnością końcówki narzędziowej. W twardych, masywnych formacjach skalnych konieczna jest znacznie większa liczba odpaleń małych ładunków. Liczba uderzeń mechanicznego urządzenia kruszącego zależy od tego na ile skała jest rzeczywiście oderwana przez odpalenie małych ładunków. Oprócz odstrzelenia środkowej części urabianej skały odpalenia niewielkich ładunków trzeba przeprowadzić bliżej obwodu urabianej części skały. Mechaniczne urządzenie kruszące, ze względu na lepsze sterowanie, jest potem wykorzystywane do wyrównania żądanego obrysu.

Kluczowym aspektem łącznego użycia odpalania małych ładunków i mechanicznego urządzenia kruszącego jest to, że wydajność przy stosowaniu obu procesów razem jest znacznie większa niż wydajność przy stosowaniu każdego procesu oddzielnie. Mechaniczne urządzenie kruszące w efekcie zwiększa średnią wydajność procesu z odpalaniem małych ładunków. Odpalanie małych ładunków zwiększa wydajność i żywotność narzędzia mechanicznego urządzenia kruszącego, a jej zakres zastosowania rozciąga się na twardsze, mniej spękane formacje skalne.

Przykładowo, w skale mającej wytrzymałość na ściskanie w wolnej przestrzeni UCS w granicach 60-100 MPa można oczekiwać, że samo mechaniczne urządzenie kruszące będzie potrzebowało około 4h na usunięcie około 30 m³ skały (przy około lOOkW dostarczonych do przodka skalnego). Sam proces odpalania małego ładunku mógłby potrzebować około 2h i około 20 strzałów, by urobić około30 m³ skały (przy około 0,3 kg (1MJ) materiału minerskiego na jedno odpalenie). Przy zastosowaniu łącznym obu metod wydobycie około 30 m³ skały można zakończyć po dwóch lub trzech odpaleniach małych ładunków, co może zająć pół godziny, i po jednej godzinie pracy mechanicznego urządzenia kruszącego.

Przy wykorzystaniu 75%, samo mechaniczne urządzenie kruszące mogłoby zużyć 18MJ energii i do zakończenia urabiania będzie potrzebowało 4h. Samo odpalanie małych ładunków wymagałoby energii 20MJ i do zakończenia urabiania będzie potrzebowało 3h (trzeba użyć urządzenie kruszące do wykończenia konturu). Przy łącznym użyciu potrzebna jest energia około 7.5MJ, a urabianie zostanie zakończone w czasie około 1,5h.

W skale o wytrzymałości na ściskanie w wolnej przestrzeni UCS w zakresie 250 300MPa samo mechaniczne urządzenie kruszące faktycznie nie mogłoby w ogóle kruszyć skały. Sam proces odpalania małych ładunków wymagałby 5h i 60 strzałów, by urobić 30 m³ skały. Przy łącznym zastosowaniu obu sposobów urabianie 30m³ może zakończyć się po 1525 odpaleniach małych ładunków, co może zająć 2h, i po dodatkowych 2h pracy mechanicz

183 120 nego urządzenia kruszącego w celu odłączenia skały nie usuniętej przez odpalenie małych ładunków, odłupania luźnej skały i wyrównania konturu wyrobiska.

Samo odpalanie małych ładunków wymagałoby użycia energii około 60MJ i zajęłoby około 6h do zakończenia urabiania (trzeba byłoby użyć kruszarkę do wykończenia konturu). Łączne użycie obu sposobów kruszenia wymaga energii 25 - 35MJ, a urabianie zostaje zakończone w ciągu 4h.

Porównanie wydajności produkcyjnych przy urabianiu tylko za pomocą mechanicznego urządzenia kruszącego, tylko przez odpalanie małych ładunków i przy łącznym użyciu obu tych sposobów jest przedstawione na fig. 1.

Sposób według wynalazku stanowi zatem znaczne rozszerzenie metody z mechanicznym urządzeniem kruszącym i metody z odpalaniem małych ładunków. Dzięki połączeniu obu tych metod została znacznie zwiększona wydajność urabiania w porównaniu z sumą wydajności każdej z metod stosowanych oddzielnie. Łączne zastosowanie tych metod likwiduje również wady każdej metody gdy są stosowane oddzielnie.

Przy połączeniu tych dwóch metod wydajność produkcyjna (mierzona w m³ oderwanej skały na godzinę) zostaje zwiększona, w porównaniu z sytuacją gdy każdy ze sposobów jest stosowany indywidualnie, 2 - 10-krotnie, korzystniej 3 - 10-krotnie, a najkorzystniej 4-10krotnie. Przy połączeniu tych dwóch metod sprawność działania mechanicznego urządzenia kruszącego znacznie poprawia się w słabej skale. Działanie jej rozszerza się na średnie i twarde formacje skalne, gdzie mechaniczne urządzenie kruszące działające oddzielnie, nie może zapewnić opłacalnych wydajności urabiania. Przez połączenie tych dwóch metod znacznie zmniejsza się zużycie końcówki narzędziowej mechanicznego urządzenia kruszącego i rozszerzają się dodatkowe wolne powierzchnie, ponieważ skała została osłabiona przez uprzednie odpalenie małego ładunku.

Przy połączeniu tych dwóch metod średnia wydajność odpaleń małych ładunków zwiększa się 2 - 10-krotnie, ponieważ mechaniczne urządzenie kruszące oddziela pokruszoną skałę, która skutecznie blokuje umieszczenie następnych małych ładunków do odpalenia. Przy połączeniu obu metod otwory na małe ładunki mogą być wiercone głębiej, co zmniejsza energię latających odłamków skalnych przy odpalaniu małego ładunku.

Zasadnicze elementy procesu odpalania małych ładunków są przedstawione na fig. 2. W skale wierci się krótki otwór, w którym umieszcza się niewielką ilość materiału minerskiego. Ładunek ten przybija się odpowiednim materiałem, takim jak piasek, muł, skała lub stalowy pręt, i wyzwala się ładunek. Gaz wytworzony przy wyzwoleniu ładunku powoduje powstanie i rozchodzenie się nowych pęknięć lub rozchodzenie się istniejących pęknięć, przez co urabia się niewielką objętość skały wokół wywierconego otworu. Otwór wierci się w taki sposób, aby zapewnić, że pęknięcia będą się rozchodziły do powierzchni, a odłamana skała będzie odrzucana od przodka skalnego ze znaczną energią, jak pokazano na fig. 3. W takim przypadku pozostała skała będzie zawierać pewne resztkowe spękanie wokół urobionego leja i lej ten będzie tworzyć dodatkowe wolne powierzchnie. Obie te właściwości spowodują poprawienie wydajności mechanicznego urządzenia kruszącego.

Alternatywnie, otwór można wiercić głębiej w taki sposób, aby uniemożliwić rozchodzenie się pęknięć do powierzchni lub, jeśli pęknięcia sięgają powierzchni, przyspieszyć odłamki oddzielonej skały za pomocą pozostałej niewielkiej energii gazu. Sytuacja ta jest pokazana na fig. 4. W tym przypadku skała wokół wywierconego otworu będzie zawierać sieć pęknięć, które znacznie osłabią skałę i poprawią wydajność mechanicznego urządzenia kruszącego. Dodatkowo, pęknięcia, które doszły do powierzchni, będą dostępne dla mechanicznego urządzenia kruszącego, gdzie skałę można podważyć, rozsadzić klinem lub odłupać.

Głównym celem odpalania małych ładunków jest usuwanie małych objętości skały przy jednym odpaleniu przez szereg kolejnych odpaleń, w przeciwieństwie do epizodycznych konwencjonalnych operacji wiercenia i strzelania, które wymagają wiercenia układu wielu otworów, ładowania w te otwory ładunków wybuchowych i synchronicznego odpalania ich w każdym otworze, przewietrzania otworów i usuwania urobku. Ilość skały usunięta przy jednym odpaleniu małego ładunku wynosi 0,5 - 3 m³, a odstęp czasowy pomiędzy odpaleniami wynosi zwykle 2 minuty lub więcej.

183 120

Istnieje kilka sposobów realizacji odpalania małych ładunków. Jednym z nich jest konwencjonalny sposób wiercenia krótkiego otworu i strzelanie. Denna część otworu jest załadowana ładunkiem wybuchowym i przybita piaskiem i/lub skałą. Drugi to wiercenie krótkiego otworu i strzelanie z zastosowaniem technik odpalania amortyzowanego. Derma część otworu jest załadowana ładunkiem wybuchowym, który jest od-sprzężony od skały i przybity piaskiem i/lub skałą. Następny sposób polega na wykorzystywaniu iniektora gazu do wywierania ciśnienia na dno krótkiego wywierconego otworu. W innym rozwiązaniu w wywierconym krótkim otworze umieszcza się materiał miotający do wywierania ciśnienia na dno tego otworu. W jeszcze innym rozwiązaniu na dnie otworu umieszcza się materiał wybuchowy.

Wybór sposobu odpalania małych ładunków zależy od typu formacji skalnej i od wynikowych układów spękania, najlepszych dla optymalnego działania mechanicznego urządzenia kruszącego.

Przedstawione na fig. 5 mechaniczne urządzenie kruszące doprowadza szereg uderzeń o dużej energii do przodka skalnego. Energia poszczególnych uderzeń może wynosić od kilkuset do kilku tysięcy kilo-dżuli. Częstotliwość uderzeń może wahać się od kilku uderzeń do ponad stu uderzeń na sekundę. Każde uderzenie wprowadza impuls udarowy w skałę, który odbija się od najbliższej swobodnej powierzchni i powoduje powstanie w skale naprężenia, tworząc warunki konieczne do zainicjowania pęknięcia. Każde uderzenie może również przedłużać istniejące pęknięcia. Silny impuls udarowy złożony jest z silnego wstrząsu, po którym natychmiast następuje fala gwałtownego rozrzedzenia, tak że wzrost i spadek ciśnienia występują w czasie krótszym niż czas potrzebny, by fala sejsmiczna przeszła przez objętość skały, na którą działa impuls. Mechanizmy te są przedstawione na fig. 6. Szereg uderzeń może również wytworzyć w skale naprężenia wibracyjne, które mogą wspomagać kruszenie. Końcówka narzędzia urządzenia kruszącego może być również używana do podważania lub klinowego rozsadzania skały przez wtłaczanie tej końcówki w częściowo rozchylone pęknięcia.

Jedno lub więcej odpaleń małych ładunków może wytworzyć w przodku skalnym sieć pęknięć podpowierzchniowych, dodatkowe swobodne powierzchnie, albo jedno i drugie. Przez wywołanie sieci pęknięć i dodatkowych swobodnych powierzchni odpalanie małych ładunków stwarza warunki niezbędne do skutecznej pracy mechanicznego urządzenia kruszącego.

W wielu przypadkach zastosowanie samego odpalania małych ładunków powoduje powstanie kilku otworów, w których spękanie jest niepełne, jednakże skała wokół dna otworu może być skruszona. Dalsze otwory trzeba będzie wywiercić w wystarczająco dużej odległości, aby uniknąć sytuacji, w której ciśnienie wywołane w dnie następnego otworu byłoby przedwcześnie odprowadzone w poprzednio utworzone pęknięcia podpowierzchniowe, przez co zmniejszyłaby się wydajność strzału. Sytuację tę można zredukować lub wyeliminować przez wiercenie krótszych otworów w celu zapewnienia, że pęknięcia dojdą do powierzchni i skała będzie całkowicie oddzielona. Prowadzi to jednak do sytuacji, w której znaczne ilości energii gazu mogą wyrzucać pokruszoną skałę ze zwiększoną energią, a latające odłamki skalne będą powodować uszkodzenia sprzętu znajdującego się w pobliżu.

Jeżeli otwory na małe ładunki są wywiercone wystarczająco głęboko dla skruszenia skały wokół dna otworu bez jej odłączania (co jest równoważne ze zbyt słabym strzałem w otworze), wówczas do oddzielania skały bez niebezpieczeństwa latających odłamków skalnych o dużej energii można użyć mechaniczne urządzenie kruszące. W ten sposób przodek skalny można oczyścić z luźnych odłamków, a następne odpalenia małych ładunków mogą odbywać się we właściwej skale, przez co zmniejsza się możliwość przedwczesnego uchodzenia ciśnienia powstałego na dnie otworu.

Zastosowanie metody odpalania małych ładunków rozszerza zakres wytrzymałości skały, w którym może skutecznie działać mechaniczne urządzenie kruszące. Urządzenie kruszące może pomóc w wyeliminowaniu luźnej skały, która zmniejsza skuteczność odpalania małych ładunków i może zapobiec przed wystąpieniem latających odłamków skalnych o dużej energii.

Podstawowe części składowe układu do łącznego stosowania metody kruszenia udarowego i odpalania małych ładunków są przedstawione schematycznie na fig. 7. Są to: zespół wysięgnikowy i środek transportu, mechaniczne urządzenie kruszące, wiertarka udarowa, mechanizm odpalania małych ładunków i mechanizm przestawiania.

183 120

Środkiem transportu może być każdy standardowy górniczy albo budowlany środek transportu czy też dowolny środek transportu specjalnie skonstruowany do zamontowania zespołu wysięgnikowego. Do głębienia szybów, do robót wybierkowych, do wybierania wąskich żył i do operacji wojskowych mogąbyć zbudowane specjalne środki transportu.

Zwykle potrzebne są dwa zespoły wysięgnikowe. Jeden do zamontowania mechanicznego urządzenia kruszącego, a drugi do zamontowania urządzenia do odpalania małych ładunków. Mogą to być dowolne standardowe górnicze lub budowlane wysięgniki przegubowe lub dowolne wysięgniki zmodyfikowane albo specjalnie dopasowane. Zadaniem zespołu wysięgnikowego jest ustawienie i umieszczenie urządzenia kruszącego i urządzenia do odpalania małych ładunków w żądanym położeniu. W przypadku urządzenia do odpalania małych ładunków na zespole wysięgnikowym może być zamontowany zespół przestawiania. Zespół przestawiania przytrzymuje zarówno wiertarkę udarową jak i mechanizm do odpalania małych ładunków i obraca się wokół osi ustawionej zgodnie z mechanizmem wiertarki udarowej i mechanizmem do odpalania małych ładunków. Po wywierceniu przez wiertarkę udarową krótkiego otworu w przodku skalnym zespół przestawiania zostaje obrócony, by ustawić mechanizm odpalania małych ładunków w gotowości do wprowadzenia w wywiercony otwór. Dzięki zespołowi przestawiania niepotrzebne są oddzielne wysięgniki dla wiertarki udarowej i mechanizmu odpalania małych ładunków. Masa wysięgnika i zespołu przestawiania służy również jako masa odrzutu i zapewniają stabilność wiertarki udarowej i mechanizmu odpalania małych ładunków.

Mechaniczne urządzenie kruszące może mieć postać młota hydraulicznego, młota hydraulicznego o dużej energii lub wiertarki udarowej, Początkowo mechaniczne urządzenia kruszące były napędzane pneumatycznie i używane głównie do rozbijania głazów narzutowych lub do niszczenia konstrukcji betonowych. Następnie wprowadzono napęd hydrauliczny co zwiększyło zarówno energię uderzeń jak i ich częstotliwość. Ponieważ zwiększyła się moc mechanicznych urządzeń kruszących, wprowadzono je do konstrukcji i do operacji górniczych, często w połączeniu z koparką podsiębierną do urabiania miękkiej, pokruszonej skały. Mechaniczne urządzenie kruszące w postaci wiertła udarowego służy do operacji wybierkowych w kopalniach z wąskimi żyłami.

Mechaniczne urządzenie kruszące jest zwykle zamontowane na swym własnym zespole wysięgnikowym, umożliwiającym ustawienie urządzenia kruszącego w żądanym położeniu i odizolowanie środka transportu od drgań powstających podczas pracy tego urządzenia. Sterowanie urządzeń kruszących może odbywać się ze sprzężeniem zwrotnym, aby dostosowywać energię i częstotliwość uderzeń do zmian warunków w skale.

Wiertarka udarowa jest złożona z silnika i świdra udarowego składającego się ze stalowej żerdzi wiertniczej i koronki wiertniczej, przy czym silnik może być napędzany pneumatycznie lub hydraulicznie. Korzystnym typem wiertarki jest (percussive drill) wiertarka udarowa, która tworzy mikropęknięcia przy dnie wierconego otworu. Mikropęknięcia te stanowią punkty inicjujące pękanie skały przy dnie otworu. Mogą być tu również używane wiertarki obrotowe diamentowe i inne.

Do świdra udarowego stosuje się standardowe stalowe żerdzie wiertnicze, odpowiednio skrócone, aby nadawały się do wiercenia krótkich otworów wymaganych w procesie odpalania małych ładunków. Jako koronki wiertnicze stosuje się standardowe górnicze lub budowlane koronki wiertnicze albo też specjalne udarowe koronki wiertnicze, które zwiększają mikropęknięcia. Wywiercony otwór ma średnicę 2,5 - 50 cm, a jego głębokość wynosi zwykle 315 średnic otworu.

Dla ułatwienia wprowadzania mechanizmu odpalania małego ładunku wierci się w skale otwory schodkowe lub otwory zwężające się. Do tego celu stosuje się schodkowe koronki wiertnicze złożone z koronki prowadzącej i koronki rozwiertakowej o nieco większej średnicy. Koronka rozwiertakowa i koronka prowadząca mogą być specjalnie zaprojektowane w celu utworzenia zwężającego się przejścia od większego otworu rozwierconego do mniejszego otworu prowadzącego.

183 120

Podstawowymi elementami urządzenia do odpalania małych ładunków są: magazynek nabojów, mechanizm ładujący naboje, nabój, układ zapłonu naboju oraz element do przybijania lub uszczelniania.

Naboje z materiałem miotającym lub materiałem wybuchowym są przechowywane w magazynku podobnym do magazynku amunicyjnego działa z samoczynnym ładowaniem.

Mechanizm ładujący jest standardowym urządzeniem mechanicznym, które pobiera nabój z magazynka i wprowadza go w wywiercony otwór. Do tego celu może również służyć pręt przybitkowy.

Mechanizm ładujący dostarcza nabój z magazynka do wywierconego otworu w czasie nie krótszym niż 10 sek, a korzystniej w czasie 30 sek lub dłuższym. Jest to ładowanie powolne w porównaniu z mechanizmami samoczynnego ładowania dział szybkostrzelnych i dlatego na nabój nie działają obciążenia powodowane przez duże przyspieszenie. Można tu także stosować pewne odmiany wojskowych technik samoczynnego ładowania lub przemysłowych systemów manipulowania butelkami i pojemnikami. Jedną z tych odmian jest pneumatyczny system przenośnikowy, w którym nabój jest przepychany przez sztywną lub giętką rurę przy różnicach ciśnienia rzędu 0,1 bar.

Nabój jest to pojemnik na stały lub ciekły materiał minerski (wybuchowy lub miotający). Może on być wykonany z materiałów takich jak woskowany papier, tworzywo sztuczne, metal lub kombinacja tych trzech materiałów. Nabój służy jako środek transportu materiału minerskiego z magazynka do miejsca urabiania oraz jako zabezpieczenie ładunku minerskiego podczas wprowadzania go do wywierconego otworu.

W razie konieczności nabój służy jako komora spalania materiału minerskiego. W naboju wytwarza się wewnętrzna wolna przestrzeń do kontrolowania ciśnienia wytwarzanego przy dnie otworu.

Jeśli w otworze jest woda nabój stanowi ochronę materiału minerskiego przed wilgocią. Jest on także pomocniczym elementem uszczelniającym dla gazów będących produktem spalania materiału minerskiego.

Nabój izoluje pręt przybitkowy od silnych udarów wywołanych przez materiał minerski

W przypadku, gdy materiał minerski jest złożony z materiału miotającego, stosuje się standardowe techniki wyzwalania tego materiału miotającego. Są to: spłonki uderzeniowe, w których mechaniczny młotek lub iglica detonuje ładunek spłonki; zapalniki elektryczne, w których obwód wyładowania kondensatora wytwarza iskrę służącą do zdetonowania ładunku zapalnika; zapalniki termiczne, w których prąd z baterii lub wyładowanie kondensatora rozgrzewa drut żarowy; albo zapalniki optyczny, w których impuls laserowy wyzwala wrażliwy na światło ładunek zapalnika.

Przy odpalaniu małych ładunków materiał minerski umieszcza się przy dnie krótkiego wywierconego otworu, a górna część tego otworu jest przybijana lub uszczelniana za pomocą jednego z kilku możliwych elementów przybitkowych, zależnie od zastosowanego sposobu odpalania małego ładunku. Zadaniem elementu przybitkowego jest bezwładnościowe zamykanie wysoko sprężonych gazów, wytworzonych z materiału minerskiego, przy dnie otworu na czas wystarczający, by spowodować spękanie skały. Zwykle jest to kilkaset mikrosekund do kilku milisekund.

W przypadku użycia konwencjonalnych technik wiercenia i strzelania krótkiego otworu denna część otworu może być załadowana ładunkiem wybuchowym przybitym piaskiem i/lub skałą albo za pomocą bezwładnościowego pręta przybitkowego.

W przypadku wiercenia i strzelania krótkiego otworu z zastosowaniem technik odpalania amortyzowanego denna część otworu może być załadowana ładunkiem wybuchowym, który jest odsprzężony od skały, i przybity piaskiem i/lub skałą albo za pomocą bezwładnościowego pręta przybitkowego.

W przypadku zastosowania iniektora gazu lub odpalania małych ładunków w postaci materiału miotającego albo materiału wybuchowego, głównym sposobem zamykania wysoko sprężonych gazów przy dnie otworu, powodujących pękanie skały, jest stosowanie litego bezwładnościowego pręta przybitkowego blokującego zasadniczo wypływ gazu z wywierconego otworu. Jedyną drogą słabego uchodzenia gazu jest przestrzeń między prętem przybit

183 120 kowym a ścianami wywierconego otworu. To niepożądane uchodzenie gazu można dodatkowo zmniejszyć przez właściwą konstrukcję naboju zawierającego materiał minerski oraz konstrukcję pręta przybitkowego.

Pręt przybitkowy powinien być wykonany ze stali o dużej wytrzymałości lub z innych materiałów, które mają dużą gęstość i masę dla zapewnienia bezwładności. Materiał na pręt przybitkowy powinien być wytrzymały na obciążenia ciśnieniowe, trudno odkształcalny oraz odporny na pękanie, a zatem trwały.

Wiertarka udarowa i urządzenie do odpalania małych ładunków są zamontowane na zespole przestawiania, który z kolei jest zamontowany na innym wysięgniku niż mechaniczne urządzenie kruszące. Zadaniem zespołu przestawiania jest umożliwienie wywiercenia otworu, następnie umożliwienie prawidłowego ustawienia urządzenia do małych ładunków i wprowadzenie go w wywiercony otwór. Typowy zespół przestawiania jest przedstawiony na fig. 8. Zespół przestawiania jest przymocowany do swego wysięgnika za pomocą połączeń hydraulicznych, które umożliwiają ustawianie go pod żądanym kątem i w żądanej odległości od przodka skalnego. Zespół przestawiania najpierw umieszcza się tak, żeby wiertarka udarowa mogła wywiercić krótki otwór w przodku skalnym. Następnie zespół przestawiania obraca się wokół wspólnej osi wiertarki udarowej i urządzenia do odpalania małych ładunków tak, żeby to urządzenie do odpalania zostało usytuowane zgodnie z wywierconym otworem. Wreszcie urządzenie wprowadza się w otwór i jest ono gotowe do odpalenia.

Sposób kontrolowanego kruszenia twardej skały i betonu według wynalazku ma szerokie zastosowanie w górnictwie, kamieniołomach, budownictwie i w operacjach wojskowych. W szczególności sposób ten stosuje się przy drążeniu tuneli, komór i szybów, przy eksploatacji sztolni, przy urabianiu ścianowym, komorowym i filarowym. Ma on zastosowanie przy wybieraniu, z osiadaniem stropu, wybieraniu z podsadzką i wybieraniu wąskich żył, a także przy wybieraniu selektywnym, przy wybieraniu z wrąbem przyspągowym w przypadku wybierania z pionowym włomem, przy wybieraniu stropowym z zawałem.

Sposób ma też zastosowanie przy wtórnym kruszeniu skał i redukowaniu nadmiernego wymiaru bryły skalnej. Może być także wykorzystywany do kopania rowów, drążenia szybów nadsięwłomem, cięcia skał, precyzyjnych robót strzałowych, burzenia, czyszczenia wyrobiska odkrywkowego, robót strzałowych w wyrobisku odkrywkowym, kruszenia głazów narzutowych i wybierania warstw w kamieniołomach.

W operacjach militarnych sposób może być stosowany przy budowaniu stanowisk bojowych i schronów w skałach oraz przy usuwaniu przeszkód naturalnych i sztucznych dla ruchu wojsk.

Na fig. 1, jest przedstawiona szacunkowa wydajność produkcyjna 1 wyrażona w m³/h urobionego zwartego materiału skalnego, w funkcji wytrzymałości na ściskanie w wolnej przestrzeni, wyrażonej w MPa, skały 2. Obszar zakreskowany 3 oznacza zakres pracy samego mechanicznego urządzenia kruszącego. Z wykresu widać, że urządzenie to nie urabia skały, której wytrzymałość na ściskanie w wolnej przestrzeni jest większe niż około 150 MPa. W obszarze tym są przedstawione opublikowane dane punktowe 4. Obszar zakreskowany 5 oznacza zakres pracy samego urządzenia do odpalania małych ładunków. Z wykresu widać, że metodą odpalania małych ładunków można urabiać skałę w całym zakresie wytrzymałości skały na ściskanie w wolnej przestrzeni, typowym dla przemysłowego urabiania skały. W zakreskowanym obszarze 5 przedstawione są opublikowane dane punktowe 6. Zakreskowany na krzyż obszar 7 oznacza zakres pracy urządzenia do odpalania małych ładunków połączonego z mechanicznym urządzeniem kruszącym. Z wykresu widać, że takie łączne zastosowanie obu urządzeń umożliwia wydajniejsze urabianie skały niż zsumowana wydajność dwóch urządzeń działających oddzielnie. Doświadczalnie określone dane punktowe 8 są przedstawione w zakreskowanym na krzyż obszarze 7.

Elementy systemu z odpalaniem małych ładunków są przedstawione na fig. 2. Krótki otwór 9 wierci się w przodku skalnym 10 za pomocą świdra skalnego wiertarki udarowej. Średnica 11 wywierconego otworu 9 zmienia się schodkowo, co można uzyskać przez połączenie koronki rozwiertakowej z prowadzącą koronką wiertniczą. Ta stopniowana średnica 11 służy do ograniczenia maksymalnej drogi elementu wprowadzającego nabój i jest wykorzy

183 120 stywana do pomocy w uszczelnianiu gazów powstających przy dnie 12 otworu 9. Nabój 13 zawierający ładunek materiału minerskiego 14 umieszcza się na dnie 12 otworu 9. Spalanie materiału minerskiego 14 jest inicjowane przez element zapłonowy 15 sterowany zdalnie poprzez elektryczny lub optyczny przewód łączący 16, przechodzący przez pręt przybitkowy 17. Pręt przybitkowy 17 służy do bezwładnościowego zamknięcia wysoko sprężonych gazów wytworzonych przy dnie 12 otworu 9 po odpaleniu materiału minerskiego 14. Uniemożliwia on uchodzenie wysoko sprężonych gazów z dna 12 otworu 9, w czasie potrzebnym do powstania pierwotnych pęknięć 18 i resztkowych pęknięć 19 w skale 20 wokół dna 12 otworu 9.

Figura 3 przedstawia proces całkowitego kruszenia skały po odpaleniu małego ładunku, dla przypadku gdy wywiercono stosunkowo krótki otwór, a strzał był zbyt silny. Otwór 22 wywiercono w przodku skalnym 21. Dno wywierconego otworu 22 może znaleźć się w środku dna urobionego włomu 23. Pokruszona skała 24 została wyrzucona z dużą energią z wlomu z powodu przyspieszającego działania gazów wytworzonych przez materiał minerski. W skale 26 pod ścianami włomu powstają resztkowe pęknięcia 25.

Figura 4 przedstawia proces kruszenia skały po odpaleniu małego ładunku, dla przypadku gdy wywiercono stosunkowo głęboki otwór, a strzał był zbyt słaby. Otwory 27 i 28 zostały wywiercone w przodku skalnym 29. Skała 32 nie została oddzielona po odpaleniu małego ładunku, ale powstały w niej pierwotne pęknięcia 30 i resztkowe pęknięcia 31. Tworzą one podpowierzchniową sieć pęknięć, które osłabiły całą strukturę skały 32 i łatwiej będzie można ją odłamać albo przez dalsze odpalenia małych ładunków, albo za pomocą mechanicznego urządzenia kruszącego.

Typowe nowoczesne mechaniczne urządzenie kruszące jest pokazane na fig. 5. Obudowa 33 mechanicznego urządzenia kruszącego jest przymocowana do przegubowego zespołu wysięgnikowego 34 który z kolei jest przymocowany do środka transportu 35. Końcówka narzędziowa 36 jest napędzana przez hydrauliczny mechanizm tłokowy umieszczony wewnątrz obudowy 33. Środek transportu 35 przemieszcza mechaniczne urządzenie kruszące z obudową 33 w pobliże przodka roboczego, a zespół wysięgnikowy 34 ustawia mechaniczne urządzenie kruszące tak, że jego końcówka narzędziowa 36 może działać na przodek skalny.

Figura 6 przedstawia mechanizm kruszenia mechanicznym urządzeniem kruszącym. Końcówka narzędziowa 37 pokazana jest w chwili uderzania w przodek skalny 38. W przodku skalnym 38 znajduje się uprzednio istniejące pęknięcie 39. Po lewej stronie przodka skalnego znajduje się swobodna powierzchnia 40. Impuls udarowy wytworzony przez uderzenie końcówką narzędziową 37 rozchodzi się i odbija jako fala przebiegająca od powierzchni uprzednio istniejącego pęknięcia 39 tworząc obszar naprężeń 41 w skale, w którym zainicjowane będzie dodatkowe pękanie. Ten impuls udarowy rozchodzi się również jako fala przebiegająca od swobodnej powierzchni 40. tworząc drugi obszar naprężeń 42 w skale, w którym będzie także inicjowane dodatkowe pękanie. Po powtórnych uderzeniach końcówką narzędziową 37 pęknięcia zainicjowane w obszarach 41 i 42 połączą się i spowodują odłączenie masy skalnej przedstawionej jako obszar 43.

System urabiania skały oparty na łącznym zastosowaniu urządzenia do odpalania małych ładunków i mechanicznego urządzenia kruszącego przedstawiono na fig. 7. Do ruchomego środka transportu 46 przymocowano dwa przegubowe zespoły wysięgnikowe 44 i 45. Na zespole wysięgnikowym 44 jest zamontowane mechaniczne urządzenie kruszące 47. Na drugim zespole wysięgnikowym 45 jest zamontowane urządzenie do odpalania małych ładunków 48. Dodatkowo można zamontować przystawkę podsiębierną 40 do przemieszczania odłamanej skały z przodka na system przenośnikowy 50, który przenosi odłamaną skałę do systemu transportowego (nie pokazano).

Na fig. 8 pokazano zespół przestawiania 51 dla urządzenia do odpalania 52 małych ładunków. Ten zespół przestawiania łączy urządzenie do odpalania 52 małych ładunków z wysięgnikiem przegubowym 53. Na zespole przestawiania 51 jest zamontowana wiertarka udarowa 54 i mechanizm wprowadzający 55 mały ładunek. Wysięgnik przegubowy 53 ustawia zespół przestawiania 51 przy przodku skalnym tak, że wiertarka udarowa 54 może wiercić krótki otwór (nie pokazano) w przodku skalnym. Po wyciągnięciu wiertarki udarowej 54 z

183 120 otworu, zespół przestawiania 51 zostaje obrócony wokół swej osi 56 przez mechanizm hydrauliczny 57 tak, aby ustawić mechanizm wprowadzający 56 mały ładunek zgodnie z osią wywierconego otworu. Mechanizm wprowadzający 55 wprowadza następnie mały ładunek w wywiercony otwór i mały ładunek jest gotowy do odpalenia.

Fig. 2

183 120

Fig. 3

Fig. 4

183 12θ

183 120

Fig. 8

183 120

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims (26)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym człon urządzenia umieszcza się w otworze usytuowanym na swobodnej powierzchni twardego materiału i gdy człon jest umieszczony w otworze doprowadza się wysoko sprężony gaz do tego otworu, utrzymuje się wysokie ciśnienie w otworze powodując rozchodzenie się podpowierzchniowego pęknięcia od otworu i pękanie co najmniej części twardego materiału otaczającego otwór, znamienny tym, że co najmniej większość pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu przy swobodnej powierzchni, w który to pokruszony materiał uderza się mechanicznym urządzeniem kruszącym i usuwa się go.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że głębokość otworu licząc od swobodnej powierzchni wynosi około 3-15 średnic otworu, a mechanicznym urządzeniem kruszącym jest młot albo wiertarka udarowa.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że materiał pokruszony miejscowo stanowi 75% materiału utrzymującego się na miejscu przy swobodnej powierzchni, a objętość materiału pokruszonego wynosi około 0,3-10 m³ nadszybia.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz wytwarza się z materiału wybuchowego albo z materiału miotającego, a ilość tego materiału wynosi około 0,15 - 0,5 kg.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mechanicznym urządzeniem kruszącym uderza się w pokruszony materiał z energią uderzenia wynoszącą około 0,5 - 500 kJ.
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że powtarza się uderzania w pokruszony materiał według potrzeb, aż do oddzielenia pokruszonego materiału od swobodnej powierzchni.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że częstotliwość uderzeń mechanicznego urządzenia kruszącego wynosi 1 - 200 uderzeń na sekundę, a materiał przed kruszeniem ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni większą niż około 150 MPa, a po kruszeniu materiał pokruszony ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni mniejszą niż około 150 MPa.
8. 8. Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym zatyka się otwór usytuowany na swobodnej powierzchni twardego materiału i doprowadza się wysoko sprężony gaz do dna tego otworu, utrzymuje się wysokie ciśnienie w otworze powodując rozchodzenie się podpowierzchniowego pęknięcia od dna otworu, gdy otwór jest zatkany, i kruszy się co najmniej część twardego materiału otaczającego otwór, znamienny tym, że co najmniej około 50% pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu przy swobodnej powierzchni po działaniu wysokim ciśnieniem, w który to miejscowo pokruszony materiał uderza się tępym przedmiotem z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ i z częstotliwością uderzeń co najmniej około 1 uderzenie na sekundę, i usuwa się go.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że obszar styku tępego przedmiotu z materiałem pokruszonym wynosi 500 - 20000 mm².
10. 10. Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym w otworze usytuowanym na swobodnej powierzchni twardego materiału i w środkowej części przodka kopalnianego, którego częścią jest swobodna powierzchnia, umieszcza się ładunek minerski, zatyka się wlot otworu materiałem przybitkowym, którym jest materiał granulowany lub pręt przybitkowy, i gdy otwór jest zatkany wyzwala się ładunek minerski, hamuje się rozpraszanie gazu z dna otworu za pomocą materiału przybitkowego, powodując pęknięcia twardego materiału, znamienny tym, że w pokruszony materiał, pozostający w większej części głębokości otworu i trochę przy swobodnej powierzchni, uderza się tępym przedmiotem z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ i usuwa się go.
11. 11. Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym ładunek minerski ubija się w otworze w materiale, który ma być wydobyty, a

    183 120 następnie wyzwala się ubity ładunek minerski, powodując pęknięcia twardego materiału, znamienny tym, że co najmniej 50% pokruszonego materiału pozostaje na miejscu przy przodku, który następnie kruszy się i usuwa z przodka przez następujące po sobie powtarzające się uderzenia w ten pokruszony materiał tępym przedmiotem z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ.
12. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że częstotliwość uderzeń wynosi co najmniej około 1 uderzenie na sekundę.
13. 13. Sposób według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że tępym przedmiotem jest urządzenie kruszące.
14. 14. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że wytworzony podczas wybuchu wysoko sprężony gaz w otworze jest uszczelniony.
15. 15. Sposób według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że twardy materiał przed kruszeniem ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni niewiele większą niż około 150 MPa, a po kruszeniu materiał pokruszony ma wytrzymałość na ściskanie na otwartej przestrzeni mniejszą niż około 150 MPa.
16. 16. Kopalniany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym w otworze utrzymuje się wysokie ciśnienie powodując rozchodzenie się podpo7/ierzchniowego pęknięcia od narożnika dna otworu i pękanie co najmniej części materiału znajdującego się obok otworu, znamienny tym, że cc najmniej większość pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu, w który to miejscowo pokruszony materiał uderza się mechanicznym urządzeniem kruszącym i usuwa się go.
17. 17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym że w otworze znajoującym się na swobodnej powierzchni twardego materiału umieszcza się człon urządzenia i gdy człon znajduje się w otworze dopro wadza się wy soko sprężony gaz do tego otworu.
18. 18. Kopal liany sposób kontrolowanego kruszenia i usuwania twardego materiału, zgodnie z którym v/ otworze utrzymuje się wysokie ciśnienie powodując pękanie co najmniej części materiału znajdującego się obok otworu, znamienny tym, że co najmniej większość pokruszonego materiału utrzymuje się na miejscu, a w ten miejscowo pokruszony materiał uderza się mechanicznym urządzeniem kruszącym i usuwa się go.
19. 19. Sposób według zastrz. 1 albo 16, albo 18, znamienny tym, że gdy materiał kruszy się przez zwiększanie ciśnienia gazu w otworze swobodna powierzchnia jest zasadniczo wolna od latających, odłamków skalnych.
20. 20. Sposób według zastrz. 1 albo 16, albo 18, znamienny tym, że otwór umieszcza się w środkowej części przodka wyrobiska, któiego częścią jest swobodna powierzchnia.
21. 21. Sposób ν/edług zastrz. 1 albo 16, albo 18, znamienny tym, że szybkość usuwania materiału ze swobodnej powierzchni jest około 2-10 razy większa niż w przypadku urządzenia kruszącego pracującego z pominięciem zwiększania ciśnienia w otworze.
22. 22. Sposób według zastrz. 1 albo 16, albo 18, znamienny tym, że co najmniej większa część głębokości otworu pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni.
23. 23. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że co najmniej większa część głębokości otworu pozostaje na miejscu przy przodku.
24. 24. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że co najmniej 50% głębokości otworu pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni.
25. 25. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że co najmniej 50% pokruszonego materiału pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni po etapie uderzania tępym narzędziem.
26. 26. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że co najmniej 50% głębokości otworu pozostaje na miejscu przy swobodnej powierzchni po wybuchu.

    * * *