PT1791681E

PT1791681E - Método para quebrar pedra

Info

Publication number: PT1791681E
Application number: PT05789926T
Authority: PT
Inventors: Markku Keskiniva; Jorma Maeki; Erkki Ahola; Mauri Esko; Aimo Helin
Original assignee: Sandvik Mining & Constr Oy
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2009-03-31
Also published as: EP1791681B1; CA2581325A1; KR20070055559A; JP2008514832A; BRPI0516038A; AU2005286448A1; US7891437B2; CN100566948C; WO2006032734A1; ATE424973T1; ZA200702367B; DE602005013254D1; CA2581325C; FI20045353A0; RU2374416C2; JP4913739B2; US20080000666A1; AU2005286448B2; CN101027165A; ES2322381T3

Description

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DESCRIÇÃO "MÉTODO PARA PARTIR PEDRA"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A invenção refere-se a um método para partir pedra a ser perfurada em perfuração de pedra, em cujo método a pedra a ser perfurada é sujeita a ondas de tensão sucessivas através de uma ferramenta, de tal modo que a energia das ondas de tensão transmitidas da ferramenta para a pedra fazem com que a pedra seja partida.

Na perfuração da pedra ou semelhantes, a pedra é partida através da condução de uma onda de tensão na pedra através de uma ferramenta, tal como uma haste de perfuração ou um trépano na sua extremidade. Uma onda de tensão é hoje em dia tipicamente gerada arremessando a extremidade da ferramenta com um pistão de percussão que se movimenta para trás e para a frente, numa máquina de perfuração de pedra ou dispositivo de percussão por meio de um agente de pressão. Na perfuração de pedra, tanto o fornecimento de uma onda de tensão como a rotação da ferramenta, ocorrem simultaneamente, mas a quebra do material da pedra baseia-se efectivamente na energia da onda de tensão transmitida a partir da ferramenta para a pedra.

Tipicamente, cerca de 50 a 80% do conteúdo de energia da onda de tensão é transmitido para a pedra a ser partida. A energia transmitida para o material de pedra causa macro-fissuras, quebra do material da pedra e ondas elásticas. A energia associada às ondas elásticas é perdida relativamente à quebra do material de pedra. Por outro lado, a produção de macro-fissuras é, relativamente à 2 quebra, mais eficiente do que o esmagamento do material de pedra. Devido às macro- fissuras, grandes partículas são destacadas do material de pedra, enquanto que no esmagamento o material de pedra é moído de modo completamente fino, o que requer uma grande quantidade de energia. Deste modo, seria preferível gerar um número tão grande de macro-fissuras quanto possível, em vez de esmagar a pedra.

Os dispositivos de percussão actuais geram ondas de tensão a baixa frequência, tipicamente de 20 a 100 Hz, sendo o comprimento da onda de tensão significativamente curto, isto é, cerca de 0,2 a 1,6 m. Ao mesmo tempo, a amplitude e conteúdo de energia da onda de tensão são elevados. No seu ponto mais elevado, as amplitudes são tipicamente 200 a 300 MPa. Devido à amplitude da onda de tensão, foi necessário conceber brocas de cabeça esférica a ser usadas de modo a suportar um elevado grau de carga. Deste modo, tem de haver um grande número de cabeças esféricas para a quebra da pedra numa broca de cabeça esférica, e as cabeças esféricas têm de ser concebidos de modo a suportar picos de carga. As suas formas são portanto desvantajosas no que concerne a quebra da pedra. Deste modo, aquilo que é designado como resistência de penetração da broca de cabeça esférica, que expressa a proporção da força exercida na pedra pela broca de cabeça esférica para a penetração das cabeças esféricas, é elevado. O elevado nível de energia combinado com a forma desvantajosa das cabeças esféricas, leva a uma pobre eficácia na quebra e remoção da pedra. De modo correspondente, os elevados valores da amplitude de amplitude de onda de tensão resultam numa curto tempo útil 3 do equipamento de perfuração usado, isto é, das hastes de perfuração e brocas de cabeças esférica. Seria preferível, relativamente à geração de macro-fissuras, a possibilidade de usar o que é normalmente chamado de cabeças esféricas de forma agressiva, mas tal não é exequível ao nível de amplitude de tensão actual. Se fosse possível usar tais cabeças esféricas, a quebra da pedra poderia ser significativamente mais eficiente, quando comparada comas soluções actuais.

No desenvolvimento das soluções actuais, o foco tem normalmente sido direccionado para a utilização de grandes potências de percussão e assim a utilização de amplitudes de ondas de tensão superiores às utilizadas anteriormente. De modo surpreendente, no entanto, notou-se que o mesmo resultado pode ser atingido com o método de acordo com a invenção através da utilização, ao contrário da presente invenção, de amplitudes de ondas de tensão significativamente inferiores do que as utilizadas actualmente.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Um objecto da invenção assenta em fornecer tal método para quebrar material de pedra que resulte numa melhor eficiência do que os métodos actuais e que aumente, ao mesmo tempo, a durabilidade e tempo útil do equipamento. Este objectivo pode ser atingido através de um método de acordo com a reivindicação 1. 0 método de acordo com a invenção é caracterizado por impulsos de tensão a ser exercidos na pedra a alta-frequência e pela baixa amplitude de ondas de tensão, de modo a que a proporção de carga calculada com base nos 4 valores de frequência e comprimento da onda de tensão é de pelo menos 0,075.

Uma ideia essencial da invenção assenta no facto de utilizar um frequência de onda de tensão essencialmente mais elevada do que as frequências actuais, e de modo correspondente, as ondas de tensão são essencialmente mais longas do que as actuais ondas de tensão, quando comparadas com o tempo útil ciclico das ondas de tensão, em que a proporção de carga usada para quebrar a pedra pode ser concebida de modo essencialmente superior do que a proporção de carga do presente equipamento.

Uma vantagem da invenção assenta no facto uma amplitude de tensão inferior do que as amplitudes actuais ser suficiente p ara quebrar pedra com uma proporção de carga superior. Para além disso, uma vantagem da invenção assenta no facto de as cabeças esféricas da broca de cabeça esférica não terem de ser concebidas de acordo com os requisitos de elevados picos de tensão, podendo sim ser concebidas a um nivel de tensão inferior para serem mais agressivas, de modo a que o seu efeito de quebra na pedra seja superior ao efeito da presente broca de cabeça perfurada. Para além disso, utilizando amplitudes de onda de tensão inferiores permite utilizar ferramentas mais leves do que anteriormente, isto é hastes de perfuração e outros dispositivos, ao mesmo tempo aumentando o tempo útil das ferramentas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A invenção será descrita em maior detalhe nos desenhos em anexo, nos quais 5

Figura 1 mostra esquematicamente e de forma temporal os impulsos de tensão dos actuais dispositivos de percussão;

Figura 2 mostra, do mesmo modo que na Figura 1, impulsos de tensão de um dispositivo de percussão que aplica o método da invenção; e Figura 3 mostra esquematicamente uma onda de tensão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A Figura 1 mostra esquematicamente e de modo temporal, em relação reciproca, as ondas de tensão fornecidas por um dispositivo de percussão que funciona de acordo com o estado da técnica. 0 eixo vertical mostra a amplitude de tensão σ das ondas de tensão e o eixo horizontal mostra o tempo t. Tal como visto a partir da Figura 1, o comprimento tp de uma onda de tensão é consideravelmente mais curto, quando comparado com o tempo de ciclo T entre duas ondas de tensão. Isto tem como base a onda de tensão a ser gerada por um arremesso do pistão de percussão numa haste de perfuração, cuja acção é proporcional ao comprimento do pistão de percussão, e sendo assim consideravelmente curta. Devido ao movimento reciproco do pistão de percussão, a frequência de percussão é nos dias de hoje tipicamente de cerca de 2 0 Hz a 100 Hz, em que o comprimento em tempo da onda de tensão fornecido pelo arremesso, quando comparado com o tempo entre arremessos sucessivos, é muito curto. A amplitude o da onda de tensão gerada simultaneamente é tipicamente elevada, isto é, 200 a 300 MPa. A Figura 2, por seu turno, ilustra ondas de tensão geradas com o método de acordo com a invenção. Nesta solução de acordo com a invenção, pode notar-se que a amplitude da onda de tensão, quando comparada com a onda de tensão da 6

Figura 1, é significativamente inferior. Uma vez que no método da invenção, a frequência das ondas de tensão é essencialmente superior do que em soluções conhecidas, o comprimento tp da onda de tensão, quando comparado como tempo T, entre ondas de tensão é significativamente maior do que em soluções conhecidas. 0 termo "proporção de carga a", na quebra de pedra define como a pedra a ser quebrada é sujeita a tensão em termos temporais. Isto pode ser expresso através da equação a

(D em que tp é o comprimento de onda, f é a frequência, Lp é o comprimento de onda e c é a velocidade da onda de stress na ferramenta. Com os actuais dispositivos de percussão, uma proporção de carga tipica α = 0,01 a 0,025.

Por exemplo, com dispositivos de percussão com um comprimento de pistão de 0,5 m e uma frequência de 60 Hz, a proporção de carga é de 0,012.

Com o método de acordo com a invenção. Uma proporção de carga significativamente superior é atingida, sendo deste modo α => 0,075, de preferência pelo menos 0,1.

Na teoria, o máximo de proporção de carga é de 1, mas na prática não pode ser de 1. Parte do tempo em que o 7 dispositivo gera uma onda de tensão, vai para a geração efectiva da onda de tensão e parte do tempo para retorno, isto é movimentação para a posição de geração de onda de tensão. Na prática, isto significa que, uma vez que a velocidade de retorno não pode na realidade ser maior do que a velocidade de geração de uma onda de tensão, a proporção de carga máxima é na prática aproximadamente 0,5. A energia W e a potência P, que são fornecidas através de uma ferramenta do dispositivo de percussão para o material a ser quebrado, tal como uma pedra, podem ser definidas para impulsos de tensão rectangulares através das equações (2) (3) ** em que Ak é a área transversal da ferramenta usada, isto é, uma haste de perfuração e Ek é o valor do módulo elástico da mesma ferramenta.

Se for desejável o uso de proporções de carga superiores às dos dispositivos actuais, as amplitudes de tensão da presente magnitude, não podem ser mais usadas. Isto iria resultar numa redução considerável do tempo útil do equipamento de perfuração. Inclusivamente, as brocas de cabeças esféricas fornecidas com cabeças esféricas agressivas, necessárias para uma utilização eficiente do método, não suportam os niveis actuais de carga. Para além disso, a potência de percussão necessária pelo dispositivo 8 de percussão aumentaria acima de 4 a 10 vezes dos valores actuais. A proporção de carga pode ser aumentada através de, por exemplo, o aumento da frequência das ondas de tensão. Através da aplicação deste principio, a amplitude de uma onda de tensão pode ser dimensionada utilizando-se a uniformidade da potência de percussão por meio da equação

em que orefe é uma amplitude de referência, isto é, um nivel de tensão tipico com dispositivos de percussão actuais e arefe é uma proporção de carga de referência correspondente. Se o valor de tensão mais elevado em utilização nos dias de hoje, isto é 300 MPa, for seleccionado como amplitude de referência orefeí e 0,025 for seleccionado como a proporção de carga arefeí a amplitude máxima será de

iQÒMPa. (5)

De acordo com a invenção, uma frequência de onda de tensão é utilizada essencialmente superior às soluções actuais, isto é, pelo menos 250 Hz, de preferência mais de 350 Hz, por exemplo 350 a 1000 Hz.

Quando a proporção de carga for de pelo menos 0,075 nas frequências mencionadas em cima, um resultado eficaz de perfuração será atingido com o método de acordo com a invenção, tendo 150 MPa como amplitude máxima. Mesmo amplitudes mais baixas rendem bons resultados, mas a quebra 9 de pedra ainda requer claramente um nível de elevada amplitude considerável. Na prática, notou-se que as vantagens do método de acordo com a invenção começam a mostrar quando a amplitude de tensão é de cerca de 25 MPa, mas de preferência quando a amplitude de tensão é de cerca de 40 MPa ou superior.

Nos dispositivos actuais com um pistão de percussão, a onda de tensão é na teoria aproximadamente da forma de um impulso rectangular, e o seu comprimento foi definido como sendo duas vezes maior que o comprimento do pistão de percussão. Se a onda de tensão for gerada de outro modo que não o arremesso da ferramenta com um pistão de percussão, a sua forma pode desviar-se consideravelmente da forma rectangular, por exemplo, da forma mostarda na Figura 3. Neste caso, a amplitude da onda de tensão refere-se a, do modo mostrado na Figura 3, ao valor máximo omax da amplitude, e o seu comprimento pode ser definido substancialmente de acordo com a Figura 3, de modo que o comprimento da onda de tensão é o tempo entre os pontos onde a tensão excede o valor 0,1 x omax, quando a onda de tensão aumenta e de modo correspondente, onde a tensão fica abaixo do valor 0,1 x omax, quando a onda de tensão reduz.

Outras formas de gerar uma onda de tensão incluem o equipamento eléctrico ou electromagnético em que a geração de uma onda de tensão se baseia em, por exemplo, o comprimento da corrente eléctrica fornecida ou o comprimento do impulso da corrente eléctrica por impulsos. No entanto, outras formas de gerar uma onda de tensão incluem soluções onde uma onda de tesão é gerada através do carregamento de energia por meio da pressão de um líquido de pressão, por exemplo através do carregamento de energia 10 para submeter elementos a tensão e através da libertação da mesma na forma de energia compressiva para a ferramenta, ou em que uma onda de tensão é gerada através da sujeição directa da ferramenta à força compressiva fornecida pela pressão do liquido de pressão. Deste modo, numa forma de realização, a força compressiva é gerada fazendo-se com que a pressão do fluido de pressão afecte directa ou indirectamente a extremidade da ferramenta durante o periodo de tempo der geração do impulso de tensão, de tal modo que a força gerada pela pressão comprime a ferramenta. Em todas estas alternativas, a onda de tensão é de preferência gerada através da sujeição periódica da ferramenta, tal como uma haste de perfuração, a uma força compressiva sem o arremesso por parte de um pistão de percussão, de modo a que a força compressiva gera uma onda de tensão na ferramenta durante o tempo em que afecta na área. Assim, quando o método é aplicado, a frequência e o comprimento das ondas de tensão são ajustados através do ajuste da frequência efectiva e tempo efectivo da força compressiva da ferramenta. A invenção foi explicada na descrição e desenhos em cima, apenas a titulo de exemplo, e não pretende de forma alguma restringir-se aos mesmos. O que é essencial é o facto de a frequência das ondas de tensão ser significativamente mais elevada do que as actuais frequências de percussão, o facto de a proporção de carga fornecida pela onda de tensão ser significativamente superior do que a fornecida pelos dispositivos actuais, e pelo facto de a amplitude da tensão ser significativamente inferior do que as amplitudes das ondas de tensão actuais.

Lisboa, 20 de Março de 2009

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um método para quebrar pedra a ser perfurada em perfuração de pedra, em cujo método a pedra a ser perfurada é sujeita a sucessivos impulsos de tensão através da utilização da pressão de um fluido de pressão através de uma ferramenta, de tal modo que a energia da onda de tensão transmitida a partir da ferramenta para a pedra faz com que a pedra seja quebrada, caracterizado por as ondas de tensão serem geradas através da sujeição da ferramenta, tal como uma haste de perfuração, periodicamente para forçar de modo compressivo, de tal modo que a força compressiva gera uma onda de tensão na ferramenta, sendo a força compressiva gerada fazendo-se com que a pressão do fluido de pressão afecte directa ou indirectamente a extremidade da ferramenta pel período de tempo em que se gera o impulso de tensão, de tal modo que a força gerada pela pressão comprime a ferramenta, sendo os impulsos de tensão exercidos na pedra a alta-frequência e através da proporção de carga (a) de pelo menos 0,075, calculada com base nos valores de frequência (f) e comprimento (tp) das ondas de tensão.

2. Um método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a proporção de carga (a) ser de pelo menos 0,1.

3. Um método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a frequência das ondas de tensão ser de pelo menos 250 Hz, de preferência de pelo menos 350 Hz. 2

4. Um método de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por a amplitude das ondas de tensão ser reduzida, no máximo de 150 MPa.

5. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a amplitude das ondas de tensão ser reduzida, no entanto de pelo menos 25 MPa, de preferência 40 MPa.

6. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado por a frequência e o comprimento das ondas de tensão ser ajustado através do ajuste da frequência efectiva e tempo efectivo da força compressiva sobre a ferramenta. Lisboa, 20 de Março de 2009