RU2393349C1

RU2393349C1 - Rock cutting device

Info

Publication number: RU2393349C1
Application number: RU2009112131/03A
Authority: RU
Inventors: Альберт Мартынович Адам (RU); Альберт Мартынович Адам; Василий Михайлович Муратов (RU); Василий Михайлович Муратов; Михаил Юрьевич Журков (RU); Михаил Юрьевич Журков
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-06-27

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: high-voltage (1) and grounded (2) electrodes of the device, which are equipped with insulation coatings (3 and 4), are passed through vertical holes in the carriage (7) and through elastic sleeves (15) installed in end through holes of the balance-beam (14) suspended on support (12) attached to carriage (7) which is installed on guides (8). Carriage (7) by means of gear (9) and coupling (10) is attached to reversible motor (11). Near-bottomhole ends (5 and 6) of electrodes (1 and 2) do not have insulation coatings, bent and face each other, thus forming an inter-electrode gap. Above carriage (7) on electrodes (1 and 2) there fixed are transported cargos (16 and 17), and on those loads - switches (18 and 19) of motor (11) rotation direction. The device allows automating the movement of electrodes (1 and 2) when cutting rocks (25) and artificial current non-conducting materials.

EFFECT: increasing cutting efficiency of rocks and artificial current non-conducting materials with high-voltage pulse discharges.

4 cl, 1 ex, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области добычи и обработки строительных токонепроводящих материалов из природного камня высоковольтными импульсными разрядами и может быть использовано для получения крупных блоков (около 1 м³ и более) на горных карьерах, при резании крупных блоков на блоки меньших размеров, применяемых при строительстве зданий, дорог и тротуаров. Кроме того, устройство может быть использовано при проходке щелей, траншей в бетонных изделиях, например в покрытиях автодорог, аэродромов для укладки кабелей, труб и т.п.The invention relates to the field of extraction and processing of building non-conductive materials from natural stone with high-voltage pulsed discharges and can be used to produce large blocks (about 1 m ³ or more) in mining pits, when cutting large blocks into smaller blocks used in the construction of buildings, roads and sidewalks. In addition, the device can be used when driving cracks, trenches in concrete products, for example, in road surfaces, airfields for laying cables, pipes, etc.

Известно устройство для резания горных пород высоковольтными импульсными разрядами, развивающимися в горной породе и разрушающими эту породу (Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты. Изд-во Кольского научного центра РАН. 2002. - С.20-22), основными конструктивными элементами которого являются изоляционный став и прикрепленные к нему или проходящие внутри него заземленные и потенциальные (высоковольтные) электроды. Как показано на с.21 на рис.1.7а, б и д, при пластинчатой форме электродов к изоляционному ставу прикреплены один заземленный и один высоковольтный электроды, каждый из которых имеет форму пластины с ровным призабойным торцом, или форму пластины с гребенчатым призабойным торцом, или форму узкой пластины. На с.21 представлено несколько вариантов выполнения устройства с чередующимися стержневыми заземленными и высоковольтными электродами, расположенными вертикально по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис.1.7ж) или горизонтально (рис.1.7з). При этом призабойные концы электродов, выступающие из изоляционного става, имеют одну из следующих форм: стержневую (рис.1.7в), башмачную (рис.1.7г), лапчатую (рис.1.7е) или форму протяженных горизонтальных параллельных стержней (рис.1.7з).A device for cutting rocks with high-voltage pulsed discharges developing in the rock and destroying this rock (Kurets V.I., Usov A.F., Tsukerman V.A. Electropulse disintegration of materials. - Apatity. Publishing house of the Kola Science Center RAS . 2002. - S.20-22), the main structural elements of which are the insulating stand and the grounded and potential (high voltage) electrodes attached to it or passing inside it. As shown in p.21 in Fig. 1.7a, b and d, with the plate-like shape of the electrodes, one grounded and one high-voltage electrodes are attached to the insulating stand, each of which has the shape of a plate with a flat bottom face, or the shape of a plate with a comb bottom face, or the shape of a narrow plate. On p.21 several variants of the device with alternating rod grounded and high-voltage electrodes arranged vertically in two mutually perpendicular directions (Fig. 1.7g) or horizontally (Fig. 1.7z) are presented. In this case, the bottom-ends of the electrodes protruding from the insulating stand have one of the following forms: rod (Fig. 1.7c), shoe (Fig. 1.7g), cinque (Fig. 1.7e) or the shape of extended horizontal parallel rods (Fig. 1.7 h).

Основным недостатком этого устройства является низкая эффективность резания горных пород при использовании в качестве наиболее дешевой промывочной жидкости воды. Это связано с тем, что нельзя призабойные части электродов полностью покрывать твердой изоляцией, т.к. она быстро выйдет из строя при резании горной породы из-за пробоев ее разрядами и перекрытий по поверхности. В связи с этим призабойные части электродов на 50 мм и более оставляют неизолированными, и при подаче на устройство импульсов высокого напряжения с обнаженных частей электродов в воде происходят утечки токов и посадка импульсного напряжения на десятки процентов. Чтобы получить скорости резания, как при применении изоляционных промывочных жидкостей (трансформаторного масла, дизельного топлива и т.п.), необходимо существенно повысить амплитуду импульсного напряжения. Но это приводит к повышению энергозатрат, а иногда и к электрическому пробою изоляционного става и других покрытий электродов твердой изоляцией.The main disadvantage of this device is the low efficiency of cutting rocks when using water as the cheapest flushing fluid. This is due to the fact that it is impossible to completely cover the bottom parts of the electrodes with solid insulation, because it will quickly fail when cutting rock due to breakdowns by its discharges and overlap on the surface. In this regard, the bottom-hole parts of the electrodes of 50 mm or more are left uninsulated, and when high voltage pulses are applied to the device from the exposed parts of the electrodes in the water, current leakage and impulse voltage landing by tens of percent occur. In order to obtain cutting speeds, as when using insulating flushing fluids (transformer oil, diesel fuel, etc.), it is necessary to significantly increase the amplitude of the pulse voltage. But this leads to an increase in energy consumption, and sometimes to an electrical breakdown of the insulating stand and other coatings of the electrodes with solid insulation.

Существенно снизить утечки токов и соответственно повысить эффективность резания горных пород позволяет известное устройство-прототип (патент РФ №2232271, МПК 7 E21C 37/18, E21B 7/15, опубл. 10.07.2004), в котором количество электродов уменьшено до минимума (до двух) и которое состоит из снабженных изоляционными покрытиями высоковольтного и заземленного электродов, призабойные концы которых обнажены, загнуты и обращены навстречу друг другу, причем эти электроды пропущены через отверстия в изоляционной пластине, с которой через передачу соединен реверсивный двигатель, а высоковольтный электрод подключен к генератору импульсов высокого напряжения.The known prototype device (RF patent No. 2232271, IPC 7 E21C 37/18, E21B 7/15, publ. 10.07.2004), in which the number of electrodes is reduced to a minimum (to a minimum), can significantly reduce current leakage and accordingly increase the efficiency of cutting rocks. two) and which consists of high-voltage and grounded electrodes provided with insulating coatings, the bottom-ends of which are bare, bent and facing each other, these electrodes being passed through holes in the insulating plate, to which the reverse is connected through the transmission ny engine, and a high voltage electrode connected to a high voltage pulse generator.

Основной недостаток этого устройства состоит в сравнительно низкой эффективности резания горных пород из-за того, что его конструктивные особенности не позволяют оптимально учитывать конкретные условия для его перемещения вдоль щели, т.к. для работы этого устройства его необходимо обязательно перемещать с постоянным выбранным шагом, независимо от того, внедрился или не внедрился разряд в горную породу, каков результат воздействия на горную породу конкретного разряда, как расположены электроды относительно конкретной онкольной воронки (глубина откольной воронки при достаточной энергии импульса равна примерно 1/3 от величины межэлектродного промежутка). Оно не позволяет автоматизировать перемещение электродов в процессе резания, когда конструктивно предусмотрена возможность превышения призабойного конца одного электрода над призабойным концом другого электрода.The main disadvantage of this device is the relatively low efficiency of cutting rocks due to the fact that its design features do not allow optimal consideration of specific conditions for its movement along the gap, because for the operation of this device, it is necessary to move it with a constant selected step, regardless of whether the discharge is introduced or not introduced into the rock, what is the result of the impact on the rock of a particular discharge, how are the electrodes relative to a specific on-site funnel (depth of the spall funnel with sufficient pulse energy approximately 1/3 of the interelectrode gap). It does not allow to automate the movement of the electrodes during the cutting process when it is structurally provided for the possibility of exceeding the bottomhole end of one electrode over the bottomhole end of the other electrode.

Техническим результатом предложенного устройства является повышение эффективности резания горных пород (на 12-18%) за счет того, что благодаря конструктивным особенностям устройство перемещается в зависимости от результатов разрушения горной породы каждым конкретным разрядом. Эффективность тем выше, чем больше неоднородность горной породы. Кроме того, оно позволяет автоматизировать перемещение высоковольтного и заземленного электродов в процессе резания, если призабойный конец одного электрода расположен выше призабойного конца другого электрода.The technical result of the proposed device is to increase the efficiency of cutting rocks (12-18%) due to the fact that due to the design features of the device moves depending on the results of the destruction of the rock by each specific discharge. Efficiency is higher, the greater the heterogeneity of the rock. In addition, it allows you to automate the movement of high-voltage and grounded electrodes during the cutting process, if the bottom-end of one electrode is located above the bottom-end of the other electrode.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для резания горных пород электрическими импульсными разрядами, содержащем снабженные изоляционными покрытиями высоковольтный и заземленный электроды, призабойные концы которых загнуты и обращены навстречу друг другу, причем электроды пропущены через вертикальные отверстия в изоляционной пластине, с которой через передачу соединен реверсивный двигатель, согласно предложенному решению изоляционная пластина, через вертикальные отверстия в которой свободно пропущены электроды, выполнена в виде передвижной каретки, установленной на направляющих, к каретке прикреплена опора коромысла, концы коромысла выполнены со сквозными отверстиями, в которых размещены втулки из эластичного упругого материала, через которые свободно пропущены электроды, снабженные изоляционными покрытиями.The specified technical result is achieved in that in a device for cutting rocks with electric pulse discharges containing high-voltage and grounded electrodes equipped with insulating coatings, the bottom-ends of which are bent and facing each other, and the electrodes are passed through vertical holes in the insulating plate, through which the transmission a reversible motor is connected, according to the proposed solution, an insulating plate through which vertical holes are freely passed Electrode is formed as a movable carriage mounted on rails attached to the carriage bearing the rocker ends of the rocker formed with through holes in which are arranged the sleeve of flexible resilient material, through which freely skipped electrodes provided with insulating coatings.

Целесообразно каждый электрод снабжать грузом.It is advisable to supply each electrode with a load.

Целесообразно также снабжать устройство переключателями направления вращения двигателя, укрепленными на перемещаемых грузах.It is also advisable to equip the device with switches of the direction of rotation of the engine, mounted on the moving loads.

Кроме того, целесообразно двигатель снабжать фрикционной муфтой, передающей заданный крутящий момент.In addition, it is advisable to provide the engine with a friction clutch transmitting a given torque.

Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован чертежами: на фиг.1 приведено вертикальное сечение устройства, установленного на блок горной породы, помещенный в бак с водой. На фиг.2 представлен горизонтальный разрез устройства по направляющим.An example of a specific implementation of the proposed device is illustrated by drawings: Fig. 1 shows a vertical section of a device mounted on a rock block placed in a water tank. Figure 2 presents a horizontal section of the device along the guides.

Устройство состоит из высоковольтного 1 и заземленного 2 электродов. Высоковольтный 1 и заземленный 2 электроды снабжены изоляционными покрытиями 3 и 4, соответственно. Призабойные концы высоковольтного электрода 5 и заземленного электрода 6 не имеют изоляционных покрытий, загнуты и обращены навстречу друг другу. Верхние концы электродов 1 и 2 свободно пропущены через вертикальные отверстия в изоляционной пластине, выполненной в виде передвижной каретки 7, установленной на направляющих 8, изготовленных из листового текстолита. Для перемещения по направляющим 8 каретка 7 через передачу 9 и фрикционную муфту 10 соединена с реверсивным двигателем 11. Снизу к передвижной каретке 7 прикреплена выполненная в виде стеклотекстолитового стержня опора коромысла 12, в нижнем конце которой на оси 13 установлено коромысло 14 из стеклотекстолита. Концы коромысла 14 выполнены со сквозными отверстиями, в которых установлены втулки 15, выполненные из эластичного упругого материала (мелкопористого поролона), что позволяет при регулировке превышения электродов 1 и 2, снабженных изоляционными покрытиями 3 и 4, относительно друг друга перемещать их внутри втулок 15, а коромыслу 14 поворачиваться на оси 13. Над кареткой 7 на заземленном электроде 2 установлен перемещаемый груз 16 и на высоковольтном электроде 1 такой же груз 17. К этим грузам (16 и 17) прикреплены переключатели 18 и 19 направления вращения двигателя 11. В верхней части к электроду 1 подключен генератор импульсов высокого напряжения 20. Для направленного перемещения направляющих 8 вниз или вверх к двум противоположным стенкам полиэтиленового бака 21 (размером 1×1×1 м) в вертикальном положении прикреплены винипластовые швеллеры 22 и 23. На дне бака 21 в воде 24 размещен блок горной породы 25. Номер 26 присвоен каналу развития высоковольтного импульсного разряда в блоке горной породы 25.The device consists of a high voltage 1 and a grounded 2 electrodes. High voltage 1 and grounded 2 electrodes are provided with insulating coatings 3 and 4, respectively. The bottom-hole ends of the high-voltage electrode 5 and the grounded electrode 6 do not have insulating coatings, are bent and facing towards each other. The upper ends of the electrodes 1 and 2 are freely passed through vertical holes in the insulating plate, made in the form of a movable carriage 7, mounted on guides 8 made of sheet PCB. To move along the guides 8, the carriage 7 through the transmission 9 and the friction clutch 10 is connected to the reversing engine 11. From below, a support of the rocker arm 12 made in the form of a fiberglass rod is attached to the movable carriage 7, at the lower end of which a fiberglass beam 14 is mounted on the axis 13. The ends of the rocker arm 14 are made with through holes in which the sleeves 15 are made, made of elastic elastic material (finely porous foam rubber), which makes it possible to move them inside the sleeves 15 when adjusting the excess of the electrodes 1 and 2 provided with insulating coatings 3 and 4, and the rocker 14 rotate on the axis 13. Above the carriage 7 on the grounded electrode 2 is mounted a movable load 16 and on the high-voltage electrode 1 the same load 17. To these weights (16 and 17) are attached switches 18 and 19 of the direction of rotation I of engine 11. In the upper part, a high-voltage pulse generator 20 is connected to the electrode 1. For directional movement of the guides 8 up or down, vinyl-plastic channels 22 and 23 are attached to two opposite walls of the polyethylene tank 21 (1 × 1 × 1 m in size) in a vertical position A rock block 25 is placed at the bottom of the tank 21 in water 24. Number 26 is assigned to the channel for the development of a high voltage pulse discharge in the rock block 25.

Работа предложенного устройства заключается в следующем (фиг.1). На блок горной породы 25 устанавливают устройство так, чтобы направляющие 8 вошли концами в швеллеры 22 и 23, призабойный конец высоковольтного электрода 5 стоял на этом блоке, а призабойный конец заземленного электрода 6 касался его боковой стенки. Оптимальным является превышение h призабойного конца высоковольтного электрода 5 над призабойным концом заземленного электрода 6, близкое к 1/3 межэлектродного промежутка между этими призабойными концами. Чтобы установленное превышение h сохранялось в процессе резания, груз 16 на заземленном электроде 2 закреплен в положении, в котором этот груз лежит на каретке 7, а груз 17 на высоковольтном электроде 1 закреплен в его приподнятом положении над кареткой 7 на величину двойного превышения (2h) призабойного конца высоковольтного электрода 5 над призабойным концом заземленного электрода 6. Верхний уровень воды 24 поддерживают выше оголенных частей призабойных концов высоковольтного 5 и заземленного 6 электродов. Проверяют надежность заземления электрода 2. В таком положении включают реверсивный двигатель 11 и от генератора импульсов высокого напряжения 20 на высоковольтный электрод 1 подают импульсы высокого напряжения. Между призабойными концами заземленного электрода 6 и высоковольтного 5 в блоке горной породы 25 с образованием канала 26 развивается электрический импульсный разряд, который откалывает (отрывает) кусок горной породы, расположенный над этим разрядом. Реверсивный двигатель 11 через фрикционную муфту 10 и передачу 9 перемещает каретку 7 ближе к себе (вправо) настолько, насколько может переместиться в горизонтальном направлении призабойный конец заземленного электрода 6, не приподнимаясь вверх. Предотвращение подъема вверх электрода 6 обеспечивают груз 16 и фрикционная муфта 10, настроенная на передачу определенного (заданного) крутящего момента, при превышении которого диски муфты проскальзывают относительного друг друга. Благодаря этому призабойный конец заземленного электрода 6 перемещается только по горизонтальной части откола на расстояние В, не поднимаясь вверх по боковой (правой) стенке откольной поверхности. При последующей подаче импульсов на высоковольтный электрод 1 происходят аналогичные сколы горной породы и перемещения каретки 7 в сторону реверсивного двигателя 11. При этом канал развития каждого высоковольтного импульсного разряда 26 полностью проходит в горной породе. При использовании же прототипа части призабойных концов высоковольтного и заземленного электродов, с которых развиваются разряды, часто зависают над откольными воронками. Каретка 7 перемещается вправо до тех пор, пока высоковольтный электрод 1 не дойдет до правой боковой стенки блока горной породы 25. Когда это происходит, то под действием веса высоковольтного электрода 1, его изоляционного покрытия 3 и груза 17 призабойный конец высоковольтного электрода 5 по правой боковой стенке блока горной породы 25 резко опускается вниз на глубину, равную 2h. При этом коромысло 14 поворачивается на оси 13 и его правый конец становится ниже левого, груз 17 опускается до упора в каретку 7 (на 2h), срабатывает переключатель 19 направления вращения реверсивного двигателя 11, двигатель начинает вращаться в обратном направлении и весь процесс резания идет в обратную сторону. В это время призабойный конец заземленного электрода 6 расположен на уровне выше призабойного конца высоковольтного электрода 5 на высоту, равную h, а груз 16 приподнят над кареткой 7 на высоту, равную 2h. Когда призабойный конец заземленного электрода 6 доходит до левой боковой стенки блока горной породы 25, он опускается по этой стенке и становится ниже первоначального исходного положения на величину, равную 2h, каретка 7 опускается на глубину, равную h, и процесс резания повторяется. Для выноса продуктов разрушения горной породы из прорезаемой щели используют насос (на фиг.1 и фиг.2 не показан), подающий часть находящейся в баке 21 воды 24 в эту щель. Вода выносит разрушенную горную породу в зазор между блоком горной породы 24 и внутренними стенками бака 21. В процессе экспериментов при межэлектродном промежутке между призабойными концами высоковольтного электрода 5 и заземленного 6 в 25-27 мм эффективность резания предложенным устройством блоков песчаника на известковистом цементе выше на 12%, а блоков крупнозернистого гранита выше на 18%, чем устройством, у которого призабойные концы находятся на одном уровне.The operation of the proposed device is as follows (figure 1). A device is mounted on the rock block 25 so that the guides 8 enter the channels 22 and 23 with their ends, the bottom-hole end of the high-voltage electrode 5 stands on this block, and the bottom-end of the grounded electrode 6 touches its side wall. The optimum is the excess h bottom-hole end of the high-voltage electrode 5 over the bottom-hole end of the grounded electrode 6, close to 1/3 of the interelectrode gap between these bottom-ends. In order to maintain the established excess h during the cutting process, the load 16 on the grounded electrode 2 is fixed in the position in which this load lies on the carriage 7, and the load 17 on the high-voltage electrode 1 is fixed in its raised position above the carriage 7 by a double excess (2h) the bottomhole end of the high voltage electrode 5 above the bottomhole end of the grounded electrode 6. The upper water level 24 is maintained above the bare parts of the bottomhole ends of the high voltage 5 and grounded 6 electrodes. Check the reliability of the grounding of the electrode 2. In this position, turn on the reversing motor 11 and from the high voltage pulse generator 20 to the high voltage electrode 1 serves high voltage pulses. Between the bottom-ends of the grounded electrode 6 and the high-voltage 5 in the block of rock 25 with the formation of channel 26, an electrical impulse discharge develops, which breaks off (tears off) a piece of rock located above this discharge. The reversing engine 11 through the friction clutch 10 and the gear 9 moves the carriage 7 closer to itself (to the right) as much as the bottom-end of the grounded electrode 6 can move in the horizontal direction without lifting up. The lifting of the electrode 6 is prevented by the load 16 and the friction clutch 10 configured to transmit a certain (predetermined) torque, above which the clutch disks slip relative to each other. Due to this, the bottom-hole end of the grounded electrode 6 moves only along the horizontal part of the spall at a distance B, without rising up the side (right) wall of the spall surface. With the subsequent supply of pulses to the high-voltage electrode 1, similar rock chips occur and the carriage 7 moves towards the reversing engine 11. In this case, the development channel of each high-voltage pulse discharge 26 completely passes through the rock. When using the prototype, parts of the bottom-hole ends of the high-voltage and grounded electrodes from which the discharges develop often hang over spalling funnels. The carriage 7 moves to the right until the high-voltage electrode 1 reaches the right side wall of the rock block 25. When this happens, under the influence of the weight of the high-voltage electrode 1, its insulation coating 3 and the load 17, the bottom-hole end of the high-voltage electrode 5 is on the right side the wall of the rock block 25 sharply falls down to a depth equal to 2h. In this case, the rocker 14 is rotated on the axis 13 and its right end becomes lower than the left, the load 17 is lowered all the way into the carriage 7 (by 2h), the switch 19 of the direction of rotation of the reversing motor 11 is activated, the engine starts to rotate in the opposite direction and the whole cutting process goes to back side. At this time, the bottomhole end of the grounded electrode 6 is located at a level above the bottomhole end of the high-voltage electrode 5 by a height equal to h, and the load 16 is raised above the carriage 7 to a height equal to 2h. When the bottom-end of the grounded electrode 6 reaches the left side wall of the rock block 25, it falls along this wall and falls below the initial starting position by an amount equal to 2h, the carriage 7 drops to a depth equal to h, and the cutting process is repeated. To remove the rock destruction products from the cut-through slot, use a pump (not shown in FIG. 1 and FIG. 2), which supplies part of the water 24 in the tank 21 to this slot. Water carries the destroyed rock into the gap between the rock block 24 and the inner walls of the tank 21. In the course of experiments, when the proposed device sandstone blocks on calcareous cement are 12 times higher by 12 by the interelectrode gap between the bottom ends of the high-voltage electrode 5 and grounded 6 %, and coarse-grained granite blocks are 18% higher than a device with bottom-hole ends at the same level.

Предложенное устройство применимо не только для резания блоков горных пород, размещенных в баках, но и в условиях карьеров. Для этого необходимо предварительно пробурить две скважины на расстоянии друг от друга, равном длине требуемого реза и с учетом длины его направляющих 8.The proposed device is applicable not only for cutting blocks of rocks placed in tanks, but also in quarries. For this, it is necessary to pre-drill two wells at a distance from each other, equal to the length of the required cut and taking into account the length of its guides 8.

Claims

1. Device for cutting rocks with electric pulse discharges, containing high-voltage and grounded electrodes provided with insulating coatings, bottom-hole ends of which are bent and facing each other, the electrodes being passed through holes in the insulating plate, to which a reversible motor is connected via a transmission, characterized in that the insulating plate, through the vertical holes in which the electrodes are freely passed, is made in the form of a movable carriage mounted on rails x, a rocker support is attached to the carriage, the ends of the rocker are made with through holes in which bushings of elastic elastic material are placed, through which electrodes provided with insulating coatings are freely passed.

2. The device according to claim 1, characterized in that each electrode is equipped with a load.

3. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with switches for the direction of rotation of the engine, mounted on relocated loads.

4. The device according to claim 1, characterized in that the engine is equipped with a friction clutch that transmits a given torque.