Способ гидроимпульсного разрушения горных пород

(21) 4885659/03 (22) 22,10.90 (46) 15.04,93. Бюл. (1) Военизирова части Донбасса (72) Г.Ю. Валукони барский и О.И, Ма (56) Авторское сви. М 1380347, кл. Е 2 (54) СПОСОБ ГИД РУШЕНИЯ ГОРНЪ%14ые горноспасательные М.Г. Левертов, Б.С, Люс,лофеевадетельство ССС 1 С 45/00, 1986 РОИМПУЛЪСНОГО РАЗГХ ПОРОД ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОЧСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых,Цель изобретения - экономия энергии ультразвука, что в целом повышает КПД импульсных гидромониторных установок,Для понимания сущности заявляемого технического решения необходимо рассмотреть некоторые особенности ультразвуковых колебаний, а также вызываемые ими физические эффекты.Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны с частотами приблизительноот 1,5 - 2,0 10. Гцдо 10 Гц. Область частот ультразвука подразделяют на три подобласти: 5 Ультразвук низких частот(УНЧ) - 1,5 10 - 10 Гц;ультразвуксреднихчастот4(УСЧ) - 10 - 10 Гц; ультразвук высоких час 5 7тот (УЗВЧ) - 10 -10 Гц. По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука, По этой же причине граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна,(57) Изобретение относится к горному делу, может быть использовано при проходке горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых и служит для экономии энергии ультразвука при совместном воздействии на горную породу гидравлической струей и ультразвуком, Генерирование ультразвука осуществляют в импульсном режиме, при этом длительность импульса ультразвука находят как функцию длины и скорости струи жидкости в импульсе, а также расстояния между насадкой гидромонитора и забоем,Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеется место ряд особенностей распространения, имеющих важное значение для решаемой технической задачи.Первая особенность заключается в том, что, например, для УЗВЧ длины волн составляют в возрухе 3,4 10 - 3,4 10 см, в воде 1,5 10 - 1,5 10 см и в стали 5 10 - 5 10 см.Другая особенность состоит в том, что ультразвук в газах и, в частности, в воздухе, С распространяется с большим затуханием, В ОЭ противоположность газам жидкости итвер- О дые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе.Следующая важная особенность ультразвука - возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т,е, при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. При этом ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, в частности, распространению ультразвуковых волн в жидкостях сопутствует движение среды (акустическое течение), скорость которого зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; она составляет доли процента от скорости ультразвука.К числу важнейших явлений относится также кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков иэ имеющихся субмикроскопических зародышей пара или газа в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной (части) фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка многих сотен и тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см .гИнтенсивность потока энергии ультразвука, получаемой в современных мощных излучателях, значительно вь ше и может достигать (в масле и воде) 30 Вт/см, что в2 3 10 раза больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании (10 Вт/см ), В настоящее время разработаны еще более мощные излучатели.Генерацию ультразвука можно осуществить используя явление магнитострикции, У ферромагнитных материалов(никель, железо и др,) под действием магнитного поля происходит незначительное изменение линейных размеров. Так, например, никелевый стержень, помещенный в переменное магнитное поле, совершает дополнительные колебания с соответствующей частотой (до 50 кГц). Амплитуда колебаний максимальна в случае резонанса,Электрические методы генерации ультразвука основаны на явлении электрострикации (обратный пьезоэлектрический эффект). Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение высокой частоты, то пластина будет совершать колебания соответствующей частоты, особенно интенсивные в резонансе, Таким способом можно получать частоты до 10 кГц. Последнее вре 4мя вместо кварца успешно применяют титанат бария.При включении монитора образуется струя жидкости, скорость которой, даже при давлении 20-50 МПа и выше не превышаетнескольких десятков метров в секунду,Скорость ультразвука в воздухе приТ=ОС равна 331,8 м/с, а в обычных услови 5 ях - примерно 340 м/с. В воде скоростьультразвука существенно выше: приТ=273 К 1407, при Т=293 К 1484 и при Т К 1510 м/с. Еще выше она в металлах и длятемпературного интервала 17 - 25 С состав"0 ляет; в стали 5900 - 6100, латуни - 4280 - 4700,железе - 5930 м/с. Поэтому волны ультразвука иэ генератора по его стволу, насадке иструе жидкости практически мгновенно передаются на разрушаемый массив.15 Поскольку ультразвуковые водны обладают малой длиной волны, они как и свет,могут образовывать строго направленныепучки. Для них также справедливы, законыотражения и преломления. Поэтому с по 20 мощью вогнутого зеркального рефлектораили линзы ультразвуковые волны можно направить в строго определенном направлении - сфокусировать вдоль оси ствола иструи. При этом ультразвук почти не дифра 25 гирует и распространяется прямолинейно.Ослабление звуковой волны в воде незначительно и даже,для расстояния в несколько десятков метров им можнопренебречь. Струя гидромонитора действу 30 ет как своеобразный трубопровод, передающий энергию ультразвука на забойразрушаемого массива,Повышение эффективности воздействия струи на разрушаемый материал дости 35 гается за счет того, что одновременнодействует гидродинамическая сила и концентрированная энергия ультразвука, интенсивность котогоой, как указывалось,достигает 30 Вт/см и выше. При этом упру 40 гие колебания высокой энергии образуюттрещины в массиве, что облегчает его раскалывание струей воды. Во-вторых, в струежидкости возникает акустическое течениетого же направления, Оценим величину этого45 эффекта, Допустим, скорость струи 15 м/с, аскорость акустического движения струи всего0,2% от скорости ультразвука, что дляводы с температурой 303 К составит(1510 0,2):100=3,02 м/с, Таким образом,50 суммарная скорость струи повышается до15+3=18 м/с, Давление струи на преграду, какизвестно, прямо пропорционально квадратускорости, следовательно, вданном случае оновозрастет в 18;15 =324,225=1,4 раза. Совер 55 шенно понятно, что столь заметное повышение скорости и давления струи должнырезко повысить эффективность разрушенияматериала, В третьих, при соответствующейинтенсивности ультразвука в струе возникают кавитационные пузырьки. Так как давление при схлопывании пузырьков достигаетмногих сотен и даже тысяч атмосфер, то э го создает значительные удары волны, также способствующей разрушению твердого материала.Обработка горных пород ультразвуком способствует высвобождению из них газов, Дегазирующее действие упругой волны ультразвука связано с эффектами, которые сопровождают распространение интенсивных 10колебаний в водно-породной среде. Так, засчет кавитационных процессов возникаютисключительно благоприятные условия длясоздания большого количества микроскопических газовых пузырьков, В период раэрежения звуковой волны в кавитационной плоскости давление практически отсутствует,что не может не привести к высвобождению газов в виде пузырьков. При дальнейшем существовании в ультразвуковом поле (за счет диффузии, коагуляции и ультразвуковых гидродинамических течений) мелкие газовыепузырьки соединяются в более крупные,Определенную работу на груди забоя выполняют мелкие частицы горной породы, особенно зерна и осколки высокопрочных и твердых материалов - минералов(кварц, корунд и др,), которые действуют как абразив. Под давлением ультразвука они ударяются о материал с силой, в несколько тысяч раз превышающей собственный вес, При этом могут наблюдаться разрушения двух типов; выкрэшивание размельченного материала непосредственно под частицей абразива и образование трещин, приводящих к выкалыванию частиц материала, имеющих размеры порядка размеров минеральныхзерен, В образовавшиеся трещины устремляются кавитационные пузырьки, способствующие отделению отколовшегося кусочка от массы материала. Далее этот кусочек выносится течением.Для правильного понимания положительного эффекта, возникающего при реализации заявленного способа необходимоуяснить следующее. Представим себе, что на поток жидкости, формируемый в импульсном режиме,непрерывно воздействуем ультразвуком, В тех случаях, когда между двумя гидроимпульсами имеется воздушный промежуток, струя жидкости перестанет быть проводником ультразвука от насадки монитора до забоя разрушаемых горных пород. В периоды существования таких промежутков энергия ультразвука практически будет истрачена впустую. Именно поэтому важно, чтобы источник ультразвука также работал в импульсном режиме. при этом импульс ультразвука должен быть согласован с гид 2025 30 3540 455055 роимпульсом и в целом короче по сравнениюс последним (это вытекает из большей скорости ультразвука по сравнению со скоростью струи жидкости),Расстояние между гидроимпульсами вовремени составляет 10-20 Я, от длительности самих импульсов, К тому же надо учесть,что прохождение "межимпульсного промежутка" от насадки до забоя также занимаетнекоторое время - порядка 20-ЗООД. Следовательно, экономия ультразвука пои его импульсном режиме, составит не менее 30.-50.Таким образом, именно наличие отличительных признаков заявленного способа иобеспечивает получение положительногоэффекта, указанного в цели,Этот вывод подтверждается также темобстоятельством, что у заявленного решения появляется свойство, несовпадающеесо свойствами, проявляемыми признакамив известных решениях, и не равные суммеэтих свойств.Так, если рядом с обычным гидромонитором мы разместим автономный излучатель ультразвука и будем воздействовать имна массив, то вообще даже следов разрушения не получим из-за того, что ультразвук ввоздухе распространяется с большим затуханием (в 1000 больше, чем в воде).С другой стороны, акустическое сопротивление воды, примерно, в 3500 раз боль-ше чем воздуха, поэтому при даннойвеличине колебательной скорости общаяакустическая мощность излучателя большедля жидкости чем для автономно установленного излучателя в газовой среде.Струя гидромонитора, как известно, состоит из нескольких частей, различающихсяструктурой. Наиболее эффективно воздействует на разрушаемый массив первая еечасть, представляющая собой наиболееплотный и монолитный участок. Далее струяводы смешивается своздухом и в концеконцов полностью превращается в потокбрызг. Длина первого участка струи определяется в основном рабочим давлением жидкости и диаметром насадки,При взаимодействии струи с ультразвуком она проявляет новое свойство - устойчивость по отношению к окружающему ее .атмосферному воздуху, Направленный поток ультразвуковых волн, пространственнои по направлению совпадающий с очертаниями и направлением струи, предохраняетее от смешивания с воздухом, Пузырьки воз.духа извне практически не проникают вструю и не разрыхляют ее. Ультразвук какбы создает своеобразный изолирующий канал, препятствующий образованию брызг.В итоге длина монолитного участка струи(5) резко возрастает (что также повышает ее дальнобойность и разрушающую эффективность), Для рабочего давления 12 МПа и диаметра насадки 10 мм это возрастание в зависимости от интенсивности ультразвуково-го излучения составляет не менее 50-1006, Сказанное полностью относится к импульсному режиму.Длительность ультразвукового импульса и время задержки этого импульса по сравнению с началом гидроимпульса могут быть определены исходя из следующих соображений.Пусть расстояние между насадкой гидромонитора и забоем равно 1, Длину струи жидкости в импульсе обозначим через 1 и. При этом заранее принимаем условие: 1 и 1, . так как при обратном соотношении теряет смысл применение ультразвука из-за обязательного наличия воздушного промежутка между струей и насадкой или забоем.Тогда длительность гидроимпульса г, можно найти из выражения: где ч - скорость струи жидкости,Время г, за которое струя жидкости изнасадки достигает забоя, равно: Ультразвук это же расстояние преодолеет за время тц; где ч 2 - скорость ультразвука в жидкости.Тогда время задержки гз ультразвукового импульса по отношению к гидроимпульсу может быть найдено из выражения: Однако ч 2 ч 1, поэтому второй дробьюв уравнении (4) можно принебречь. Тогдатз приближенно будет равно: Длительность ультразвукового импульса находим из выражений (1) и (5): 5 П р и м е р, Расстояние между насадкойгидромонитора и забоем 1-20 м, Длинаструи жидкости в импульсе 1 и=45 м. Скорость струи жидкости чм/с. Скорость ультразвука в жидкости ч 2=1500 м/с.10 Тогда тих=45:35=1,29 с,Время задержки ультразвукового импульса 7 з =20:35=0,57 с.Следовательно длительность ультразвукового импульса будет равна: ту =1,29-0,57=15 =0,.72 с,Поправка на скорость ультразвука в жидкости т составляет всего 20:1500=0,013 с.Это менее 2 фот приведенной выше цифры,Длительность ультразвукового импуль 20 са, определяемого выражением(б), является. достижения положительного эффекта, ука 25 зэнного в цели.Особенно эффективно применение заявленного способэ при разрушении горныхпород повышенной крепости, Уже при ис-.пользовании излучателей ультразвука с ин 30 тенсивностью потока энергии 1 - 5 Вт/смэффективность разрушения массива повы шается в 2 - 3 раза, при этом экономится30-500 и более энергии ультразвука,формула изобретения Способ гидроимпульсного разрушениягорных пород, включающий формирование . струи жидкости в импульсном режиме и воздействие на нее сфокусированными по оси 40 ствола гидромонитора ультразвуковымиволнами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью экономии энергии ультразвука, его воздействие производят в импульсном режиме, согласованном с импульсным режи-.45 мом струи жидкости, причем длительностьимпульса ультразвука ту определяют из за- висимости 50где гз =1/ч - время задержки ультразвукового импульса по сравнению с началом импульса жидкости;1 и - длина струи жидкости в импульсе;55 1- расстояние между посадкой гидромонитора и забоем;ч - скорость струи жидкости,