Способ разупрочнения горной массы

(51)5 Е 21 С 39/00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ПАТЕНТУ т эффекянием и д для их ективно- ргоемкое разуп- рудопод(21) 4839207/03(56) Щербак Н.И, Исследование механических свойств пропитанных горнь)х пород растворами ПАВ при высоких скоростях нагружения, - ФТПРПИ, 1983, М 5, с, 11 - 16.За(Пег 3 У, С аа 9 С. Химический метод увеличения проницаемости угольного пласта, 1988, 12, )ч. 1-2, с. 1-14.(54) СПОСОБ РАЗУПРОЧНЕНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ(57) Сущность изобретения заключается в том, что горную массу размещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земИзобретение относится к горному делу и может быть использовано для разупрочнения грунтов и горных пород в гидротехническом, дорожном и других аидах строительства с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации при высоких РТ-параметрах,Известен способ разупрочнения горных пород, включающий предварительную обработку горных пород поверхностно-активными веществами (ПАВ) с последующим механическим разрущением взрывом или буровыми работами (Щербак Н.И, Исследование механических свойств пропитанных горных пород растворами ПАВ при высоких скоростях нагружения, - ФТПРПИ, М 5, 1983, с. 11 - 16).Однако известный способ трудоемок, нетехнологичен, локален; поскольку нагнетание ПАВ в скважины достигает распространения ПАВ не более 1 м от скважины и ли, Разупрочняющим раствором заполняют полость, после чего производят ультразву. ковую обработку в диапазоне частот 1/10 кГц. После увеличения проницаемости горной массы и заполнения ее пор и трещин производят слив из полости разупрочняющего раствора при ультразвуковой обработке интенсивностью 0,2-0,3 уровня напряжений от веса столба горной массы в полости. Затем осуществляют выпуск горной массы из полости для дальнейшего ме-. ханического дробления. При этом производят обработку горной массы ультразвуковыми колебаниями интенсивностью, равной 0,2 - 0,3 уровня напряжений от давления веса столба горной массы в полости перед ее выпуском. 12 з,п. ф-лы, 3 ил. аа полностью зависит от трещиноватости и геомеханических свойств залегания пород в массиве;аааИзвестен также способ разупрочнения горной массы, включающий обработку гор-О ной массы разупрочняющими растворами р при воздействии на нее ультразвуковымиаай колебаниями до увеличения проницаемости (пол рещ. СССР 3 Ф 4696752/03 от 18,04,89 Ю "Способ регионального увлажнения уголь- . 0 ных пластов"). Известный способ не используе ты кавитации для управления состо свойствами руд и вмещающих поро разупрочнения и повышения эфф сти способа за счет снижения эне сти процесса. Цель изобретения - эффективно рочнение горной массы на стадии,готовки,Поставленная цель достигается тем, чтогорную массу помещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земли, после чего производят ультразвуковуюобработку в диапазоне 1 - 10 кГц после увеличения проницаемости горной массы и заполнения ее пор и трещин производят сливиз полости раэупрочняющего раствора приультразвуковой обработке интенсивностью,равной 0,2-0,3 уровня напряжений от веса 10столба горной массы в полости, после чегоосуществляют выпуск горной массы из полости для дальнейшего механическогодробления, при этом производят обработкугорной массы ультразвуковыми колебаниями интенсивностью равной уровню напряжений от давления веса столба горноймассы в полости перед ее выпуском,Источники ультразвуковых колебанийразмещают под днищем полости на расстоянии друг от друга 3-5 длин волн и осуществляют синхронизацию их работы принеизменных контактных условиях,Предварительно измеряют пределы механической прочности горной породы на 25растяжение, а амплитуду давления в знакопеременной упругой волне изменяют от минимального значенйя до значения, равного0,9-1,5 предела прочности на растяжение.В разупрочняющий раствор добавляют ЗО1-2% твердых частиц с размерами 10102 мм;В качестве разупрочняющих растворовв горную массу заливают воду при температуре 8-90 С с добавкой 6-9; ПАВ, причем 35сначала нагнетают воду, а затем ПАВ.8 качестве разупрочняющего растворав горную массу нагнетают водный раствордодецилсульфата натрия с добавкой ПАВ вколичестве 3 оь, . 40В качестве разупрочняющего растворав горную массу нагнетают 1 о,-ный растворкарбамида совместно с 2 оь-ным растворомсульфосалициловой кислоты,Полость с размещенной в ней горной 45массой герметизируют и создают в ней избыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания сжатого инертного газа,Размеры полости для размещения в нейгорной массы выбирают исходя из условий 50волнового подобия - основной частоты, излучаемой в горную массу, причем длинуднища, ее поперечный размер и высотувыбирают из соотношений1. = (10-18) Мр, 55т - (2-3) Яр,й (1,0-1,6) Лр,где . - длина днища; 1 - ее поперечныйразмер;и - высота днища;Ар - длина волны, излучаемая преобразователем колебаний.Энергию выделяющуюся при схлопывании кавитационного пузырька определяютиз соотношенияЕ =. Рол В 4/3,где Ро - начальное давление обусловленноевесом столба горной массы, кг/см; В - раз 2,мер кавитационного пузырька, мм,Время схлопывания кавитационного пузырька определяют из соотношениятсхлопыванив1+ - (4 - 13+2 3+ 1 ( 1)25где = ВО/Рмин,Рмакс = 0(ВО/Вмин) У - максимальное давление развиваемое кавитирующим пузырьком;0-давление газа в пузырьке радиусом Во:у - показатель адиабаты;Во - максимальный радиус пузырька в начальный момент схлопывания;р - плотность раствора.Управляют степенью развития, характером ее протекания процессом кавитации варьированием газосодержания в разупрочняющем растворе и гидростатическим давлением столба горной массы в полости,Для увеличения проницаемости пород и руд в горной массе нагнетают в совокупности с разупрочняющим раствором расклинивающие агенты, представляющие собой тонкодисперсный материал, в качестве которого используют графит, сажу, кварц, измельченные до размеров 0,03 - 0,15 мм при соотношении, мас.,4:Раствор 95-96 Твердый материал . 4 - 5На фиг. 1 приведена схема реализации способа, где 1 - бункер с горной массой 2; 3 - полость с размещенной в ней рудой 4 и источниками 5; 6 - генератор для возбуждения ультразвуковых колебаний; 7, 8, 11, 13 - задвижки, 9, 14 - конвейер, 10 - обработанная горная масса; 12 - устройство для механического размельчения горной массы, 15 - размельченная горная масса, 16 - . выход на процесс флотации, 17 - змульгаторы для ввода раствора в полости. На фиг, 2 приведена схема размещения виброисточников 18 в полости 3, 21 - разупрочняющий раствор, 19 - компрессор высокого давления ЭУили ЭУ, 20 - электронный пульт упВ=10 15 20 35 40 50 равления для управления работой группы виброисточников, На фиг, 3 приведена схема возбуждения колебаний лучом лазера 22 в растворе 21 полости 3, 23 - пульт синхронизации, 5Способ осуществляют следующим образом, Из бункера 1 горную массу 2 через задвижку 7 наполняют полость 3 горной массой 4. Нэ днище полости устанавливают ультразвуковые преобразователи 5, последовательно соединенные с входом генератора 6. Через эмульгатар 17 заполняют полость 3 разупрочняющими растворами, в качестве которого используют воду при температуре 80-90 С с добавкой 6 - 9% ПАВ, причем вначале нагнетают воду. э затем ПАВ. Оси преобразователей ориентируют в направлении наибольшей аси днища, Для получения максимального КПД передачи энергии ультразвуковь 1 х преобразователей в горную массу акустические сопротивления материала контактной поверхности и материала днища полости выполняют одинаковыми. Преобразователи размещают на удалении друг ат друга 3-5 длин волн основ ной частоты, излучаемой в горную массу. При скорости р -волн в горной массе, равной 600-900 м/с и частотах 1-10 кГц, длины волн равны соответственно 0,6 и 0,9 м, т.е, на удалении 3 - 5 длин волн эта составляет в 3 среднем 2 м, Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений, излучаемое преобразователем, равномерное, в то время как на удалениях меньших этих расстояний - оно неравномерное.Время воздействия - время синхронной работы группы преобразователей регулируемое посредством электронного пульта управления 20 - зависит от размеров кусков горной массы и степени их паристости и трещиноватости, При синхронной работе группы преобразователей амплитуду их колебаний медленно поднимают ат минимального до максимэльнага.уравня, определяемого уровнем достижения в гор ной массе напряжений, равных или больших величине растягивающих напряжений для руд и вмещающих пород в горной массе.Воздействуя на горную массу мощными ультразвуковыми колебаниями в частотном диапазоне 1 - 10 кГц, изменяют напряженна-деформированное .состояние в навале горной массы в полости и вибровоздействия производят в несколько этапов.Вначале горную массу приводят в воз бужденное состояние в диапазоне 1-10 кГц в совокупности нагнетанием разупрочняющих растворов, например, горячей воды и ПАВ, и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при катаром напряжения сжатия в горной массе сменят напряжения растяжения - в этом случае достигается оптимэльная проницаемость руд и вмещающих пород,Затем переходят на частоту воздействия равную частоте собственных колебаний горной массы в полости и образующиеся при этом волны сжатия и разрежения порождают в упругой волне гидроразрывы -мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газом и схлопывающиеся в зоне сжатия упругой волны. При зэхлапывании кавитирующего пузырька возникают сильные возмущения прилегающих слоев жидкости,имеющих место в порах и трещинах руд и пород, распространяющихся в виде волн конечной амплитуды, а при достаточно резком. зэхлопывании - в виде слабых ударных волн,В качестве инициаторов кавитации в раствор добавляют 1 - 2% твердых частиц с размерами 10 - 10 мм, причем в качестве разупрочняющих раствор используют либо воду при температуре 80-90 С с добавкой6 - 9% ПАВ, причем сначала нагнетают горячую воду, а затем ПАВ, либо 1%-ный раствор карбамида совместно с 2%-ным раствором сульфосалицилавой кислоты,Полость герметизируют и создают в нейизбыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания инертного сжатого газа и управляют степенью развития и характером протекания процесса кавитации варьированием газасодержания в раэупрочняющемрастворе с учетом гидрастатического давления столба горной массы в полости, причем предварительно измеряют пределы механической прочности пород и руд на разрыв, а амплитуду давления в знакопеременной упругай волне измеряют от минимального дозначения, равного 0 9-1,5 предела прочности на разрыв, что позволяет эффективно заполнять поры и трещины руд и вмещающих пород разупрачняющими растворами и снижать их прочность ат 20 до 40%.Для увеличения проницаемости руд ивмещающих парад нагнетают в них одыйраствор дадецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3% в совокупности снагнетанием расклинивающих агентов, представляющих собой тонкодисперсную среду, например сажу, графит, кварц, измельченных до размеров 0,03-0,15 мм при соотношении, мас,%;Твердый материал 4 - 5Раствор 95 - 96Размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия - основной частоты, излучаемой в горную массу.1794186 10 15 20 25 30 40 50 Таким образом, горная масса на стадии рудоподготовки обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок в совокупности с нагнетанием в порц и трещины руд и вмещающих пород разупроч няющих раствором и расклинивающих агентов, что снижает прочность руд и пород от 20 до 40, снижает энергоемкость процесса разрушения их на стадии дробления и на порядок повышает эффективность способа по производительности.Сущность способа заключается в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок в горной массе возникают волны сжатия и разрежения. Эти волны действуют кэк тектонический насос и вызывают миграцию флюидов - жидкостей и газов, содержащихся в порах и трещинах руд и вмещающих пород, т.е, содействуют их миграции во много раз быстрее., чем в отсутствие упругой волны (на несколько порядков), Кроме того, вибрации способствуют раскрытию пор и трещин и проникновению в них расклинивающих агентов, которые не дают порам и трещинам закрыться и служат новыми концентраторами напряжений в породах, Обнаруженное явление названо авторами "упругий миграционный геоэффект" и оно имеет место в любых диапазонах час. тот Гц-кГц-мГц. Миграция флюидов в порах и трещйнах сопровождается изменением порового давления и, как следствие, изменением прочностных свойств пород, окружающих зтипоры и трещины, т.е. на пути мигрирующих флюидов имеет место пере распределение поля упругих напряжений дегазацией, т.е. истечением газов из пор и трещин, кавитаций при соблюдении определенных начальных и граничных условий на пути распространения упругой волны, а именно: Формула изобретения 1, Способ разупрочнения горной массы, включающий обработку горной массы разупрочняющими растворами при вибровоздействии на нее ультразвуковымиколебаниями до увеличения проницаемости, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью эффективного рээупрочнения горной массы на стадии рудоподготовки, горную массу помещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земли, разупрочняющим раствором заполняют полость, после чего производят ультразвуковую обработку в диапазоне частот 1-10 кГц, после увеличения проницаемости горной массы и запола) перепады избыточного.знакопеременного давления, так как расположение пор и трещин в пространстве неравномерно;б) наличие минеральных твердых включений во флюидосодержащих рудах и породах,служащих инициаторами кавитирующих процессов;в) варьирования гаэосодержания во флюидах, содержащихся в порах и трещинах руд и вмещающих пород;г) наличие частоты зондирующего импульсас собственной частотой флюидов, содержащихся в порах и трещинах;е) распространение упругой волны в направлении простирания пор и трещин в рудах и вмещающих породах.Перечисленные факторы с одной стороны увеличивают вероятность проявления эффектов кавитации в горной массе, а с другой стороны - повышает гидро- и аэродинамический эффект связи руд и пород, т,е. увеличивает проницаемость их и способствует более полному их заполнению(пропитке) раэупрочняющими растворами,Преимущества способа заключаются в следующем:1) создают оптимальные условия для работы в выбранном диапазоне частот для закачки упругой энергии в тело кусков руд и вмещающих пород в режиме накопления при неизменных контактных условиях;2) повышают проницаемость руд и вмещающих пород;3) снижают энергоемкость разрушения пород на стадии дробления за счет сниженияпрочности руд и пород от 20 до 40%;4) повышают эффективность способа за счетэффектов кавитации и упругого миграционного геоэффекта и увеличивают производительность примерно ва порядок. нения ее пор и трещин производят слив из полости рээупрочняющего раствора при ультразвуковой обработке интенсивностью, равной 0,2-0,3 уровня напряжений от веса столба горной массы в полости, после чего осуществляют выпуск горной массы из полости для дальнейшего механического дробления, при этом производят обработку горной массы ультразвуковыми колебаниями интенсивностью, равной уровню напряжений от давления веса столба горной массы в полости перед ее выпуском,2, Способ поп. 1,отл и ча ю щи й с я тем, что источник ультразвуковых колебаний размещают под днищем полости на расстоянии друг от друга 2 - 5 длин волн и осуществляют синхронизацию их работы при неизменных контактных условиях.3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что предварительно измеряют пределы механической прочности горной массы породы на растяжение, а амплитуду давления в энакопеременной упругой волне изменяют от минимального значения до значения, равного 0,9 - 1,5 от предела прочности на растяжение.4, Способ по и, 1, отл и ч а ю щи й с я тем, что в разупрочняющий раствор добавляют 1-2% твердых частиц с размерами 10 - 10 мм.5, Способ по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве разупрочняющего раствора в горную массу заливают воду при 89-90 С с добавкой 6-9% ПАВ, причем сначала нагнетают воду, а затем ПАВ,6. Способ по и, 1, о тл и ч а ю щи й с я тем, что в качестве разупрочнения раствора в горную массу нагнетают водный раствор додецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3.7, Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве разупрочняющего раствора в горную массу нагнетают 1%-ный раствор карбамида совместно с 2 -ным раствором сульфосалициловой кислоты.8. Способ по и, 1, о тл и ч а ю щи й с я тем, что полость с размещенной в ней горной массой герметизируют и создают в ней избыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания сжатого инертного газа,9, Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия - основной частоты, излучаемой в горную массу, причем длину днища полости, ее поперечный размер и высоту выбирают иэ соотношений. = (10-18) Л;т = (2-3) Мр,В = (1,0-1,6) Л,где . - длина днища полости, 1 - ее поперечный размер; и - ее высота; Я - длина волны, излучаемая преобразователем колебаний, 10, Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что энергию, выделяющуюся при схлопывании кавитационного пузырька, определяют иэ соотношения5 Е = Ро кйз 4/3,где Ро - начальное давлени, обусловленное весом горной массы, кг/см; В - размер кавитационного пузырька, мм.11, Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я "0 тем, что время схлопывания кавитационного пузырька тухл определяют из соотношениятсхй=- (23 1 ( 1)2 ас,.95-96; 20где ф = Во/Рмин,Рлакс0 (Во/Воин)" - максимальноедавление, развиваемое кавитирующим пузырьком;О - давление газа в пузырьке с радиусом В=Во:у - указатель адиабаты;Во - максимальный радиус пузырька в .начальный момент схлопывания;р - плотность раствора.12, Способ по и. п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что управляют степенью развития,характером ее протекания процессом кавитации, варьированием газосодержания враэупрочняющем растворе и гидростатическим давлением столба горной массы в полости,13;Способ поп,1,отличающий-ся тем, .что для увеличения проницаемости0 пород и руд в горной массе нагнетают всовокупности с раэупрочняющим раствором расклинивающие агенты, представляющие собой тонкодисперсный материал, вкачестве которого используют графит, сажу,. кварц, измельченные до размеров 0,030,15 мм при соотношении, мРаствор -Твердый материал -1794186 Составитель А.Бакулин .Редактор Б.федотов Техред М.Моргентал Корректор З.Салко роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 529 ТиражВНИИПИ Государственного коми113035, Москв Подписноеа по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССЖ, Раущская наб., 4/5