PL324882A1 - Method of controllably fragmenting hard rock and concrete by combined action of impact tools and small explosive charges - Google Patents

Description

2722/98 Im

Sposób kontrolowanej fragmentacji twardej skały i betonu przez połączone zastosowanie młotów udarowych i odpalania małych ładunków

Przedmiotowe zgłoszenie korzysta z pierwszeństwa z równocześnie rozpatrywanego tymczasowego zgłoszenia patentowego USA nr seryjny 60/001.956, zatytułowanego "Sposób kontrolowanej fragmentacji twardej skały i betonu przez połączone zastosowanie młotów udarowych i odpalania małych ładunków", złożonego dnia 7 sierpnia 1995, na które niniejszy opis powołuje się w całości.

DZIEDZINA WYNALAZKU

Przedmiotowy wynalazek dotyczy ogólnie sposobu urabiania skały i betonu, a zwłaszcza sposobu urabiania twardej skały i betonu przy zastosowaniu odpalania małych ładunków i młotów udarowych..

PODŁOŻE WYNALAZKU

Urabianie skały jest podstawowym działaniem w górnictwie, kamieniołomach i w budownictwie lądowym i wodnym. Jest wiele ważnych niespełnionych potrzeb tych przemysłów, dotyczących urabiania skały i innych twardych materiałów. Obejmują one: -2- zmniejszony koszt urabiania skały zwiększone wydajności urabiania polepszenie bezpieczeństwa i zmniejszenie kosztów zabezpieczeń lepszą kontrolę nad dokładnością procesu urabiania opłacalny sposób urabiania możliwy do zaakceptowania w miastach i w obszarach wrażliwych na szkody dla środowiska

Metody wiercenia i strzelania są najpospoliciej stosowanymi sposobami urabiania skały. Sposoby te nie są odpowiednie dla wielu środowisk miejskich ze względu na ograniczenia wynikające z przepisów. W górnictwie metody wiercenia i strzelania są zasadniczo ograniczone pod względem wydajności produkcyjnej, natomiast przy drążeniu kopalń i przy drążeniu tuneli w budownictwie lądowym i wodnym metody wiercenia i strzelania są zasadniczo ograniczone pod względem postępowania przez cykliczną naturę procesu wiercenia i strzelania na dużą skalę.

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

Maszyny przodkowe są używane w górnictwie i w zastosowaniach budowlanych, ale są one ograniczone do umiarkowanie twardych, nie-ściernych formacji skalnych.

Mechaniczne kruszarki udarowe są aktualnie używane jako środki do kruszenia nadmiaru skały i konstrukcji z betonu oraz betonu zbrojonego. Technika mechanicznych kruszarek udarowych uległa ulepszeniu przez zwiększenie energii i częstotliwości uderzeń narzędzia udarowego dzięki zastosowaniu systemów hydraulicznych o dużej energii; oraz -3- przez zastosowanie na końcówkę narzędzia wytrzymałych stali o dużej odporności na kruche pękanie. Mechaniczne kruszarki udarowe mogą być stosowane w prawie każdym usytuowaniu miejsca pracy dzięki brakowi wydmuchu powietrza i dzięki swemu stosunkowo słabemu działaniu sejsmicznemu. Jako ogólne narzędzie urabiające mechaniczne kruszarki udarowe ograniczone są do stosunkowo słabych formacji skalnych o wysokim stopniu spękania. W twardszych formacjach skalnych (wytrzymałość na ściskanie bez ograniczenia powyżej 60-80 MPa) sprawność urabiania mechanicznych kruszarek udarowych szybko spada, a zużycie końcówki narzędzia gwałtownie rośnie. Mechaniczne kruszarki udarowe same nie mogą prowadzić ekonomicznie urabiania na podziemnym przodku w litych, twardych formacjach skalnych.

Techniki z odpalaniem małych ładunków można stosować we wszystkich formacjach skalnych łącznie z litymi, twardymi formacjami skalnymi. Odpalanie małych ładunków obejmuje metody, gdzie jednorazowo są używane małe ilości materiałów wybuchowych (typowo 2 kg lub mniej), w przeciwieństwie do epizodycznych operacji konwencjonalnego wiercenia i strzelania, które wiążą się z wierceniem układów złożonych z wielu otworów, ładowaniem ładunków wybuchowych w te otwory, odpalaniem z milisekundową synchronizacją wybuchu w każdym otworze i gdzie zużywa się dziesiątki do tysięcy kilogramów materiału wybuchowego.

Odpalanie małych ładunków może powodować rozrzucanie latających odłamków skalnych, co jest nie do przyjęcia na usytuowanych w pobliżu maszyn i konstrukcji i może powodować niedopuszczalny podmuch powietrza i hałas. Ponadto techniki z odpalaniem małych ładunków nie mogą być opłacalnie używane do urabiania z często pożądaną dokładnością. -4 -

Potrzebny jest zatem sposób i środki do sprawnego kruszenia skały przy małej prędkości rozrzucanych odłamków skalnych, tak że sprzęt wiertniczy, odbierający urobek, transportowy i podsadzkowy może pozostawać przy przodku podczas operacji kruszenia skały.

ISTOTA WYNALAZKU

Wynalazek zajmuje się tymi i innymi potrzebami. W jednym przykładzie wykonania przedmiotowy wynalazek przewiduje sposobów kontrolowanej fragmentacji twardego materiału, który obejmuje następujące etapy: (a) doprowadzanie gazu do dna otworu usytuowanego w wolnej powierzchni twardego materiału; (b) uszczelnienie tego gazu przy dnie otworu, aby działać ciśnieniem na dno otworu i powodować rozchodzenie się pęknięcia od dna otworu, przez co powstaje pokruszone część twardego materiału, którego część jest odsłonięta w swobodnej powierzchni otaczającej otwór; oraz (c) uderzanie w pokruszoną część odsłoniętą przy tej swobodnej powierzchni kruszarką udarową, aby usunąć materiał w pokruszonej części z tej swobodnej powierzchni. Ilość środka wybuchowego użyta w celu wytworzenia gazu jest typowo stosunkowo mała. Pęknięcie jest istniejącym pęknięciem, które obejmuje całe dno, obszar otworu, na który działa ciśnienie lub nowym pęknięciem rozchodzącym się od narożnika dna otworu.

Sposób ten ma wiele zalet. Połączenie odpalania małych ładunków z kruszeniem udarowym znacznie zwiększa sprawność kruszenia skały obu tych technik w porównaniu z ich odpowiednimi sprawnościami, gdy są one używane oddzielnie. Łączne użycie odpalania małych ładunków i kruszenia udarowego typowo pozwala na oddzielanie większej -6-

KRÓTKI OPIS RYSUNKÓW

Fig. 1 jest wykresem przedstawiającym wydajności produkcyjne (1) typowej kruszarki mechanicznej, (2) typowego procesu odpalania małych ładunków i (3) połączenia tych dwóch sposobów w funkcji wytrzymałości skały na ściskanie bez ograniczenia. Wykres ten ilustruje, jak wydajność tego połączenia dwóch sposobów jest większa niż suma dwóch indywidualnie.

Fig. 2 jest przekrojem podstawowych elementów procesu odpalania małych ładunków z pokazaniem krótkiego otworu, naboju przy dnie otworu, zawierającego pewną ilość materiału minerskiego i element zapłonowy oraz element przybitkowy (uszczelniający) dla ładunku, by skierować produkty gazowe na dno otworu.

Fig. 3 jest przekrojem krateru utworzonego w przodku skalnym przez proces odpalenia małego ładunku, z pokazaniem pokruszonej skały wyrzuconej z krateru i reszty odłamków pozostałych poniżej obszaru wyrwanego krateru.

Fig. 4 jest przekrojem przodka skalnego, w którym dwa krótkie otwory zostały wywiercone i odstrzelone w procesie odpalenia małego ładunku, tak że skała otaczająca te otwory została usunięta. Ta schematyczna ilustracja pokazuje duże pęknięcie lub pęknięcia wchodzące w skałę przy dnie otworów i inne pozostałościowe mniejsze pęknięcia na skutek odpalenia małego ładunku, a ponadto przedstawia jak sąsiadujące podpowierzchniowe sieci pęknięć mogą osłabić całą strukturę skały.

Fig. 5 jest widokiem z boku typowej mechanicznej kruszarki udarowej z pokazaniem zespołu kruszarki i końcówki narzędziowej kruszarki. Zespół kruszarki pokazano zamontowany na przegubowym zespole wysięgnikowym przymocowanym do środka transportu. -5- objętości skały w krótszym czasie niż byłoby to możliwe przy oddzielnym stosowaniu odpalania małych ładunków i kruszenia udarowego, zwłaszcza w twardszych materiałach. Połączenie tych dwóch technik daje ponadto zalety odpalania małych ładunków (np. korzystania z niskiego śladu sejsmicznego i małej ilości latających odłamków skalnych podczas odpalania) z zaletami technik kruszenia udarowego (np. możliwość wyrównywania konturu urabianego przodka i rozdrabnianie dużych odłamków skalnych przy przodku w celu ułatwienia zabierania urobku).

Gaz może być doprowadzany do dna otworu przez odpalenie materiału wybuchowego lub spalenie materiału miotającego. Techniki odpalania małych ładunków mogą obejmować odstrzeliwanie otworów indywidualnie lub odstrzeliwanie kilku otworów równocześnie. Ślad sejsmiczny metod z odpalaniem małych ładunków jest stosunkowo niski ze wzglądu na niewielką ilość jednorazowo użytego materiału minerskiego. Techniki odpalania małych ładunków pod ziemią wymagają usuwania typowo 0,3-10 m3 zwartego materiału na jeden strzał przy użyciu 0,15-0,5 kg materiału minerskiego, zależnie od użytego sposobu. Przy urabianiu odkrywkowym technikami odpalania małych ładunków i powierzchniowych małych ładunków wielkość ładunku i ilość odłamanej skały z jednego odpalenia mogą zwiększyć się do około 1-3 kg materiału minerskiego, by usuwać 10-100 m3 zwartego materiału skalnego z jednego odpalenia. Kruszarka udarowa korzystnie uderza w pokruszoną część swobodnej powierzchni z energią udarową 0,5-500 kJ. Częstotliwość uderzeń kruszarki udarowej typowo wynosi 1-200 uderzeń na sekundę.

Etap uderzania następuje korzystnie bezpośrednio po etapie doprowadzania gazu i uszczelniania. Techniki te mogą być wykorzystywane kolejno w kolejnych otworach lub dla wielu otworów równocześnie. -7-

Fig. 6 jest przekrojem przodka skalnego, w którym końcówka narzędziowa mechanicznej kruszarki udarowej uderzyła w powierzchnię skały, powodując zainicjowanie pęknięć w otaczającej skale.

Fig. 7 jest widokiem z boku systemu urabiania z pokazaniem środka transportu, wysięgnika, na którym zamontowana jest mechaniczna kruszarka udarowa oraz wysięgnika, na którym zamontowane jest urządzenie do odpalania małych ładunków.

Fig. 8 jest (1) widokiem z boku urządzenia do odpalania małych ładunków zamontowanego na mechanizmie przestawiania, który jest z kolei zamontowany na końcu przegubowego zespołu wysięgnikowego oraz (2) widok z przodu mechanizmu przestawiania z pokazaniem świdra skalnego i urządzenia do odpalania małych ładunków.

SZCZEGÓŁOWY OPIS KORZYSTNEGO PRZYKŁADU WYKONANIA

Przedmiotowy wynalazek oparty jest na łącznym użyciu procesu odpalania małych ładunków i mechanicznej kruszarki udarowej (zwanej również młotem hydraulicznym lub młotem pneumatycznym do urabiania skał). Sposób z odpalaniem małych ładunków przyjmuje, że skała jest odrywana w małych ilościach przy użyciu małych ilości materiałów wybuchowych w odróżnieniu od epizodycznych konwencjonalnych operacji wiercenia i strzelania, które wymagają wiercenia układu wielu otworów, ładowania ładunków wybuchowych w te otwory (np. w ilościach 20-250 t przy urabianiu odkrywkowym), odpalanie z milisekundową synchronizacją ładunków w poszczególnych otworach, przewietrzanie i zabieranie urobku. W urabianiu podziemnym techniki odpalania małych ładunków polegają korzystnie na stosowaniu materiału wybuchowego w ilości 0,15-0,5 kg, korzystniej 0,15-0,3 kg, a najkorzystniej 0,15-0,2 kg, by usunąć ilość materiału 0,3-10 m3 zwartego materiału, korzystniej 1-10 m3, a - 8 - najkorzystniej 3-10 m3. W urabianiu odkrywkowym techniki odpalania małych ładunków wykorzystują materiał wybuchowy korzystnie w ilości 1-3 kg, korzystniej 1-2,5, a najkorzystniej 1-2 kg w celu usunięcia materiału w ilości 10-100 m3 zwartego materiału, korzystniej 15-100 m3, a najkorzystniej 20-100 m3. Metry sześcienne zwartego materiału są to metry sześcienne skały na miejscu, a nie metry sześcienne luźnej skały odłączonej od przodka skalnego.

Odpalanie małych ładunków zwykle wiąże się z odpalaniem oddzielnych otworów, ale może obejmować równoczesne odpalanie kilku otworów. Ślad sejsmiczny sposobów z odpalaniem małych ładunków jest stosunkowo niski ze względu na małą ilość materiału minerskiego stosowaną jednorazowo. Korzystnymi materiałami minerskimi są materiały wybuchowe i materiały miotające.

Może być korzystne wiercenie i strzelanie kilku otworów równocześnie (w czasie całkowitym krótszym niż około 1 s), chociaż całkowita ilość materiału minerskiego użyta przy tym będzie rzędu około 2 kg lub mniej dla odpalania małych ładunków. Jednakże przewidywane tu metody odpalania najmniejszych ładunków byłyby realizowane przez wiercenie i odpalanie krótkiego otworu co kilka minut. Średni czas pomiędzy kolejnymi odpaleniami małych ładunków wynosi korzystnie 0,5-10 minut, korzystniej 1-6 minut, a najkorzystniej 1-3 minuty.

Technikę odpalania małych ładunków można zmodyfikować tak, aby zoptymalizować sprawność kruszarki udarowej przez wykorzystywanie głębszych otworów niż normalnie stosowane przy technikach odpalania małych otworów. Głębokość takiego głębiej wywierconego otworu znacznie zmniejsza energię latających odłamków skalnych powodując, że więcej pokruszonej skały pozostaje na miejscu na przodku. Głębokość otworu w skale, kiedy techniki z odpalaniem małych ładunków są -9- połączone z technikami kruszenia udarowego, korzystnie wynosi 3-15 średnic otworu. W jednym przykładzie wykonania znaczna ilość pokruszonej skały pozostaje na miejscu przy przodku. Typowo ładunek daje tylko energią wystarczającą do spękania skały, ale nie do odłączenia skały od przodka. Korzystnie przynajmniej około 50%, korzystniej przynajmniej około 75%, a najkorzystniej przynajmniej około 80% pozostaje na miejscu na przodku.

Mechaniczna kruszarka udarowa działa przez przekazywanie szeregu mechanicznych uderzeń w skałą. Pole powierzchni styku kruszarki z kruszoną skałą korzystnie wynosi 500-20.000 mm2. Energie uderzeń są rządu kilku tysięcy dżuli, a częstotliwość uderzeń młota jest w zakresie 1-100 uderzeń na sekundą. Mechaniczna kruszarka udarowa może być również stosowana do klinowego rozsadzania, podważania i odłu-pywania skały, która jest spękana lub częściowo odłączona. Energia mechanicznej kruszarki udarowej na pojedyncze uderzenie jest w zakresie 0,5-20 kJ, korzystniej 1-15 kJ, a najkorzystniej 1-10 kJ. Częstotliwość uderzeń mechanicznej kruszarki udarowej jest korzystnie w zakresie 1-100 uderzeń na sekundę, korzystniej 5-100 uderzeń na sekundę, a najkorzystniej 25-100 uderzeń na sekundę.

Przedmiotowy wynalazek dotyczy kruszenia skały lub innego twardego materiału, takiego jak beton, przez zastosowanie sposobu odpalania małych ładunków wespół z mechaniczną kruszarką udarową, by osiągnąć bardzo sprawne kruszenie skały; ścisłe kontrolowanie latających odłamków skalnych związanych z procesem odpalania małych ładunków; niski ślad sejsmiczny; oraz precyzyjne kontrolowanie obrzeża konturu urabiania. Energia kinetyczna latających odłamków skalnych jest w zakresie 0-450 J/kg, korzystniej 0-100 J/kg, a najkorzystniej 0-50 J/kg. Szczytowa sejsmiczna prędkość cząstki jest mierzona w odległości 10 - 10- metrów od punktu strzału albo punkt uderzenia przemieszcza się korzystnie z prędkością 0-30 mm/s, korzystniej 0-15 mm/s, a najkorzystniej 0-2 mm/s. Nadmierne kruszenie, mierzone od zamierzonego konturu urabiania, wynosi korzystnie 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 kruszarek mechanicznych może zapewnić optymalną sprawność. Przykładowo, przy strzelaniu czasami nie udaje się całkowicie oddzielić skały, a kruszarka hydrauliczna może skutecznie i szybko dokończyć kruszenie i usuwanie skały. Przewiduje się, że w wielu zastosowaniach operator może wykazywać tendencję do stosowania zbyt słabego strzelania otworów, by do minimum zmniejszyć ilość latających odłamków skalnych. Zadaniem kruszarki jest zakończenie kruszenia skały; doprowadzenie pokruszonej skały do żądanego stopnia fragmentacji; wyrównanie konturu urabiania na podany wymiar; oraz usuwanie niewielkich garbów i występów. W stosunkowo słabych, pokruszonych formacjach skalnych mechaniczna kruszarka udarowa może działać sama z rozsądną sprawnością (energia potrzebna do usunięcia jednostkowej objętości skały) i z możliwą do zaakceptowania żywotnością końcówki narzędziowej kruszarki. Sprawność mechanicznej kruszarki udarowej można polepszyć przez zastosowanie jednego lub kilku strzałów procesu odpalania małych ładunków, by pokruszyć i osłabić skałę. Jeśli jest to potrzebne, środkowa część urabiania może być całkowicie usunięta przez odpalenie małego ładunku z utworzeniem dodatkowych wolnych powierzchni dla mechanicznej kruszarki udarowej. Wywiercony otwór potrzebny dla procesu odpalania małego ładunku może być wiercony dostatecznie głęboko, by zapewnić, że skała jest albo spękana wokół dna wywierconego - 11 - otworu bez odłączenia, albo też skała jest odłączana z bardzo małą energią latających odłamków skalnych. W stosunkowo słabych spękanych formacjach skalnych mechaniczna kruszarka udarowa będzie zwykle wykorzystywana do urabiania większości skały. Przykładowo odpalenie małego ładunku może spowodować usunięcie około 20% skały, natomiast mechaniczna kruszarka udarowa będzie usuwać pozostałe 80%. W umiarkowanie silnej skale z pewnym spękaniem zarówno sprawność urabiania jak i żywotność końcówki narzędziowej mechanicznej kruszarki udarowej maleje przy wzroście twardości skały, przy mniejszym spękaniu i często 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. Mechaniczna kruszarka udarowa jest wykorzystywana do usuwania pozostałej luźno związanej skały w środkowej części obszaru urabiania oraz służy do wykończenia urabiania do żądanego obwodu lub linii wyrównania urabianego obszaru. Otwór potrzebny do procesu odpalenia małego ładunku znowu może być wiercony wystarczająco głęboko, by zapewnić, że skała jest albo rozkruszona wokół dna wywierconego otworu bez odłączenia jej, albo też skała zostaje odłączona z bardzo małą energią latających odłamków skalnych. W umiarkowanie silnej skale z pewnym spękaniem odpalanie małych ładunków i mechaniczna kruszarka udarowa będą usuwać w przybliżeniu jednakowe ilości urobku. W litych formacjach skalnych od stosunkowo twardych do bardzo twardych mechaniczna kruszarka udarowa sama nie może powodować fragmentacji lub usunięcia znacznych ilości skały, a żywotność końcówki narzędziowej jest znacznie skrócona lub znika. W takim przypadku do fragmentacji skały trzeba użyć odpalania małych ładunków lub jakichś - 12- innych środków. Odpalanie małych ładunków nadaje się do urabiania twardych, litych formacji skalnych samodzielnie, ale wydajność urabiania tej metody jest również znacznie zmniejszona. W twardszej skale trzeba wiercić stosunkowo krótkie otwory. Jeżeli otwór jest zbyt głęboki, odłu-pywanie 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 płyciej, występowanie latających odłamków skalnych o dużej energii jest prawie wyeliminowane. Po kilku odpaleniach małych ładunków stwierdzono, że mechaniczna kruszarka udarowa może następnie oddzielać duże części skały. Jest to spowodowane tym, że odpalenia małych ładunków utworzyły sieć podpowierzchniowych pęknięć w obszarach wokół dna wywierconych otworów i osłabiły skałę wystarczająco, by mechaniczna kruszarka udarowa pracowała znowu sprawnie z możliwą do zaakceptowania żywotnością końcówki narzędziowej. W twardych, masywnych formacjach skalnych konieczna jest znacznie większa liczba odpaleń małych ładunków. Liczba uderzeń kruszarki zależy od tego jak bardzo skała jest rzeczywiście oddzielona przez odpalenie małych ładunków. Oprócz odstrzelenia środkowej części urabianej skały odpalenia niewielkich ładunków trzeba przeprowadzić bliżej obwodu urabianej części skały. Mechaniczna kruszarka udarowa ze względu na swe lepsze sterowanie jest potem wykorzystywana do wykończeniowego wyrównania do żądanego obrysu.

Kluczowym aspektem łącznego użycia odpalania małych ładunków i mechanicznej kruszarki udarowej jest to, że wydajność przy stosowaniu ich razem jest znacznie większa niż wydajność przy stosowaniu każdego procesu oddzielnie. Kruszarka w efekcie zwiększa średnią wy- - 13- dajność procesu z odpalaniem małych ładunków. Odpalanie małych ładunków zwiększa wydajność i żywotność narzędzia mechanicznej kruszarki udarowej, a jej zakres użycia rozciąga się na twardsze, słabiej spękane formacje skalne.

Przykładowo w skale mającej wytrzymałość na ściskanie bez ograniczenia (UCS) 60-100 MPa można oczekiwać, że sama kruszarka mechaniczna potrzebuje około 4 godzin na usunięcie około 30 metrów sześciennych (w przybliżeniu 100 kW dostarczane do przodka skalnego). Sam proces odpalania małego ładunku mógłby potrzebować około 2 h i około 20 strzałów, by urobić około 30 m3 (w przybliżeniu 0,3 kg (1 MJ) materiału minerskiego na jedno odpalenie). Przy użyciu łącznym wydobycie 30 metrów sześciennych może być zakończone przy dwóch lub trzech odpaleniach małych ładunków, co może zająć pół godziny, i przy jednej godzinie pracy mechanicznej kruszarki udarowej.

Przy wykorzystaniu 75% sama mechaniczna kruszarka udarowa może zużyć 18 MJ energii i potrzebne będzie 4 h do zakończenia urabiania. Samo odpalanie małych ładunków wymagałoby energii 20 MJ 1 zajęłoby 3 h do zakończenia urabiania (trzeba byłoby użyć kruszarkę do wykończenia konturu). Przy łącznym użyciu potrzebna jest energia około 7,5 MJ, a urabianie zostanie zakończone w czasie około 1,5 h. W dalszym przykładzie w skale o wytrzymałości na ściskanie bez ograniczenia (UCS) 250-300 MPa sama kruszarka mechaniczna faktycznie nie mogłaby w ogóle kruszyć skały. Sam proces odpalania małego ładunku mógłby wymagać 5 h i 60 strzałów, by urobić 30 metrów sześciennych. Przy łącznym użyciu urabianie 30 m3 może zakończyć się z 15-25 odpaleniami małych ładunków, co może zająć 2 h i dodatkowe 2 h pracy mechanicznej kruszarki udarowej w celu odłączenia skały nie - 14- usuniętej przez odpalanie małych ładunków, odłupania luźnej skały i wyrównania konturu wyrobiska.

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

Porównanie wydajności produkcyjnych przy urabianiu tylko za pomocą mechanicznej kruszarki udarowej; tylko przez odpalanie małych ładunków; i przy łącznym użyciu ich obu przedstawiono na fig. 1.

Przedmiotowy wynalazek stanowi zatem znaczne rozszerzenie metod z mechaniczną kruszarką udarową i z odpalaniem małych ładunków przez połączenie obu tych metod w taki sposób, że znacznie zwiększa się wydajność każdej z nich w porównaniu z sumą ich wydajności przy działaniu oddzielnym. Łączne użycie kompensuje również znaczne ograniczenia każdej metody stosowanej oddzielnie.

Przy połączeniu tych dwóch metod wydajność produkcyjna (mierzona w metrach sześciennych skały oddzielonej na godzinę) zostaje zwiększona w porównaniu ze stosowaniem każdego sposobu indywidualnie korzystnie 2-10-krotnie, korzystniej 3-10-krotnie, a najkorzystniej 4-10-krotnie. Przy połączeniu tych dwóch metod sprawność działania mechanicznej kruszarki udarowej jest znacznie polepszona w słabej skale i rozszerzona na średnie i twarde formacje skalne, gdzie mechaniczna kruszarka udarowa, działająca oddzielnie, nie może zapewnić opłacalnych wydajności urabiania. Przez połączenie tych dwóch metod znacznie zmniejsza się zużycie końcówki narzędziowej mechanicznej kruszarki udarowej i powstają dodatkowe swobodne powierzchnie, ponieważ skała jest osłabiona przez uprzednie odpalenie małego ładunku. - 15-

Przy połączeniu tych dwóch metod średnia wydajność odpaleń małych ładunków jest znacznie zwiększona, 2-10-krotnie, ponieważ mechaniczna kruszarka udarowa może oddzielać pokruszoną skałę, która blokuje skuteczne umieszczenie następnych małych ładunków do odpalenia. Przy połączeniu tych dwóch metod otwory na małe ładunki mogą być wiercone głębiej, przez co ulega zmniejszeniu lub wyeliminowaniu energia latających odłamków skalnych przy odpaleniu małego ładunku.

MECHANIZM KRUSZENIA PRZEZ ODPALANIE MAŁYCH ŁADUNKÓW

Przy odpalaniu małych ładunków w skale wierci się krótki otwór, w otworze tym umieszcza się niewielką ilość materiału minerskiego, ładunek ten przybija się odpowiednim materiałem, takim jak piasek, muł, skała lub stalowy pręt, i inicjuje się ładunek. Gaz wytworzony przez ładunek może zainicjować powstanie i powodować rozchodzenie się nowych pęknięć lub powodować rozchodzenie się istniejących pęknięć, przez co urabia się niewielką objętość skały wokół wywierconego otworu. Zasadnicze elementy procesu odpalania małych ładunków są przedstawione na fig. 2.

Otwór może być wiercony w taki sposób, aby zapewnić, że pęknięcia będą się rozchodziły do końca, 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 krateru i krater ten będzie tworzyć dodatkowe swobodne powierzchnie. Obie te właściwości spowodują polepszenie wydajności kruszarki mechanicznej.

Alternatywnie otwór można wiercić głębiej w taki sposób, aby uniemożliwić rozchodzenie się pęknięć do powierzchni lub, jeśli pęknięcia sięgają do powierzchni, pozostaje niewielka energia gazu do przy- -16- spieszania odłamków oddzielonej skały. Sytuacja ta jest pokazana na fig. 4. W tym przypadku skała wokół wywierconego otworu będzie zawierać sieć pęknięć, które znacznie osłabią skałę i polepszą wydajność kruszarki mechanicznej. Dodatkowo pęknięcia, które doszły do powierzchni, będą dostępne dla mechanicznej kruszarki udarowej jako miejsca, gdzie skałę można podważać, rozsadzać klinem iub odłupywać. Główną przesłanką odpalania małych ładunków jest usuwanie małych objętości skały przy jednym odpaleniu przez szereg kolejnych odpaleń w odróżnieniu od epizodycznych konwencjonalnych operacji wiercenia i strzelania, które wymagają wiercenia układów wielu otworów, ładowania w te otwory ładunków wybuchowych, odpalania z synchronizacją każdego indywidualnego otworu, przewietrzania i usuwania urobku. Ilość skały usunięta przy jednym odpaleniu małego ładunku wynosi 0,5-3 m3, a odstęp czasowy pomiędzy odpaleniami wynosi typowo 2 minuty lub więcej.

Istnieje kilka sposobów realizacji odpalania małych ładunków. Bez ograniczenia obejmują one: 1. Wiercenie i strzelanie krótkiego otworu oraz stosowanie konwencjonalnych sposobów wiercenia i strzelania. Denna część otworu może zostać załadowana ładunkiem wybuchowym i przybita piaskiem i/lub skałą. Oparte jest to na istniejącej i znanej podstawowej praktyce wiercenia i strzelania. 2. Wiercenie i strzelanie krótkiego otworu z zastosowaniem technik odpalania amortyzowanego. Denna część otworu może być tu załadowana ładunkiem wybuchowym, który jest odsprzężony od skały i przybity piaskiem i/lub skałą. Jest to również oparte na istniejącej i dobrze znanej podstawowej praktyce wiercenia i odpalania. - 17- 3. Wykorzystywanie iniektora gazu do działania ciśnieniem na dno krótkiego wywierconego otworu, jak przedstawiono w patencie USA nr 5.098.163 z 24 marca 1992, zatytułowanym "Sposób kontrolowanego kruszenia i urządzenie do kruszenia twardych zwartych skał i materiałów betonowych". 4. Stosowanie bazującej na materiale miotającym metody z ładunkiem w otworze do działania ciśnieniem na dno krótkiego wywierconego otworu, jak opisano w patencie USA nr 5.308.149 z 3 maja 1994, zatytułowanym "Sposób bezwybuchowego wytwarzania ciśnienia w wywierconym otworze i urządzenie do kontrolowanej fragmentacji twardej, zwartej skały i betonu". 5. Stosowanie metody bazującej na materiale wybuchowym do działania ciśnieniem na dno krótkiego wywierconego otworu, jak przedstawiono w tymczasowym zgłoszeniu patentowym USA zatytułowanym "Sposób i urządzenie do kontrolowanego odstrzeliwania małymi ładunkami twardej skały i betonu przez wybuchowe działanie ciśnieniem na dno wywierconego otworu".

Korzystny sposób odpalania małych ładunków zależny będzie od typu formacji skalnej i od najlepszych wynikowych układów spękania, by osiągnąć optymalne działanie kruszarki mechanicznej.

MECHANIZM KRUSZENIA MECHANICZNEJ KRUSZARKI UDAROWEJ

Mechaniczna kruszarka udarowa doprowadza szereg uderzeń o dużej energii do przodka skalnego. Typową mechaniczną kruszarkę udarową pokazano na fig. 5. Energia poszczególnych uderzeń może wynosić od kilkuset do kilku tysięcy dżuli. Częstotliwość uderzeń może być od kilku uderzeń na sekundę do ponad stu uderzeń na sekundę. Każde uderzenie będzie wprowadzać impuls udarowy w skałę, który -18- odbije się od pobliskiej swobodnej powierzchni i spowoduje powstanie w skale naprężenia, by stworzyć 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 ostrego rozrzedzenia, tak że wzrost i spadek ciśnienia występuje w czasie, który jest krótki w porównaniu z czasem potrzebnym, by fala sejsmiczna przeszła przez objętość skały, na którą działa impuls. Mechanizmy te są przedstawione na fig. 6. Ten szereg uderzeń może również wytworzyć w skale układy naprężeń wibracyjnych, które mogą wspomagać kruszenie. Końcówka narzędzia kruszarki może być również używana do podważania lub klinowego rozsadzania skały przez wtłaczanie tej końcówki w częściowo otwarte pęknięcia.

MECHANIZM KRUSZENIA PRZY POŁĄCZENIU ODPALANIA MAŁEGO ŁADUNKU I MECHANICZNEJ KRUSZARKI UDAROWEJ

Jedno lub więcej odpaleń małych ładunków można spowodować w przodku skalnym, aby wytworzyć albo (1) sieć pęknięć podpowierzch-niowych; (2) dodatkowe swobodne powierzchnie; albo (3) ich połączenie. Przez wywołanie sieci pęknięć i dodatkowych swobodnych powierzchni odpalanie małych ładunków stwarza warunki niezbędne do skutecznej pracy mechanicznej kruszarki udarowej. W wielu przypadkach użycie 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 umieścić w wystarczająco dużej odległości, aby uniknąć sytuacji, gdzie ciśnienie wywołane w dnie następnego otworu nie może zostać przedwcześnie odprowadzone w poprzednio utworzone pęknięcia podpowierzchniowe, przez co zmniejsza się wydajność strzału. Sytuację tę można zredukować lub wyeliminować przez wiercenie krótszych otwo- - 19- rów w celu zapewnienia, że pęknięcia dojdą do powierzchni i skała jest całkowicie oddzielona. Prowadzi to jednak do sytuacji, gdzie znaczne ilości energii gazu mogą przyspieszać pokruszoną skałę, by pojawiły się latające odłamki skalne o energii wystarczającej do uszkodzenia sprzętu usytuowanego w pobliżu.

Jeżeli otwory na małe ładunki są wywiercone wystarczająco głęboko dla skruszenia skały wokół dna otworu bez odłączania skały (co jest równoważne ze zbyt słabym strzałem w otworze), wówczas mecha-^ niczną kruszarkę udarową można użyć do oddzielania skały bez nie bezpieczeństwa latających odłamków skalnych o dużej energii. W ten sposób przodek skalny można oczyścić z luźnych odłamków, a następne odpalenia małych ładunków mogą być usytuowane we właściwej skale, przez co zmniejsza się możliwość przedwczesnego uchodzenia ciśnienia wywołanego w dnie otworu. Użycie odpalania małych ładunków rozszerza zakres wytrzymałości skały, w którym kruszarka może skutecznie działać. Kruszarka może pomóc w wyeliminowaniu luźnej skały, która zmniejsza skuteczność odpalania małych ładunków i może pomóc w zabezpieczeniu przed wy-stąpieniem latających odłamków skalnych o dużej energii.

CZĘŚCI SKŁADOWE POŁĄCZONEGO SYSTEMU

Podstawowe części składowe systemu wynikającego z połączenia mechanicznej kruszarki udarowej i odpalania małych ładunków są następujące: • zespół wysięgnikowy i środek transportu • mechaniczna kruszarka udarowa • świder skalny • mechanizm odpalania małych ładunków • mechanizm przestawiania -20-

Podstawowe części składowe systemu są przedstawione schematycznie na fig. 7. Dalsze paragrafy opisują przewidywane właściwości różnych części składowych.

ZESPÓŁ WYSIĘGNIKOWY I ŚRODEK TRANSPORTU Środkiem transportu może być każdy standardowy górniczy lub budowlany środek transportu lub dowolny środek transportu o specjalnej konstrukcji do zamontowania zespołu wysięgnikowego lub zespołów wysięgnikowych. Mogą być zbudowane specjalne środki transportu do głębienia szybów, do robót wybierkowych, do wybierania wąskich żył i do operacji wojskowych.

Typowo potrzebne są dwa zespoły wysięgnikowe. Jeden służy do zamontowania mechanicznej kruszarki udarowej, a drugi jest wykorzystywany do zamontowania urządzenia do odpalania małych ładunków. Te zespoły wysięgnikowe mogą być złożone z dowolnego standardowego górniczego lub budowlanego wysięgnika przegubowego lub dowolnego wysięgnika zmodyfikowanego lub specjalnie dopasowanego. Zadaniem zespołu wysięgnikowego jest ustawienie i umieszczenie kruszarki i urządzenia do odpalania małych ładunków w żądanym położeniu. W przypadku urządzenia do odpalania małych ładunków zespół wysięgnikowy może być wykorzystywany do zamontowania zespołu przestawiania. Zespół przestawiania przytrzymuje zarówno świder skalny jak i mechanizm do odpalania małych ładunków i obraca się wokół osi u-stawionej zgodnie z mechanizmem świdra skalnego i mechanizmem do odpalania małych ładunków. Po wywierceniu przez świder skalny krótkiego otworu w przodku skalnym zespół przestawiania zostaje obrócony, by ustawić mechanizm odpalania małych ładunków w gotowości do wprowadzenia w wywiercony otwór. Zespół przestawiania powoduje, że niepotrzebne są oddzielne wysięgniki dla wiertła skalnego i mechanizmu -21 - odpalania małych ładunków. Masa wysięgnika i zespołu przestawiania służy również do zapewnienia masy odrzutu i stabilności dla świdra i mechanizmu odpalania małych ładunków.

MECHANICZNA KRUSZARKA UDAROWA

Mechaniczna kruszarka udarowa znana jest również jako młot hydrauliczny, młot hydrauliczny o dużej energii lub dłuto udarowe. Początkowo te mechaniczne kruszarki udarowe były napędzane pneumatycznie i używane głównie do rozbijania głazów narzutowych i do niszczenia konstrukcji betonowych. Następnie wprowadzono napęd hydrauliczny i zwiększeniu uległa zarówno energia uderzeń jak i częstotliwość uderzeń. Ponieważ zwiększyła się moc mechanicznych kruszarek udarowych, wprowadzono je do budownictwa podziemnego i do operacji górniczych, często w połączeniu z koparką podsiębierną do wybierania w miękkiej, pokruszonej skale. Postać mechanicznej kruszarki udarowej nazwaną dłutem udarowym opracowano w Południowej Afryce do operacji wybierkowych w kopalniach z wąskimi żyłami. Mechaniczna kruszarka udarowa jest typowo zamontowana na swym własnym zespole wysięgnikowym, który nadaje się do ustawienia kruszarki w żądanym położeniu i izolowania środka transportu od drgań powstających podczas działania. Mechaniczne kruszarki udarowe mogą również zawierać sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym, by zmniejszać energię uderzeń i częstotliwość w odpowiedzi na zmieniające się warunki w skale.

ŚWIDER SKALNY Świder ten złożony jest z silnika, stalowej żerdzi wiertniczej i koronki wiertniczej, przy czym silnik może być napędzany pneumatycznie lub hydraulicznie.

Korzystnym typem świdra jest świder udarowy, ponieważ świder udarowy tworzy mikropęknięcia przy dnie wierconego otworu, które -22- działają jako punkty inicjowania spękania przy dnie otworu. Mogą być również używane świdry obrotowe diamentowe lub inne mechaniczne.

Mogą być używane standardowe stalowe żerdzie wiertnicze, które mogą być skrócone, aby spełniać wymagania krótkiego otworu w procesie odpalania małych ładunków.

Do wiercenia otworów mogą być używane standardowe górnicze lub budowlane koronki wiertnicze. Można opracować udarowe koronki wiertnicze, które zwiększają mikropęknięcia. Wiercony otwór może mieć średnicę 1-20 cali (2,5-50 cm), a głębokości wynoszą typowo 3-15 średnic otworu.

Koronki wiertnicze do wykonywania schodkowego otworu dla ułatwienia wprowadzania mechanizmu odpalania małego ładunku mogą być złożone z koronki prowadzącej z koronką rozwiertakową o nieco większej średnicy, co stanowi standardową konfigurację koronek oferowaną przez producentów koronek do wierceń w skale. Koronki wiertnicze do wiercenia zwężającego się otworu przejściowego do łatwiejszego wprowadzania mechanizmu do odpalania małych ładunków mogą być złożone z koronki prowadzącej z koronką rozwiertakową o nieco większej średnicy. Koronka rozwiertakową i koronka prowadząca mogą być specjalnie zaprojektowane w celu utworzenia zwężającego się przejścia od większego otworu rozwierconego do mniejszego otworu prowadzącego.

MECHANIZM ODPALANIA MAŁYCH ŁADUNKÓW

Mechanizm odpalania małych ładunków może być złożony z następujących podsystemów: 1. magazynek nabojów 2. mechanizm ładowania nabojów 3. nabój 4. system zapłonu naboju 5. element do przybijania lub uszczelniania -23-

MAGAZYNEK NABOJÓW

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

MECHANIZM ŁADOWANIA NABOJÓW

Mechanizm ładujący jest standardowym urządzeniem mechanicznym, które pobiera nabój z magazynka i wprowadza go w wywiercony otwór. Opisany poniżej pręt przybitkowy może być wykorzystywany do realizowania części lub całości tego zadania.

Mechanizm ładujący będzie musiał dostarczyć nabój z magazynka do wywierconego otworu w czasie nie krótszym niż 10 sekund, a bardziej typowo w czasie 30 sekund lub dłuższym. Jest to ładowanie powolne w porównaniu z nowoczesnymi mechanizmami samoczynnego ładowania dział szybkostrzelnych i dlatego na nabój nie działają obciążenia powodowane przez duże przyspieszenie. Można stosować pewne odmiany wojskowych technik samoczynnego ładowania lub przemysłowych systemów manipulowania butelkami i pojemnikami.

Jedną odmianą jest pneumatyczny system przenośnikowy, w którym nabój jest przepychany przez sztywną lub giętką rurę przy różnicach ciśnienia rzędu 0,1 bar.

NABÓJ

Nabój jest to pojemnik na materiał minerski (wybuchowy lub miotający) i może być wykonany z pewnej liczby materiałów, obejmujących woskowany papier, tworzywo sztuczne, metal lub kombinację tych trzech materiałów. Zadaniem naboju jest: • działanie w charakterze pojemnika na stały lub ciekły materiał minerski -24- • służenie jako środek transportu materiału minerskiego z magazynka do miejsca urabiania • zabezpieczanie ładunku minerskiego podczas wprowadzania w wywiercony otwór • w razie konieczności służenie jako komora spalania materiału minerskiego • w razie konieczności tworzenie wewnętrznej objętości do kontrolowania ciśnień wytwarzanych przy dnie otworu • ochrona materiału minerskiego przed wodą w wilgotnym otworze • zapewnianie prętowi przybitkowemu izolacji od silnych przejściowych udarów wywołanych przez materiał minerski • utworzenie pomocniczego mechanizmu uszczelniającego dla gazów będących produktem spalania materiału minerskiego, gdy materiał minerski jest zużywany w wywierconym otworze.

SYSTEM ZAPŁONU NABOJU W przypadku, gdy materiał minerski złożony jest z materiału miotającego, można stosować standardowe lub nowe techniki inicjowania materiału miotającego. Obejmują one spłonki uderzeniowe, gdzie mechaniczny młotek lub iglica detonuje ładunek spłonki; zapalniki elektryczne, gdzie obwód wyładowania kondensatora wytwarza iskrę służącą do zdetonowania ładunku zapalnika; zapalniki termiczne, gdzie prąd z baterii lub wyładowanie kondensatora rozgrzewa drut żarowy; albo zapalnik optyczny, gdzie impuls laserowy inicjuje ładunek zapalnika wrażliwy na światło.

ELEMENT PRZYBITKOWY LUB USZCZELNIAJĄCY W omawianych tu sposobach z odpalaniem małych ładunków materiał minerski będzie umieszczony przy dnie krótkiego otworu, a gór- -25- na część wywierconego otworu będzie przybijana lub uszczelniana za pomocą dowolnego z kilku elementów zależnie od zastosowanego sposobu odpalania małego ładunku. Zadaniem elementu przybitkowego jest bezwładnościowe zamykanie gazów pod wysokim ciśnieniem, wytworzonych z materiału minerskiego, przy dnie otworu przez czas (typowo kilkaset mikrosekund do kilku milisekund) wystarczający, by spowodować spękanie skały. W przypadku wiercenia i strzelania krótkiego otworu i użycia konwencjonalnych technik wiercenia i strzelania denna część otworu może być ładowana ładunkiem wybuchowym i przybijana piaskiem i/lub skałą lub za pomocą bezwładnościowego pręta przybitkowego, jak opisano poniżej. W przypadku wiercenia i strzelania krótkiego otworu z zastosowaniem technik odpalania amortyzowanego denna część otworu może być ładowana ładunkiem wybuchowym, który jest odsprzężony od skały i przybity piaskiem i/lub skałą, albo za pomocą bezwładnościowego pręta przybitkowego, jak opisano poniżej. W przypadku iniektora gazu (patent USA nr 5.098.163) lub bazującego na materiale miotającym sposobu z ładunkiem w otworze (patent USA nr 5.308.149), albo sposobu bazującego na materiale wybuchowym (tymczasowe zgłoszenie patentowe USA zatytułowane "Sposób i urządzenie do kontrolowanego odstrzeliwania małymi ładunkami twardej skały lub betonu przez działanie ciśnieniem wybuchu na dno wywierconego otworu"), głównym sposobem zamykania gazów pod wysokim ciśnieniem przy dnie otworu aż do spękania skały jest stosowanie litego bezwładnościowego pręta przybitkowego, który blokuje wypływ gazu z wywierconego otworu za wyjątkiem drogi słabego uchodzenia pomiędzy prętem przybitkowym a ścianami wywierconego otworu. To słabe -26- uchodzenie może być dodatkowo zmniejszone przez właściwości konstrukcyjne naboju, zawierającego materiał minerski, oraz pręta przybit-kowego. Pręt przybitkowy może być wykonany ze stali o dużej wytrzymałości lub z innych materiałów, które łączą w sobie dużą gęstość i masę dla bezwładności, wytrzymałości na obciążenia spowodowane przez ciśnienie bez odkształcenia oraz odporność na kruche pękanie dla trwałości.

MECHANIZM PRZESTAWIANIA Świder wiertniczy i mechanizm odpalania małych ładunków są zamontowane na zespole przestawiania, który z kolei jest zamontowany na innym wysięgniku niż mechaniczna kruszarka udarowa. Zadaniem mechanizmu przestawiania jest umożliwienie wykonania otworu i następnie umożliwienie prawidłowego ustawienia mechanizmu odpalania małych ładunków i wprowadzenie go w wywiercony otwór. Typowy mechanizm przestawiania jest zilustrowany na fig. 8. Ten mechanizm przestawiania jest przymocowany do swego wysięgnika za pomocą połączeń hydraulicznych, które umożliwiają ustawianie tego mechanizmu przestawiania pod żądanymi kątami i z żądanymi odległościami od przodka skalnego. Mechanizm przestawiania najpierw umieszcza się tak, że świder skalny może wiercić krótki otwór w przodku skalnym. Następnie mechanizm przestawiania jest obracany wokół wspólnej osi świdra i mechanizmu odpalania małych ładunków tak, że ten mechanizm odpalania małych ładunków zostaje usytuowany zgodnie z wywierconym otworem. Następnie mechanizm odpalania małych ładunków zostaje wprowadzony w otwór i jest gotowy do strzelania.

ZASTOSOWANIA • drążenie tuneli • drążenie kawern -27- • drążenie szybów • eksploatacja sztolniowa w górnictwie • urabianie ścianowe • urabianie komorowe i filarowe • metody ustępliwe wybierania (wybieranie magazynowe, wybieranie z podsadzką i wybieranie wąskich żył) • wybieranie selektywne • wybieranie z wrąbem przyspągowym w przypadku wybierania z pionowym kraterem od granic do szybu (VCR) • wybieranie stropowe z zawałem i wybieranie magazynowe • wtórne kruszenie i zmniejszanie nadmiernego wymiaru • kopanie rowów • drążenie szybów nadsięwłomem • przecinanie skał • precyzyjne roboty strzałowe • burzenie • czyszczenie wyrobiska odkrywkowego • roboty strzałowe w wyrobisku odkrywkowym • kruszenie głazów narzutowych i wybieranie warstwami w kamieniołomach • budowanie stanowisk bojowych i schronów w skale • usuwanie przeszkód naturalnych i sztucznych dla ruchu wojsk

Szacunkowa wydajność produkcyjna 1 wyrażona w metrach sześciennych na godzinę urobionego zwartego materiału skalnego, jest przedstawiona w funkcji wytrzymałości skały 2 na ściskanie bez ograniczenia, wyrażonej w megapaskalach (MPa) na fig. 1. Działanie typowej mechanicznej kruszarki udarowej pokazano jako obszar zakreskowany -28- 2, który ilustruje, że mechaniczna kruszarka udarowa nie urabia skały, której wytrzymałość na ściskanie bez ograniczenia jest większa niż około 150 MPa. W obszarze zakreskowanym 2 pokazane są opublikowane dane punktowe 4. Działanie typowego procesu odpalania małych ładunków przedstawiono jako zakreskowany obszar 2, który ilustruje, że przez odpalanie małego ładunku można urabiać skałę w całym zakresie wytrzymałości na ściskanie bez ograniczenia typowym dla przemysłowego urabiania skały. W zakreskowanym obszarze 5 przedstawiono opublikowane dane punktowe 2. Działanie połączenia procesu odpalania małych ładunków z mechaniczną kruszarką udarową przedstawiono jako zakreskowany na krzyż obszar I, który pokazuje, że takie łączne stosowanie umożliwia wydajniejsze urabianie niż suma tych dwóch sposobów działających oddzielnie. Doświadczalnie określone dane punktowe 2 pokazano w zakreskowanym na krzyż obszarze Z.

Elementy systemu z odpalaniem małych ładunków przedstawiono na fig. 2. Krótki otwór 9 jest wiercony w przodku skalnym 10 za pomocą świdra skalnego. Wywiercony otwór 2 może mieć schodkową zmianę 11 średnicy, którą można uzyskać przez połączenie koronki rozwiertakowej z prowadzącą koronką wiertniczą. Ta stopniowana średnica H może służyć do ograniczenia maksymalnej drogi elementu wprowadzającego nabój lub też może być wykorzystywana do pomocy w uszczelnianiu gazów powstających przy dnie 12 otworu. Nabój 12 umieszcza się przy dnie 12 otworu. Ten nabój 12 zawiera ładunek materiału minerskiego 14. Spalanie materiału minerskiego 14 jest inicjowane przez element zapłonowy 12, który jest sterowany zdalnie poprzez elektryczny lub optyczny przewód łączący 12, który przechodzi przez pręt przybitkowy 17. Pręt przybitkowy 17 jest używany do bezwładnościowego zamknięcia gazów pod wysokim ciśnieniem wytworzonych przy dnie 12 otworu po zapaleniu -29- materiału minerskiego 14- Pręt przybitkowy IZ może również spełniać zadanie uszczelniania, by uniemożliwić uchodzenie gazów pod wysokim ciśnieniem z dna 12 otworu w czasie potrzebnym do powstania pierwotnych pęknięć 12 i resztkowych pęknięć 19 w skale 2Q wokół dna 12 otworu.

Fig. 3 ilustruje cały proces fragmentacji skały dla odpalenia małego ładunku, w którym został wywiercony stosunkowo krótki otwór, a strzał był zbyt silny. Otwór wywiercono w przodku skalnym 21· Dno wywierconego otworu 22 może pojawić się w środku dna urobionego krateru 22. Pokruszona skała 24 została wyrzucona z dużą energią z krateru pod przyspieszającym działaniem gazów wytworzonych z materiału minerskiego. W skale 22 pod ścianami krateru pozostają resztkowe pęknięcia 25-

Fig. 4 przedstawia ogólnie proces fragmentacji skały w przypadku odpalenia małego ładunku, w którym wywiercono stosunkowo głęboki otwór, a strzał był zbyt słaby. Otwory 2Z i 25 zostały wywiercone w przodku skalnym 25. Skała nie została oddzielona przez odpalenie małych ładunków, ale w skale 22 powstały pierwotne pęknięcia 30 i resztkowe pęknięcia 31- Tworzą one podpowierzchniową sieć pęknięć, które osłabiły całą strukturę skały. Skałę tę łatwiej będzie można odłamać albo przez dalsze odpalenia małych ładunków, albo za pomocą mechanicznej kruszarki udarowej.

Typowa nowoczesna mechaniczna kruszarka udarowa pokazana jest na fig. 5. Obudowa 22 mechanicznej kruszarki udarowej jest przymocowana do przegubowego zespołu wysięgnikowego 24, który jest z kolei przymocowany do środka transportu 25· Końcówka narzędziowa 25 jest napędzana przez hydrauliczny mechanizm tłokowy wewnątrz obudowy 22 kruszarki. Środek transportu 25 przemieszcza kruszarkę 22 -30- w pobliże przodka roboczego, a wysięgnik 24 ustawia kruszarkę 32 tak, że końcówka narzędziowa 25 może działać na przodek skalny.

Fig. 6 przedstawia podstawowy mechanizm kruszenia mechanicznej kruszarki udarowej. Końcówka narzędziowa 2Z pokazana jest w chwili uderzenia w przodek skalny 25. Przodek skalny 25 zawiera uprzednio istniejące pęknięcie 25. Po lewej stronie przodka skalnego jest usytuowana pobliska swobodna powierzchnia 45. Impuls udarowy wytworzony przez uderzenie końcówką narzędziową 2Z rozchodzi się i odbija jako fala rozciągająca od powierzchni uprzednio istniejącego pęknięcia 25, tworząc obszar naprężeń 41 w skale, w którym inicjowane będzie dodatkowe pękanie. Ten impuls udarowy rozchodzi się również i odbija jako fala rozciągająca od swobodnej powierzchni 45, tworząc drugi obszar naprężeń 42 w skale, w którym będzie inicjowane dodatkowe pękanie. Po powtórnych uderzeniach końcówką narzędziową 22 pęknięcia zainicjowane w obszarach 41 i 42 połączą się i spowodują odłączenie masy skalnej przedstawionej przez obszar 43.

System urabiania skały oparty na połączonym użyciu systemu odpalania małych ładunków i mechanicznej kruszarki udarowej przedstawiono na fig. 7. Do ruchomego środka transportu 45 przymocowano dwa przegubowe zespoły wysięgnikowe 44 i 45· Zespół wysięgnikowy 44 ma zamontowaną na nim mechaniczną kruszarkę udarową 4Z- Zespół wysięgnikowy 45 ma zamontowane na nim urządzenie 45 do odpalania małych ładunków. Jako ewentualne wyposażenie dodatkowe przedstawiono przystawkę podsiębierną 45 do przemieszczania odłamanej skały z przodka na system przenośnikowy 25, który odprowadza odłamaną skałę do systemu transportowego (nie pokazano).

Typowy mechanizm przestawiania dla urządzenia do odpalania małych ładunków pokazano na fig. 8. Ten mechanizm przestawiania 21 -31 - łączy urządzenie 52 do odpalania małych ładunków z przegubowym wysięgnikiem 52. Na mechaniźmie przestawiania 51 zamontowane są świder skalny 51 i mechanizm 52 do wprowadzania małych ładunków. Wysięgnik 52 ustawia zespół przestawiania przy przodku skalnym tak, że świder skalny 51 może wiercić krótki otwór (nie pokazano) w przodku skalnym (również nie pokazano). Po wyciągnięciu świdra skalnego 51 z otworu mechanizm przestawiania 51 zostaje obrócony wokół swej osi 52 przez mechanizm hydrauliczny 5Z tak, aby ustawić mechanizm 52 wprowadzania małego ładunku zgodnie z osią wywierconego otworu. Mechanizm 52 wprowadzania małego ładunku jest następnie wprowadzany w wywiercony otwór i mały ładunek jest gotowy do odpalenia.

Chociaż opisano szczegółowo różne przykłady realizacji przedmiotowego wynalazku jest oczywiste, że fachowcom nasuną się modyfikacje i dostosowania tych rozwiązań. Należy jednak wyraźnie podkreślić, że takie modyfikacje i dostosowania są objęte duchem i zakresem przedmiotowego wynalazku zgodnie z następującymi zastrzeżeniami patentowymi.

Claims (11)

1. 324882 2722/98 7 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób kontrolowanej fragmentacji twardego materiału, zawierający: (a) uwalnianie gazu przy dnie otworu usytuowanego w swobodnej powierzchni twardego materiału; (b) uszczelnienie gazu przy dnie otworu, aby działać ciśnieniem na dno otworu i spowodować rozchodzenie się pęknięcia od dna otworu, tworząc przez to pokruszoną część twardego materiału, którego część jest odsłonięta w swobodnej powierzchni otaczającej otwór; oraz (c) uderzanie w pokruszoną część odsłoniętą przy swobodnej powierzchni za pomocą kruszarki udarowej, aby oddzielić materiał w popękanej części od swobodnej powierzchni.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, w którym otwór ma pewną średnicę i głębokość od swobodnej powierzchni wynoszącą 3-15 średnic otworu.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, w którym pokruszona część ma pewną objętość, a przy urabianiu podziemnym objętość ta wynosi 0,3-10 m3 zwartego materiału, zaś przy urabianiu odkrywkowym objętość ta wynosi 10-100 m3 zwartego materiału.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, w którym gaz jest wytwarzany przez materiał wybuchowy i/lub miotający, a ilość jednego z tych materiałów -2- wynosi 0,15-0,5 kg przy urabianiu podziemnym i 1-3 kg przy urabianiu odkrywkowym.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, w którym kruszarka udarowa uderza w pokruszoną część z energią uderzenia wynoszącą 0,5-500 kJ.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, zawierający ponadto: (d) powtarzanie etapu (c) według potrzeb, aby oddzielić pokruszoną część od swobodnej powierzchni.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, w którym częstotliwość uderzeń kruszarki udarowej wynosi 1-200 uderzeń na sekundę.
8. 8. Sposób kontrolowanej fragmentacji twardego materiału, zawierający: (a) doprowadzanie gazu do dna otworu usytuowanego w swobodnej powierzchni twardego materiału; (b) uszczelnienie gazu przy dnie otworu, aby działać ciśnieniem na dno otworu i powodować rozchodzenie się pęknięcia od dna otworu, tworząc przez to pokruszoną część twardego materiału w swobodnej powierzchni otaczającej otwór; oraz (c) uderzanie w pokruszoną część, odsłoniętą przy swobodnej powierzchni, tępym przedmiotem, aby oddzielić materiał w pokruszonej części od tej swobodnej powierzchni, gdzie ten tępy przedmiot styka się ze swobodną powierzchnią z energią uderzenia co najmniej około 0,5 kJ i z częstotliwością uderzeń co najmniej około 1 uderzenie na sekundę.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, w którym obszar styku tępego przedmiotu z pokruszoną częścią wynosi 500-20000 mm2.
10. 10. Sposób kontrolowanej fragmentacji twardego materiału, zawierający: -3- (a) doprowadzanie gazu do dna otworu usytuowanego w swobodnej powierzchni twardego materiału; (b) uszczelnianie gazu przy dnie otworu, aby działać ciśnieniem na dno otworu i powodować rozchodzenie się pęknięcia od dna otworu, tworząc przez to pokruszoną część twardego materiału w swobodnej powierzchni otaczającej otwór; oraz (c) uderzanie w pokruszoną część, odsłoniętą przy swobodnej powierzchni, za pomocą mechanicznej kruszarki udarowej, by oddzielić materiał w pokruszonej części od swobodnej powierzchni, gdzie mechaniczna kruszarka udarowa styka się ze swobodną powierzchnią z energią uderzenia przynajmniej około 0,5 kJ.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, w którym częstotliwość uderzeń