Способ разупрочнения горной массы

 

Сущность изобретения заключается в том, что горную массу размещают 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 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. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4839207/03 (22) 21.02,90 (46) 07.02.93, Бюл, ¹ 5 (75) А.B,Áàêóëèí и В.Н.Бакулин (7.3) А. В, Бакулин (56) Щербак H.È, Исследование механических свойств пропитанных горных пород растворами ПАВ при высоких скоростях нагружения. — ФТПРПИ, 1983, ¹ 5, с, 11 — 16.

Sadler LY, CLaag С. Химический метод увеличения проницаемости угольного пласта, 1988, 12, ¹ 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 видах строительства с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации при высоких PT-параметрах.

Известен способ разупрочнения горных пород, включающий предварительную обработку горных пород поверхностно-актив-. ными веществами (ПАВ) с последующим механическим разрушением взрывом или буровыми работами (Щербак Н.И, Исследование механических свойств пропитанных горных пород растворами ПАВ при высоких скоростях нагружения, — ФТПРПИ, № 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

«,. Ж,, 1794186 АЗ 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 механического 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. полностью зависит от трещиноватости и геомеханических свойств залегания пород в массиве.

Известен также способ разупрочнения горной массы, включающий обработку горной массы разупрочняющими растворами при воздействии на нее ультразвуковыми колебаниями до увеличения проницаемости (пол реш. СССР № 4696752/03 от 18.04.89

"Способ регионального увлажнения угольных пластов").

Известный способ не использует эффекты кавитации для управления состоянием и свойствами руд и вмещающих пород для их разупрочнения и повышения эффективности способа за счет снижения энергоемкости процесса.

Цель изобретения — эффективное разупрочнение горной массы на стадии, рудоподготов ки, 1794186

Поставленная цель достигается тем, что горную массу помещают в полость, ось которой наклонена к поверхности земли, после чего производят ультразвуковую обработку в диапазоне 1 — 10 кГц после увеличения проницаемости горной массы и заполнения ее пор и трещин производят слив из полости раэупрочняющего 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.

Источники ультразвуковых колебаний размещают под днищем полости на расстоянии друг от друга 3-5 длин волн и осуществляют синхронизацию их работы при неизменных контактных условиях, Предварительно измеряют пределы механической прочности горной породы на растяжение, а амплитуду давления в знакопеременной упругой волне изменяют от минимального значенйя до значения, равного

0,9-1,5 предела прочности на растяжение.

B разупрочняющий раствор добавляют

1-2 твердых частиц с размерами 101102 мм;

В качестве разупрочняющих растворов в горную массу заливают воду при температуре 8 -90 С с добавкой 6-97 ПАВ, причем сначала нагнетают воду, а затем ПАВ.

В качестве разупрочняющего раствора в горную массу нагнетают водный раствор додецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3 .

В качестве разупрочняющего раствора в горную массу нагнетают 1 ф,-ный раствор карбамида совместно с 2 Д-ным раствором сульфосалициловой кислоты, Полость с размещенной в ней горной массой герметизируют и создают в ней избыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания сжатого инертного газа, Размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия — основной частоты, излучаемой в горную массу, причем длинуднища, ее поперечный размер и высоту выбирают из соотношений

1 = (10-18) Яр, т- (2 — 3) Яр, и - (1,0-1,6) Лр, где L — длина днища; t — ee поперечный размер;

h — высота днища:

Ар — длина волны, излучаемая преобразователем колебаний.

Энергию выделяющуюся при схлопывании кавитационного пузырька определяют из соотношения

Е = Pp л Й 4/3, где Pp — начальное давление обусловленное

10 весом столба горной массы, кг/см; R — раз2, мер кавитационного пузырька, мм, Время схлопывания кавитационного пузырька определяют из соотношения тсхлопывания

= Вмин

t1+ — (4 — 1)l+

+ 1(4 1)2

20 где g Rp/PMuH, . Рмакс = 0 (Rp/Rìèí) " — максимальное давление развиваемое кавитирующим пузырьком;

0-давление газа в пузырьке радиусом

В=Во; у — показатель адиабаты;

Rp — 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

35 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

40 тонкодисперсный материал, в качестве которого используют графит, сажу, кварц, измельченные до размеров 0,03 — 0,15 мм при соотношении, мас.,(,:

Раствор 95-96

Твердый материал 4 — 5

На 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 возбужде50 ния 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

55 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

ЭУ-5 или ЭУ-7, 20 — электронный пульт уп1794186

15

35

40 равления для управления работой группы виброисточников, На фиг, 3 приведена схема возбуждения колебаний лучом лазера 22 в растворе 21 полости 3, 23 — пульт синхронизации, 5

Способ осуществляют следующим образом. Из бункера 1 горную массу 2 через задвижку 7 наполняют полость 3 горной массой 4. На днище полости устанавливают ультразвуковые преобразователи 5, последовательно соединенные с входом генератора 6. Через эмульгатор 17 заполняют полость 3 разупрочняющими растворами, в качестве которого используют воду при температуре 80-90 С с добавкой 6 — 9 ф, ПАВ, причем вначале нагнетают воду. а затем

ПАВ. Оси преобразователей ориентируют в направлении наибольшей оси днища, Для получения максимального КПД передачи энергии ультразвуковых преобразователей в горную массу акустические сопротивления материала контактной поверхности и материала днища полости выполняют одинаковыми. Преобразователи размещают на удалении друг от друга 3-5 длин волн основ- 2 ной частоты, излучаемой в горную массу.

При скорости р -волн в горной массе, равной 600-900 м/с и частотах 1-10 к Гц, длины волн равны соответственно 0,6 и 0,9 м, т.е, на удалении 3 — 5 длин волн это 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 пористости и трещиноватости. При синхронной работе группы преобразователей амплитуду их колебаний медленно поднимают от минимального до максимального .уровня, определяемого уровнем достижения в гор- 4 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 5 диапазоне 1-10 кГц, изменяют напряженно-деформированное .состояние в навале горной массы в полости и вибровоздействия производят в несколько этапов.

Вначале горную массу приводят в воз- 5 бужденное состояние в диапазоне 1-10 кГц в совокупности нагнетанием разупрочняющих растворов, например, горячей воды и

ПАВ, и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором напряжения сжатия в горной массе сменят напряжения растяжения — в этом случае достигается onтимальная 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 захлопывании 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 — 2,4 твердых частиц с размерами 10 1 — 10 2 мм, причем в качестве разупрочняющих раствор используют либо воду при температуре 80-90 С с добавкой

6 — 9% ПАВ, причем сначала нагнетают горячую воду, а затем ПАВ, либо 1 Д-ный раствор карбамида совместно с 2 -ным раствором сульфосалициловой кислоты, Полость герметизируют и создают в ней избыточное давление в пределах 2-6 атм путем нагнетания инертного сжатого газа и управляют степенью развития и характером протекания процесса кавитации варьированием газосодержания в раэупрочняющем растворе с учетом гидростатического давления столба горной массы в полости, причем предварительно измеряют пределы механической прочности пород и руд на разрыв, а амплитуду давления в знакопеременной упругой волне измеряют от минимального до значения, равного 0,9-1,5 предела прочности на разрыв, что позволяет эффективно заполнять поры и трещины руд и вмещающих пород разупрочняющими растворами и снижать их прочность от 20 до 40ОД.

Для увеличения проницаемости руд и вмещающих пород нагнетают В них водный раствор додецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3 Д в совокупности с нагнетанием расклинивающих агентов, представляющих собой тонкодисперсную среду, например сажу, графит, кварц, измельченных до размеров 0,03-0,15 мм при соотношении, мэс,%:.

Твердый материал 4 — 5

Раствор 95-96

Размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия — основной частоты, излучаемой в горную массу.

1794186

30

50

Таким образом, горная масса на стадии рудоподготовки обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок в совокупности с нагнетанием в поры и трещины руд и вмещающих пород разупроч- 5 няющих раствором и расклинивающих агентов, что снижает прочность руд и пород от

20 до 407;, 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 частот Гц-кГц-мГц. Миграция флюидов в порах и трещйнах сопровождается изменением порового давления и, как следствие, изменением прочностных свойств пород, окружающих зти поры и трещины, т.е. на пути мигрирующих флюидов имеет место пере- 3 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 ультразвуковыми колебаниями до увеличения проницаемости, отличающийся 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 импульса с 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) рээупрочняющими 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 снижения прочности руд и пород от 20 до 40%;

4) повышают эффективность способа за счет эффектов кэвитации и упругого миграционного геоэффекта и увеличивают производительность примерно ва порядок. нения ее пор и трещин производят слив из полости раэупрочняющего 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 пои. 1, отл и ч а ю щи и с я тем, что источник ультразвуковых колебаний размещают под днищем полости на рас1794186

10 стоянии друг от друга 2 — 5 длин волн и осуществляют синхронизацию их работы при неизменных контактных условиях.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно измеряют пределы 5 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 10 растяжение.

4. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в разупрочняющий раствор добавляют 1-2 твердых частиц с размерами

10 1 — 10 мм. 15

5, Способ по п.1, отличающийся . 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, 20

6. Способ по и, 1, отличающийся тем, что в качестве разупрочнения раствора в горную массу нагнетают водный раствор додецилсульфата натрия с добавкой ПАВ в количестве 3 . 25

7, Способ по и 1, отличающийся тем, что B качестве разупрочняющего раствора в горную массу нагнетают 1%-ный раствор карбамида совместно с 2 -ным раствором сульфосалициловой кислоты. 30

8. Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и 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. 35

9, Способ по и. 1, отличающийся тем, что размеры полости для размещения в ней горной массы выбирают исходя из условий волнового подобия — основной частоты, излучаемой в горную массу, причем 40 длину днища полости, ее поперечный размер и высоту выбирают иэ соотношений = (10-18) Л„; т = (2-3) Яр, R = (1,0-1,6)Л, 45 где L — длина днища полости, t — ее поперечный размер; h— - ее высота; Я вЂ” длина волны, излучаемая преобразователем колебаний, 10, Способ по и, 1, отличающийся тем, что энергию, выделяющуюся при схлопывании кавитационного пузырька, определяют иэ соотношения

Е=Ро кФ 4/3, где Ро — начальное давление, обусловленное весом горной массы, кг/см; R — размер кавитационного пузырька, мм.

11. Способ по и, 1, отличающийся тем, что время схлопывания кавитационного пузырька тс» определяют из соотношения

tcxh = (1 + — (4 — 1 ))+

= Вмин

+ +— (4 — 1)

5 где (= Ro/Рн, Рл акс Q (Ro/Rìèí) "— максимальное давление, развиваемое кавитирующим пузырьком;

Q — давление газа в пузырьке с радиусом В=Ко; у — указатель адиабаты;

Ro — максимальный радиус пузырька в . начальный момент схлопывания; р — плотность раствора.

12, Способ по и. и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что управляют степенью развития, характером ее протекания процессом кавитации, варьированием газосодержания в раэупрочняющем растворе и гидростатическим давлением столба горной массы в полости, 13;Способ по и. 1, отл и ч а ю щи и -с я тем, .что для увеличения проницаемости пород и руд в горной массе нагнетают в совокупности с раэупрочняющим раствором расклинивающие агенты, представляющие собой тонкодисперсный материал, в качестве которого используют графит, сажу, кварц, измельченные до размеров 0,030,15 мм при соотношении, мас, :

Раствор— 95-96;

Твердый материал — . 4 — 5, 1794186

Составитель А.Бакулин

Техред М.Моргентал

Редактор Б.Федотов

Корректор 3.Салко

Заказ 529 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101