1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28589
(51) E21C 37/04 (2006.01)
E21C 37/10 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0654.1
(22) 17.05.2013
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(72) Помашев Онал Парманкулович; Сарыбаев
Мадияр Абдуллаевич; Баймаханов Галымбек
Акбергенович; Нурлыбаев Рымбек Орынбасарович
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Казахский
национальный технический университет им.
К.И. Сатпаева" Министерства образования и науки
Республики Казахстан
(56) Сарыбаев М.А., Помашев О.П.,
Молдабаева Г.Ж. Об отрыве плит из однородного
камня эластичными тороидальными
гидроразрывателями в параллельных скважинах
вдоль прямой. Сб. «Научно-техническое
обеспечение горного производства», им.
Д.А.Конаева, НАН, том 80, Алматы, 2010, с.100-104.
Инновационный патент РК №25281, кл. В65Н
19/30, 20.12.2011
(54) СПОСОБ РАЗРАБОТКИ
СТРОИТЕЛЬНОГО КАМНЯ И УСТРОЙСТВО
ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(57) Изобретение относится к горному делу и
строительству и может быть использовано для
раскалывания строительного камня и разрушения
скальных пород высоким давлением, создаваемым
жидкостью в эластичной тороидальной оболочке
устройства, помещенной в скважине.
Сущность применения скважинного
гидроразрывателя для разработки строительного
камня заключается в том, что расширяется область
применения устройства за счет возможности
создания больших регулируемых разрушающих
усилий на породу через стенки скважины.
Задача решается тем, что применяется
устройство - скважинный гидроразрыватель горных
пород в скважинах. Важные элементы,
присутствующие в конструкции устройства,
которыми являются: упругая эластичная
тороидальная камера, с длиной равной глубине
скважины, обеспечивающая высокую и надежную
герметичность в рабочем объеме; концевые
торцевые сменные круглой формы толстые плоские
эластичные и металлические прокладки-шайбы и
гайки, стягивающие их, обеспечивают работу
устройства. Тесное взаимодействие деталей и узлов
устройства обеспечивают плотное закрытие устья
скважины, что обуславливает, в конечном счете,
обеспечение высокого разрывающего давления в
рабочем объеме гидроразрывателя. Основными
достоинствами устройства примененного в качестве
скважинного гидроразрывателя являются высокая
герметичность его упругой оболочки тора, высокое
давление создаваемое на стенки скважины,
надежность в работе, а также возможность его
многоразового использования при разрушении
скальных пород. Перечисленные достоинства
скважинного гидроразрывателя позволяют
применять это устройство и осуществлять способ
разработки строительного камня.
(19)KZ(13)A4(11)28589

2. 28589
2
Предлагаемый способ разработки строительного
камня и устройство для его осуществления
относится к горному делу и строительству и может
быть использовано для разрушения скальных пород
(строительного камня) и бетона высоким давлением,
создаваемым гидроразрывателем в скважине.
Известен способ разработки полускальных и
скальных грунтов с коэффициентом крепости,
равным или более 2, который осуществляется
буровзрывным методом. Эффективность проходки
выработок определяется правильным выбором
параметров буровзрывных работ, к которым
относятся: взрывчатые вещества (ВВ) и средства
взрывания (СВ), количество и диаметр шпуров,
схема их расположения в забое и конструкция
зарядов. [Фролов Ю.С. Проектирование тоннелей
сооружаемых горным способом. Л., 1983, с.25].
Этот способ предназначен только для
эффективного дробления отбиваемой горной
породы, поэтому его применять для разработки
месторождения строительного камня невозможно.
Способ не позволяет получить крупные плиты,
например, дорогого строительного камня с малыми
отходами на непригодные куски. При проведении
способа наблюдается переборы от проектного
параметра, а также сильные ослабляющие
сейсмические воздействия взрывов на окружающий
массив горных пород.
Известен следующий способ добывания твердых
полезных ископаемых разрушением механическим и
взрывом. Понятие «разрушение горных пород при
добывании» включает в себя отделение их от
породного массива (отбойка), дробление до кусков
таких размеров, какие отвечает требованиям
последующей погрузки, транспортировки и
переработки или прямого практического
использования добытого полезного ископаемого.
Автор монографии предлагает именовать
разрушение, которое рассмотрено в книге
«мелкомасштабным разрушением в поверхностном
слое» [Барон Л.И. Горнотехнологическое
породоведение. Предмет и способы исследований.
Изд-во «Наука», М:, 1977, с.119-216].
Изложенный способ добычи полезных
ископаемых, в особенности применительно к
отрыву от дорогих строительных залежей довольно
толстых плит с примерно параллельными
поверхностями отрыва от массива и имеющих
значительные площади поверхностей отрыва,
вообще невозможно использовать. Взрывы при
разработке строительных камней нельзя применять,
а методы откалывающего характера разработки
строительных материалов крупными блоками в
монографии вовсе не освещены.
Наиболее близким к заявленному способу
разработки строительного камня и устройству для
его осуществления относится метод разработки
бурением скважин диаметром d на расстоянии L
друг от друга. Скважины бурятся на глубину h -
равную длине применяемого гидроразрывателя,
внутри которого создается давление Р. Далее в
способе изложены теоретические выкладки отрыва
строительных камней [Сарыбаев М.А.,
Помашев О.П., Молдабаева Г.Ж. Об отрыве плит из
однородного камня эластичными тороидальными
гидроразрывателями в параллельных скважинах
вдоль прямой. Сб. «Научно-техническое
обеспечение горного производства», труды ИГД им.
Д.А. Конаева, НАН, том 80, Алматы, 2010, с.100-
104].
Этот способ разработки строительного камня,
изложенный в приведенном источнике, содержит
ряд положительных высказываний, но при
неразработанности скважинного устройства
(гидроразрывателя), осуществляющего способ по
добыче строительного камня, не годится для
прямого использования. Техническим результатом,
достигаемым при использовании предлагаемого
изобретения является разработка залежи
строительного камня с малыми потерями
раскалыванием материала толстыми слоями и
значительными поверхностями обнажения.
Результат достигается тем, что в способе
разработки строительного камня, включающем
бурение скважин друг от друга на расчетных
расстояниях, глубиной h соответствующей длине
упругой эластичной тороидальной камеры -
гидроразрывателя, вставляемой в каждую скважину
для создания в ней давления Р, рассчитывают
межскважинные расстояния по прочности породы
на растяжение σР, скважин бурят только
необходимое расчетное количество, эластичные
тороидальные камеры обеспечивают осевым
стержнем с резьбой на концах, на которые
насаживают вначале на торцы тороидальной камеры
толстые эластичные защитные прокладки (шайбы) и
их затем прижимают к камере металлическими
шайбами и гайками, причем забойную шайбу
готовят с диаметром проходящим по скважине,
устьевую шайбу изготавливают с диаметром
большим диаметра скважины для плотного
закрытия устья скважин, а также устьевой конец
стержня обеспечивают осевым каналом и
патрубком, сообщающимся с внутренней полостью
тороидальной камеры и общим гидропроводом,
которым объединяют все гидроразрыватели в
скважинах. Через общий гидропровод и патрубки
камер, в тороидальные камеры насосом закачивают
рабочую жидкость, создают в них давление Р и
отрывают плиту строительного камня от массива.
На фиг.1 приведена схема бурения вдоль линии
АВ, на глубину h параллельных друг другу скважин
в блоке строительного камня, из которого плиты
откалываются с конкретной толщиной.
На фиг.2 приведена схема пробуренных в ряду и
параллельных скважин в строительном камне 1. На
фигуре показан вертикальный разрез проведенный
вдоль линии расположения параллельных скважин.
Показан разрез гидроразрывателя, имеющий длину
h, равную глубине скважин; стержень 2
гидроразрывателя; упругая тороидальная камера 3;
защитные торцевые упругие эластичные шайбы 4;
забойная 5 и устьевая 6-металические шайбы; гайки
7, заворачиваемые на концы стержня 2 и
прижимающие шайбы 4 через металлические
прокладки 5 и 6. Через осевые каналы 9 в стержнях

3. 28589
3
2 гидроразрывателей внутренние объемы
тороидальных камер 3 в скважинах сообщаются
между собой объединяющей трубкой 8. Через
гидропровод 8 насос закачивает рабочую жидкость
во все тороидальные камеры и создает в них
одинаковое давление. Р, отрывающее плиту камня
от массива.
Способ разработки строительного камня
осуществляется следующим образом. При
различных разновидностях разрабатываемых
материалов рассчитывают оптимальное расстояние
L между скважинами, используя значение давления
Р, создаваемого в скважине гидроразрывателем и
прочность разрываемого камня σР на растяжение.
Для расчетов на фиг.1 и 2 приведены параметры
бурения скважин: L- расстояния между осями
скважин; d-диаметры скважин; h-глубина бурения
скважин, равная длине гидроразрывателя,
приведенного на фиг.2 и 3; давление создаваемое
рабочей жидкостью в камерах (скважинах) равно Р.
Для расчета используют расположение двух
соседних гидроразрывателей, которые отрывают все
частицы камня друг от друга, расположенные вдоль
всей поверхности площади
S=(L-d)·h (1)
Одна половина этой поверхность приходится на
усилие одного гидроразрывателя, а вторая - на
усилие второго такого же гидроразрывателя.
При отрыве плиты давление в гидроразрывателе
считают равным Р. Тогда величину разрывающей
силы Fpaз со стороны одного гидроразрывателя
рассчитывают по формуле.
Fраз=P·dh (2)
Поверхность отрыва S по формуле (1) образуется
под действием силы, рассчитываемой по (2). Таким
образом, предельный (случай) момент отрыва от
массива плиты выражают формулой
σР(L-d)·h=P·dh (3)
где σР - предел прочности разрываемого камня на
растяжение, МПа.
После сокращений формулу (3) записывают в
виде
d
dL
PилиdPdL P
Р
)(
)(
−
=⋅=−
δ
σ (4)
Из практики известно, что горные породы -
строительные камни имеют пределы прочности σР, в
основным от 1 до 20 МПа. Используя эти пределы
прочности каменных материалов, можно
рассчитывать по формуле (4) давление Р, которое
необходимо создавать внутри скважин для полного
отрыва плиты камня по линии АВ расположения
параллельных друг другу скважин. Таким образом,
во все скважины в ряду вставляют
гидроразрыватели, создают в них давление Рраз,
достаточные для отрыва плиты строительного
камня. Приблизительное значение Рраз
рассчитывают по вышеприведенной схеме, если
известно заранее предел прочности камня на
одноосное растяжение.
На фиг.1 показана схема бурения вертикальных
параллельных между собой и вдоль одной
плоскости, лежащей вдоль прямой АВ, скважин
глубиной h. Расстояние между осями скважин -
расчетные и составляют L, а скважины пробурены
диаметром равным d.
На фиг.2 показана та же схема бурения скважин,
как на фиг.1, но показан вертикальный разрез одной
из скважины, в которой размещен гидроразрыватель
и отражены его детали и сообщающий все
гидроразрыватели гидропровод. Обозначения на
фиг.2: 1-добываемый строительный камень; 2-
осевой стержень гидроразрывателя с резьбой на
концах; 3-тороидальная эластичная камера; 4-
упругие эластичные толстые защитные шайбы; 5 и 6
металлические жесткие шайбы-прокладки для
плотного закрывания одновременно торцов
тороидальной камеры и скважины; 7-
заворачиваемая на концы осевого стержня стяжная
гайка; 8 -сообщающаяся трубка с внутренностями
тороидальных камер гидроразрывателей в
скважинах.
Способ разработки строительного камня,
включающее бурения скважин друг от друга на
расчетных расстояниях, глубиной h
соответствующей длине упругой эластичной
тороидальной камеры-гидроразрывателя,
вставляемого в каждую скважину для создания в
ней давления Р, рассчитывают межскважинные
расстояния по прочности породы на растяжение σР,
скважин бурят только необходимое расчетное
количество, эластичные тороидальные камеры
обеспечивают осевым стержнем с резьбой на
концах, на которые насаживают вначале на торцы
тороидальной камеры толстые эластичные
защитные прокладки - шайбы и их затем
прижимают к камере металлическими прокладками
- шайбами и гайками, причем забойную прокладку-
шайбу готовят с диаметром, проходящим по
скважине, устьевую прокладку-шайбу
изготавливают с диаметром большим диаметра
скважины для полного закрытия устья скважины, а
также устьевой конец стержня обеспечивают
осевым каналом и патрубком, сообщающимся с
внутренней полостью тороидальной камеры и
общим гидропроводом, которым объединяют все
гидроразрыватели скважин. Через общий
гидропровод и патрубки камер, в тороидальные
камеры насосом закачивают рабочую жидкость,
создают в них давление Р и отрывают плиту
строительного камня от массива.
Известно устройство для определения
напряжений в горных породах, включающее
стержень, цилиндрическую эластичную оболочку,
одетую на стержень, соединенные с оболочкой
стаканы, в которые вмонтированы концевые части
эластичной оболочки. Устройство имеет
дополнительную составную оболочку из жесткого
материала, установленной поверх эластичной и
состоящей, как минимум, из двух одинаковых
частей с возможностью их радиального
перемещения и взаимодействия с торцами каждого
стакана. В устройстве жесткая составная оболочка
имеет по всей длине пазы, в которых размещены
перекрывающие пластинки. При работе устройства
наружная жесткая составная оболочка удерживается

4. 28589
4
упругими кольцевыми элементами, помещенными в
кольцевые выточки оболочки. Устройство позволяет
измерять напряжения в горных породах при
взаимодействии внешней составной оболочки со
стенкой скважины. При этом составная оболочка
оказывает давление на внутреннюю эластичную
оболочку, которая давит на жидкость внутри
оболочки, повышая давление (см.а.с.СССР
№796421, по МКИ Е21С 39/00 за 1981г.)
В этом устройстве внешняя составная оболочка
из металла имеет конкретную внешнюю кривизну
не соответствующую кривизне стенки скважины,
что обуславливает касание стенки скважины вдоль
прямой каждой секцией составной оболочки. Значит
три секции составной оболочки вступают в контакт
со стенкой скважины только вдоль трех прямых,
направленных вдоль скважины, и остальная
большая часть поверхности скважины,
соответствующая рабочей поверхности устройства,
не воспринимают воздействия со стороны
скважинного прибора. При значительном
отклонении диаметра скважины от внешнего
диаметра рассматриваемого устройства зазоры
между секциями внешней оболочки увеличиваются.
Эти зазоры могут достичь таких размеров, когда
пластины, помещенные в продольные пазы между
секциями внешней оболочки, не обеспечивают
полное закрытие упругой эластичной оболочки
вдоль щели, что может повлечь за собой выпирание
оболочки в щели. Составная внешняя оболочка,
состоящая из трех секций, не может обеспечить
полный заслон щели между стенкой скважины и
торцевыми стаканами устройства. При радиальных
перемещениях секций составной оболочки, в
торцевой ее части увеличиваются секториальные
зазоры между торцами трех металлических секций.
При работе устройства в отмеченные зазоры будет
проникать внутренняя эластичная оболочка. Причем
проникает тем больше, чем больше давление внутри
эластичной оболочки устройства, поэтому рабочая
упругая длина устройства получается непостоянной,
что не соответствует повышению давления внутри
устройства необходимого для разрыва
строительного камня.
Известно наиболее близкое к предложенному
гидроразрывателю устройство, содержащее
стержень с резьбой на концах, упругую эластичную
оболочку с отверстием, надетую на стержень,
стакан, контактирующий с эластичной оболочкой,
источник давления среды соединенный посредством
трубопровода с источником давления, стакан
металлический из верхней и нижней частей
навинченных на стержень, а между ними
установлена тороидальная эластичная оболочка
[Сурашов Н.Т., Помашев О.П., Боровский А.Ю.,
Инновационный патент КР №25281, МКИ В65Н
19/30, Опубл. 20.12.2011,бюл.№12].
Это изобретение с использованием эластичной
тороидальной камеры приспособлено только для
поднятия небольших грузов как, например,
бумажный рулон весом порядка до 800 - 900 кг, то
есть устройство служит как внутренний захват для
поднятия и транспортировки бумажного рулона. Так
как верхний и нижний стаканы устройства, а также
длина упругой тороидальной камеры не
соответствует глубине скважины в строительном
камне, то рассмотренное устройство в таком виде
невозможно использовать при добыче строительных
камней как гидроразрыватель.
Техническая задача решается за счет снабжения
всех параллельных между собой и вдоль одной
прямой пробуренных скважин предложенным
устройством гидроразрывателем. Его осевой
стержень и длина эластичной тороидальной камеры
соответствуют глубине скважин. Концевые
герметизирующие упругие шайбы и металлические
прокладки-шайбы прижимаются концевыми
гайками к тороидальной камере, а устьевая
прокладка также полностью закрывает устье
скважины. Устьевые концы осевых стержней еще
содержат гидротрубки и патрубки сообщающиеся с
внутренними полостями тороидальных камер и
общим гидропроводом, идущим к насосу.
На фиг.3 приведен неполный разрез основных
частей скважинного гидроразрывателя.
Сущность скважинного гидроразрывателя,
содержащего стержень с резьбой на концах,
упругую эластичную трубчатую оболочку, надетую
на стержень, концевые эластичные упругие стаканы,
опорные концевые на стержне шайбы и гайки и
источник давления среды, соединенный
посредством трубопровода с эластичной оболочкой,
в нем вместо трубчатой упругой оболочки
применена упругая эластичная тороидальная
камера, стержень выполнен с осевым каналом для
подачи по патрубку рабочей жидкости внутрь
тороидальной камеры, концы последней защищены
толстыми эластичными шайбами с диаметрами чуть
меньшими диаметра скважины и прижатыми к
торцам тороидальной камеры ввернутыми на
концевые резьбы стержня гайками, диаметр шайбы
и опорной плиты забойной части устройства
выполнен меньшим диаметра скважины, для устья
скважины опорная концевая плита выполнена со
значительно большим диаметром; каждый
скважинный гидроразрыватель изготовлен с учетом
глубины скважины.
На фиг.3 внутри скважины, стенка которой
обозначена 1, вставляется скважинный
гидроразрыватель с осевым стержнем 2 с резьбой на
концах. Стержень 2 проходит через осевой канал
тороидальной камеры 3, через отверстия упругих
защитных шайб 4, которые предохраняют от
изнашивания торцевые части камеры 3. Стержень 2
также проходит через отверстия прокладок:
забойной 5 и устьевой 6, на которые затем давят
гайки 7, заворачиваемые на концевые резьбы
стержня 2. Нижний конец стержня 2 опирается на
забой скважины, а верхний конец, имеющий
гидропровод для закачивания рабочей жидкости в
камеры 3 через патрубок 8, выступает наружу
скважины. Устьевая часть гидроразрывателя
снабжена гидропроводом 9, сообщающим
внутреннюю полость тороидальной камеры 3 с
общим гидропроводом 8, идущим к насосу.

5. 28589
5
Гидропровод 9 помещен в осевом отверстии
стержня 2 и показан на фиг.2 и 3.
Скважинный гидроразрыватель работает
следующим образом. Он вставляется в скважину 1 и
занимает всю глубину h скважины. Устьевая часть
гидроразрывателя, снабженная металлической
прокладкой -шайбой 6 и гайкой 7 плотно закрывает
устье скважины 1 у самой верхней поверхности
добываемого строительного камня. При
закачивании рабочей жидкости в камеры 3 во всех
скважинах через общий гидропровод 8 и трубки 9
(см.фиг.2 и 3) создается во всех скважинах давление
Р, действующее на стенки скважин 1, параллельных
между собой и пробуренные вдоль одной прямой
АВ на фиг.1 и 2. При достижении некоторого
значения давления Р в тороидальных камерах,
давящих своими стенками на стенки скважин,
расчетное число гидроразрывателей,
соответствующее числу скважин, вызывает отрыв
плиты строительного камня 1 по линии АВ, так как
площади поверхностей отрыва между осями
соседних скважин являются площадями
наименьшего сопротивления частиц строительного
камня отрыву, и имеют величину S=(L-d)·h.
Толщину отрываемой плиты выбирают значительно
толще, чтобы плита на изгиб не ломалась. Далее как
описано в осуществлении способа разработки
строительного камня (в данной заявке),
рассматривают предельные силы, которые отрывают
плиту строительного камня от массива. Эти силы:
разрывающие, и действующие в скважинах
(отдельно в каждой скважине) рассчитываются по
формуле (2) в способе
Fраз=P·dh;
суммарная сила же сцепления частиц
строительного камня, расположенных вдоль (на
поверхности) отрыва рассчитывается по формуле
∑ ⋅−= ;)( hdLF Pσ
где σР -удельный предел прочности
разрываемого камня на растяжение, МПа.
При предельном случае и. из этих равенств
определяется давление Р
d
dL
P P )( −
=
σ
(4)
Если известна приблизительная прочность
строительного камня σР на растяжение, то
выполняют прогнозные расчеты разрывающего
значения давления Р, а при полном незнании
величины σР -прочности на растяжение
строительного камня создают такое давление Р в
камерах, которое вызывает откол плиты по линии
АВ. (Таким образом параллельно можно изучать
прочностные свойства σР строительного камня).
Положительный экономический эффект от
внедрения способа разработки строительного камня
и устройства для его осуществления пока не
поддается расчету, так как отсутствуют результаты
применявшегося старого метода добычи, а также -
внедрения нового способа добычи строительного
камня с применением скважинного
гидроразрывателя.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ разработки строительного камня и
устройство для его осуществления, включающее
бурение скважин друг от друга на расчетных
расстояниях, глубиной h соответствующей длине
упругой эластичной тороидальной камеры -
гидроразрывателя, вставляемой в каждую скважину
для создания в ней давления Р, отличающееся тем,
что рассчитывают межскважинные расстояния по
прочности породы на растяжение, скважин бурят
только необходимое расчетное количество,
эластичные тороидальные камеры обеспечивают
осевым стержнем с резьбой на концах, на которые
насаживают вначале на торцы тороидальной камеры
толстые эластичные защитные прокладки (шайбы) и
их затем прижимают к камере металлическими
шайбами и гайками, причем забойную шайбу готовят с
диаметром, проходящим по скважине, устьевую
шайбу изготавливают с диаметром большим диаметра
скважины для плотного закрытия устья скважины, а
также устьевой конец стержня обеспечивают осевым
каналом, и патрубком, сообщающимся с внутренней
полостью тороидальной камеры и общим
гидропроводом, которым объединяют все
гидроразрыватели скважин.
2. Способ разработки строительного камня и
устройство для его осуществления по п.1,
отличающееся тем, что через общий гидропровод и
патрубки камер, в тороидальные камеры насосом
закачивают рабочую жидкость, создают в них
давление Р и отрывают плиту строительного камня от
массива.
3. Способ разработки строительного камня и
устройство для его осуществления включающий
скважинный гидроразрыватель, содержащий стержень
с резьбой на концах, упругую эластичную трубчатую
оболочку, надетую на стержень, концевые эластичные
упругие стаканы, опорные концевые на стержне
шайбы и гайки и источник давления среды,
соединенный посредством трубопровода с эластичной
оболочкой, отличающееся тем, что в нем вместо
трубчатой упругой оболочки применена упругая
эластичная тороидальная камера, стержень выполнен с
осевым каналом для подачи по патрубку рабочей
жидкости внутрь тороидальной камеры, концы
последней защищены толстыми упругими
эластичными шайбами с диаметрами чуть меньшими
диаметра скважины и прижатыми к торцам
тороидальной камеры ввернутыми на концевые
резьбы стержня гайками, диаметр шайбы и опорной
плиты забой части устройства выполнен меньшим
диаметра скважины, для устья скважины опорная
концевая плита выполнена со значительно большим
диаметром.
4. Способ разработки строительного камня и
устройство для его осуществления по п.3,
включающий скважинный гидроразрыватель,
отличающийся тем, что каждый скважинный
гидроразрыватель изготовлен с учетом глубины
добычной скважины.

6. 28589
6
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч