УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН В ГРУНТЕ Российский патент 1995 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к горной, строительной промышленности, а также к сельскому хозяйству, и предназначено для прокладки закрытых каналов в грунте.

Известно устройство для проходки скважин, включающее носовую и распорную хвостовую части, гидроцилиндр подачи и привод перемещения поршня гидроцилиндра с сердечником, размещенным в катушке и связанным пружиной с хвостовой частью [1].

Использование такого устройства малоэффективно в связи с невозможностью повышения напорной силы на грунт без увеличения давления сжатой среды, поэтому скорость продвижения его в грунте мала, отсутствует и возможность ее регулирования. Кроме того, возможен эффект обратного проскальзывания носовой части в скважине, т. к. в данном случае имеет значение величина расстояния, на которое она способна продвигаться вперед в процессе подачи единичного импульса сжатой среды и которое может оказаться недостаточным для образования грунтового клина за конической носовой частью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для проходки скважин в грунте, содержащее рабочий орган с конической передней частью, корпус, хвостовую распорную часть в виде полого перфорированного цилиндра, герметически охваченного эластичной оболочкой, и систему подачи сжатой среды, при этом рабочий орган соединен с хвостовой распорной частью пружиной [2].

Работа данного устройства малоэффективна, т.к. обеспечивается за счет преодоления не только сопротивления грунта, но и добавочного сопротивления, создаваемого пружиной, которая растягивается во время продвижения носовой части с корпусом вперед и сжимается при подтягивании хвостовой части. Напорное усилие, создаваемое при использовании этого устройства с помощью компрессора, нельзя увеличить без увеличения давления сжатой среды. Увеличение же давления сжатой среды приводит в свою очередь к необходимости упрочнения элементов устройства, например эластичных оболочек, чтобы избежать их разрыва. Невозможность свободно регулировать напорное усилие снижает и скорость продвижения устройства в грунте.

Кроме того, величина, на которую возможно продвижение вперед передней части рабочего органа (Δ L) по отношению к хвостовой распорной части, должна быть достаточной для создания за конической передней частью рабочего органа грунтового клина, способного исключить эффект его обратного проскальзывания, что снижает надежность работы устройства. Следует также отметить, что сама необходимость образования грунтового клина в процессе работы устройства может привести к неравномерной деформации стенок скважины, что также снижает их качество.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы устройства, а также улучшение качества скважин.

Достигается это за счет того, что в устройстве, содержащем рабочий орган с конической передней частью, корпус, хвостовую распорную часть, представленную полым перфорированным цилиндром, герметически охваченным эластичной оболочкой, и систему подачи сжатой среды, рабочий орган снабжен последовательно расположенными за конусной частью (передней) цилиндрической распорной частью и штоком с жестко закрепленными на его поверхности кольцеобразными поршнями с ограничительными кромками, размещенными внутри корпуса, разделенного по числу кольцеобразных поршней на секции перегородки с ограничителями, к последней из которых прикреплена хвостовая распорная часть с каналами системы подачи сжатой среды, представленной двумя обособленными линиями, первая из которых связана с хвостовой распорной частью и секциями корпуса, а вторая - с секциями корпуса и цилиндрической распорной частью рабочего органа, при этом каналы выхода в секции корпуса в первой линии размещены в штоке сзади от кольцеобразных поршней, а во второй - спереди от них.

При этом длина ограничителя и ограничительных кромок в каждой из секций корпуса равна или превышает соответствующую сумму величины расстояния между кольцеобразным поршнем и каналом выхода в секцию корпуса и величиной диаметра этого канала.

Кроме того, ограничительные кромки выполнены на передних стенках кольцеобразных поршней у внутренней стенки корпуса, а ограничители - на передних стенках перегородок секций у внутренней стенки корпуса.

В технике известно использование принципа образования распора для проходки скважин в грунте путем подачи сжатой среды внутрь устройства. При этом в известных устройствах для подтягивания хвостовой распорной части к выдвинутой передней после создания разряжения внутри системы используется пружина, которая при устранении распора сжимается. Для продвижения вперед под действием сжатой среды указанные устройства преодолевают наряду с силой сопротивления грунта и силу сопротивления пружины, которая представляет собой довольно значительную величину.

В предлагаемом же устройстве использование рабочего органа, снабженного последовательно расположенными за конической передней частью цилиндрическими распорной частью и штоком с жестко закрепленными на его поверхности кольцеобразными поршнями, размещенными внутри корпуса, разделенного по числу этих поршней на секции, к последней из которых прикреплена хвостовая распорная часть, приводит не только к более эффективному использованию давления сжатой среды, которое предназначено здесь при продвижении рабочего органа вперед для преодоления в основном лишь силы сопротивления грунта (т.е. скольжение кольцеобразных поршней, прилегающих к внутренней поверхности стенок корпуса, в значительно меньшей степени подвержено действию сил трения), но и к резкому повышению напорной силы без какого-либо увеличения давления сжатой среды и без изменения диаметра устройства, что происходит за счет увеличения площади, на которую возможно воздействие. Причем возможно и регулирование величины этой площади путем изменения секций корпуса, что обеспечивает и возможность регулирования скорости движения устройства в процессе его работы.

Система подачи сжатой среды в предлагаемом устройстве представлена двумя обособленными линиями каналов, первая из которых связана с хвостовой распорной частью и секциями корпуса, а вторая - с секциями корпуса и распорной частью рабочего органа, что позволяет использовать принцип распора не только для закрепления части устройства в скважине с последующим продвижением вперед, но и для подтягивания одной части устройства к другой, а также исключить при этом возможность возникновения эффекта обратного проскальзывания конической части рабочего органа при одновременном улучшении качества скважин за счет того, что в данном случае их стенки подвергаются возможности радиального уплотнения под действием последовательно двух распоров (в известных устройствах на стенки скважин воздействует один распор после образования грунтового клина).

В известных устройствах для предотвращения обратного проскальзывания используется принцип образования грунтового клина за предельной конической частью устройства, что само по себе отрицательно влияет на качество закрепления стенок, т.к. приводит к неравномерной их деформации за счет возможности под действием клина перемещения участков грунта, составляющих стенки скважин, в той или иной степени в сторону, противоположную направлению движения устройства. Кроме того, расстояние, на которое возможно перемещение рабочего органа вперед ( ΔL), также должно быть достаточным для образования грунтового клина, что в свою очередь снижает надежность работы устройства.

Расположение каналов выхода в секции корпуса первой линии системы подачи сжатой среды в штоке сзади от кольцеобразных поршней, а во второй линии - спереди от них, а также использование ограничительных кромок в кольцеобразных поршнях и ограничителей перегородок секций создает возможность воздействия сжатой среды поочередно в части секций сзади от кольцеобразных поршней и впереди от них, что в свою очередь обеспечивает возможность их перемещения на расстояние ΔL как вперед, так и назад, создавая при этом условия как для возможности выдвижения рабочего органа вперед относительно корпуса и хвостовой части, так и подтягивание последних при образовании распора в рабочем органе.

Перекрытие при этом соответствующих каналов выхода (сжатой среды) в секции исключено благодаря тому, что длина ограничителей и ограничительных кромок в каждой из секций равна или превышает соответствующую сумму величины расстояния между кольцеобразным поршнем и каналом выхода в секцию корпуса и величиной диаметра этого канала.

Расположение ограничительных кромок на передних стенках кольцеобразных поршней у внутренней стенки корпуса, и ограничителей - на передних стенках перегородок секций у внутренней стенки корпуса предотвращает не только перекрытие каналов выхода сжатой среды в секции, но и способствует возможности быстрого и равномерного ее распределения и воздействия на соответствующие части устройства. Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит не только повысить эффективность и надежность его работы, но и значительно улучшить качество скважин.

На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг.2 - схема работы устройства.

Устройство состоит из рабочего органа 1, корпуса 2 и хвостовой распорной части 3. Полый в середине рабочий орган 1 содержит переднюю конусную часть 4, жестко соединенную с цилиндрической распорной частью 5, к которой прикреплен шток 6. Цилиндрическая распорная часть 5 имеет сквозные радиальные отверстия 7 и охвачена эластичной оболочкой 8 так, что все отверстия 7 перекрыты, причем концы оболочки 8 герметически присоединены к поверхности цилиндрической распорной части 5 при помощи хомутов 9. Шток 6 размещен внутри корпуса 2 и хвостовой распорной части 3 и представляет собой цилиндрическую конструкцию с жестко закрепленными на ее поверхности по периметру кольцеобразными поршнями 10, снабженными кольцами уплотнения 11. В штоке 6 выполнены сквозной магистральный канал 12 вдоль его продольной оси, имеющий выход на боковую поверхность штока через радиальные отверстия 13, и канал 14 с выходами на боковую поверхность штока 6 через радиальные отверстия 15. Корпус 2 представляет собой разборную конструкцию, состоящую из секций (на чертеже показаны три секции) 16, 17, 18, количество которых можно изменить. При этом число секций равно количеству кольцеобразных поршней 10 штока 6, а также количеству радиальных отверстий 13 и 15.

Передняя часть 19 первой секции 16, а также перегородки 20 и перегородка 21 последней секции 18 служат в качестве подшипников скольжения для штока 6 и обеспечивают возможность его возвратно-поступательного движения без перекосов, а их уплотнительные кольца 22 совместно с кольцами уплотнения 11 поршней 10 обеспечивают надежную герметизацию системы: шток 6 - кольцеобразные поршни 10 - внутренняя часть секций корпуса 2 устройства. Перегородки 20, 21 имеют ограничители 23, предназначенные для фиксации положения радиальных отверстий 15 относительно секций 16, 17, 18 при крайнем заднем положении кольцеобразных поршней 10. Кольцеобразные поршни 10 снабжены ограничительными кромками 24, служащими для фиксации радиальных отверстий 13 относительно секций 16, 17, 18 при крайнем переднем положении кольцеобразных поршней 10. Отверстие 25 в перегородке 21 последней секции 18 предназначено для подачи сжатой рабочей среды из хвостовой распорной части 3 устройства в секции 16, 17, 18 корпуса 2 по первой линии системы подачи.

Хвостовая распорная часть 3 содержит перфорированный цилиндр 26, внутренний цилиндр 27, жестко прикрепленные к перегородке 21 последней секции 18, и хвостовик 28, который в свою очередь жестко прикреплен к цилиндрам 26 и 27. Радиальные отверстия 29 перфорированного цилиндра 26 охвачены эластичной оболочкой 30, концы которой герметически закреплены на поверхности цилиндра 26 при помощи хомутов 31. Каналы 32 и 33, выполненные в хвостовике, представляют собой начало соответственно первой и второй обособленных линий системы подачи сжатой среды.

Источник энергии сжатой среды (баллон сжатого газа, компрессор, насосная установка) связан с реверсивным распределителем 34 через запорное устройство 35 и регулятор давления 36. Маслораспылитель обозначен позицией 37 и служит для обеспечения непрерывной смазки скользящих пар устройства. Манометры обозначены позицией 38 и предназначены для индицирования величины давления в системе до и после регулятора давления 36, т.е. величины давления источника питания и величины давления в шлангах 39,40, служащих для подачи сжатой среды соответственно в первую и вторую линии системы ее подачи. Для сброса в атмосферу отработанной среды предназначен патрубок 41 и бак 42 насосной установки.

Устройство работает следующим образом. Источник сжатой среды через реверсивный распределитель 34 подает импульсы сжатой среды во внутреннюю полость устройства попеременно через шланг 40 по каналу 32, затем через шланг 39 по каналу 33. В момент подачи сжатой среды (жидкость, газ) по каналу 32 она поступает в первую линию системы подачи сжатой среды, проходя в полость между перфорированными цилиндром 26 и внутренним цилиндром 27, а также по каналу 14, через радиальные отверстия 15 в секции 16, 17, 18. Сжатая среда давит при этом во все стороны, в том числе на внутреннюю поверхность эластичной оболочки 30, проходя через радиальные отверстия 29, а также сзади - на кольцеобразные поршни 10 штока 6. Это приводит к тому, что эластичная оболочка 30 увеличивается в объеме до упора в стенку скважины, создавая распор. Одновременно при дальнейшем возрастании давления сжатой среды в секциях на соответствующую сторону кольцеобразных поршней 10 происходит их перемещение вперед до упора ограничительных кромок 24 в стенки секций 16, 17, 18 на расстояние ΔL, при этом на расстояние ΔL перемещается вперед шток 6 рабочего органа 1, передняя конусная часть 4 которого, прокалывая и раздвигая грунт, прокладывает скважину. Если начальную длину устройства принять равной L, то теперь она равна L+ ΔL, т.к. корпус 2 с хвостовой распорной частью 3, находящейся в состоянии распора, остаются на месте.

Затем сжатая среда подается во вторую линию системы ее подачи. При этом через первую линию происходит выход сжатой среды, которая выбрасывается в атмосферу, проходя по шлангу 40, через реверсивный распределитель 34 и патрубок 41, если рабочая среда - газ, либо через патрубок 41 возвращается в бак 42 насосной установки, если рабочая среда - жидкость. Одновременно происходит устранение распора в хвостовой части 3, т.к. эластичная оболочка 30 принимает свое первоначальное положение и форму, прилегая к перфорированному цилиндру 26.

При подаче сжатой среды по каналу 33 она поступает во вторую линию системы ее подачи, проходя внутри цилиндра 27, затем - по сквозному магистральному каналу 12 штока 6 в секции 16, 17, 18 через радиальные отверстия 13 и в цилиндрическую распорную часть 5. При этом под давлением сжатой среды, проходящей через радиальные отверстия 7, происходит растяжение и увеличение в объеме эластичной оболочки 8 для упора в стенку скважины с образованием распора. Одновременно при возрастающем давлении сжатия среда, выходящая из отверстий 13, давит во все стороны, в том числе на переднюю стенку кольцеобразных поршней 10 и переднюю часть 19 секции 16 и передние части секции 17, 18. Образованный же в рабочем органе 1 распор не дает ему возможности перемещаться назад, тем самым нейтрализуя действие сжатой среды на стенки кольцевых поршней 10 штока 6. В результате происходит подтягивание корпуса 2 и хвостовой части 3 устройства к рабочему органу 1 на величину ΔL и кольцевые поршни 10 вновь упираются своими задними стенками в ограничители 23 перегородок секций 16, 17, 18. При этом длина устройства становится снова равной L. Затем сжатая среда снова подается по шлангу 40 в канал 32 первой линии системы подачи сжатой среды и цикл работы устройства повторяется.

При необходимости увеличения напорного усилия рабочей среды производят добавление количества секций корпуса с соответствующим увеличением количества кольцеобразных поршней 10 штока 6, конструкция которого также может быть сборной, состоящей из одинаковых модулей, включающих участок штока с отверстиями сзади и спереди кольцеобразных поршней, жестко закрепленных на штоке по его периметру.

Использование предлагаемого устройства позволит не только значительно улучшить качество прокладываемых скважин, но и повысить надежность и эффективность его работы.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для проходки скважин в грунтах. Цель изобретения - повышение эффективности работы при одновременном повышении качества скважин за счет повышения равномерности деформации ее стенок. Корпус 2 разделен перегородками на секции. В каждой секции помещен кольцеобразный поршень 10 и все они закреплены на штоке 6. С корпусом 2 связаны хвостовая 3 и цилиндрическая 5 распорные части и коническая передняя часть 4 рабочего органа 1. Система подачи сжатой среды имеет две линии: первая сообщена с хвостовой распорной частью 3 и секциями корпуса 2, вторая - с цилиндрической распорной частью 5 и секциями корпуса 2. Сжатый воздух подается попеременно по обеим линиям, что вызывает поочередное расширение соответствующей распорной части и штока. В результате устройство перемещается в грунте, формируя скважину с высоким качеством стенок. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН В ГРУНТЕ, включающее в себя полый корпус, связанные с ним рабочий орган с конической передней частью и хвостовую распорную часть, выполненную в виде герметично охваченного эластичной оболочкой полого перфорированного цилиндра, и систему подачи сжатой среды с каналами и линией, сообщенной с хвостовой распорной частью и полостью корпуса, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности в работе при одновременном повышении качества скважины за счет повышения равномерности деформации ее стенок, оно снабжено цилиндрической распорной частью и штоком с каналами и жестко закрепленными на его боковой поверхности между каналами кольцеобразными поршнями с ограничительными кромками, причем корпус выполнен с ограничителями и перегородками, закрепленными в его полости с образованием секций для размещения соответствующих кольцеобразных поршней, при этом система подачи сжатой среды выполнена с дополнительной линией, а цилиндрическая распорная часть размещена на штоке между корпусом и конической передней частью и сообщена с дополнительной линией посредством соответствующих каналов в штоке, при этом дополнительная линия сообщена с полостью корпуса в каждой из секций со стороны конической передней части от кольцеобразного поршня, а основная линия сообщена с полостью корпуса также каждой из секций со стороны хвостовой распорной части от кольцеобразного поршня посредством каналов в штоке. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничители и ограничительные кромки в каждой из секций корпуса выполнены с суммарной длиной по ходу штока, не меньшей суммы расстояний между кольцеобразным поршнем и соответствующим каналом и диаметром этого канала. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничительные кромки выполнены на кольцеобразных поршнях у корпуса со стороны рабочего органа. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничители размещены на перегородках у корпуса со стороны рабочего органа.