СПОСОБ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B44/00 E21B7/24 

Изобретение относится к буровой технике с использованием вибрационных средств с применением комбинированных буровых снарядов для бурения взрывных скважин при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Известны зависимости оптимальных значений режимных параметров и скорости бурения от крепости горных пород, (Ломакин М.С. Автоматическое управление технологическими процессами карьеров, М. Недра, с. 32, ф-ла 1.7). В частности, осевое усилие на режущий инструмент пропорционально крепости горных пород, а скорость бурения или частота вращения бурового става совместно с буровым снарядом обратно пропорциональна ей. Другими словами, чем крепче порода, тем меньше должна быть частота вращения бурового снаряда. Все это приводит к снижению скорости бурения скважин.

Известен также "Способ бурения скважин и устройство для его осуществления (а.с. СССР N 791884, E 21 B 7/18, 21/14, 1977), использующий аэрированный буровой раствор, плотность которого увеличивается разделением потоков жидкости и газа. Однако этот способ приемлем для бурения глубоких разведочных скважин с применением буровых растворов. Взрывные же скважины, как известно, менее глубокие и не требуют применения буровых растворов.

За прототип взят известный способ бурения скважин (Мальченок В.О. и Уткин И. А. Звуковые вибраторы для бурения, М. Недра, 1969, 136 с.), использующий ударные нагрузки на буровой став и буровой снаряд. Однако предлагаемые способы нанесения нагрузок на буровой став, ограничиваются, в основном, применением разбалансированных маховых масс, а способы нанесения ударных нагрузок на буровой снаряд применением магнитострикционных преобразователей, работающих в звуковом диапазоне частот. Однако применение разбалансированных маховых масс требует создания достаточно энергоемкого устройства, а доставка электроэнергии к буровому снаряду, для его вибрации в звуковом диапазоне частот, практически до сих пор не решена. Это связано с тем, что и разведочные и взрывные скважины имеют постоянно наращиваемый буровой став из нескольких буровых штанг, передача электроэнергии для вибрации снаряда по которым, вызывает почти непреодолимые трудности.

Цель изобретения повышение скорости бурения взрывных скважин.

Эта цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу бурения взрывных скважин, включающему наложение на буровой став или буровой снаряд ударных нагрузок и продувку скважины от буровой мелочи потоком воздуха от компрессора, дополнительно измеряют частоту вращения бурового става, преобразуют ее в напряжение, сравнивают его с опорным и по их разности производят обратное преобразование напряжения в частоту, по сигналу которого производят управление потоком воздуха в скважину, при этом частота подачи потока воздуха в скважину обратно пропорциональна частоте вращения бурового става.

Сущность предлагаемого "Способа бурения." заключается в следующем. Система электропривода, которым снабжаются буровые станки, в частности, шарошечного бурения для проходки взрывных скважин такова, что при встрече бурового снаряда с более крепкими породами частота вращения бурового става и двигателя вращателя уменьшается. Вот здесь-то и необходимо наложить на буровой снаряд дополнительную энергию, например, в виде энергии ударного механизма, приводимого в действие сжатым воздухом от компрессора для продувки скважины. Вполне целесообразен здесь ("Комбинированный буровой снаряд", а.с. СССР N 1218057, E 21 B 10/14, 1984, авт. Страбыкин Н.Н. и др.), имеющий кроме шарошек одну лопасть и пневмоударник с бойком и возвратной пружиной. Причем, как было отмечено выше, чем меньше частота вращения бурового снаряда, тем с большей частотой лопасть должна обрабатывать забой. Лопасть в этом случае будет работать по методу мелкого скола, что позволит буровому снаряду активнее обрабатывать крепкий забой, в результате чего увеличится скорость проходки скважины.

Известно "Устройство для ударно-вращательного бурения", (а.с. СССР N 1317083, E 21 B 4/06, 1985), включающее ударный механизм в виде жестко связанной с ведомым валом основной наковальни, дополнительную наковальню и основные и дополнительные ударники с ответными кулачками, подпружиненные рабочими пружинами. Однако ударные нагрузки здесь воспринимаются всем буровым ставом, что требует приложения к нему достаточно большой ударной мощности. К тому же, частота ударов никак не зависит от крепости разрушаемых пород.

Известна также "Бурильная машина" (а.с. СССР N 585278, E 21 C 3/00), содержащая, работающие на сжатом воздухе, ударный и вращательный механизмы, каждый из которых снабжен индивидуальными распределительными устройствами. Однако данная машина предназначена для бурения скважин в подземных горных работах, в связи с чем привод вращателя пневматический. К тому же частота ударов здесь также не зависит от крепости буримых пород.

За прототип "Устройства." для реализации предлагаемого "Способа бурения. " принят широко применяющийся буровой станок типа 2СБШ-200 (Ломакин М.С. Автоматическое управление технологическими процессами карьеров. М. Недра, 1978, с. 39), содержащий электрический механизм вращателя бурового става, снабженный буровым снарядом из трех шарошек, компрессор для подачи продувки скважины от буровой мелочи с воздухораспределительным устройством и гидропривод подачи бурового снаряда на забой. К тому же для решения поставленной задачи, более целесообразен уже известный "Комбинированный буровой снаряд" (а.с. СССР N 1218057, E 21 B 10/14, 1984), содержащий ударный механизм, работающий на сжатом воздухе от воздухораспределительного устройства компрессора для продувки скважины от буровой мелочи. Однако такое модернизированное устройство для бурения взрывных скважин не позволяет увязать крепость породы и частоту ударной нагрузки на буровой снаряд, что если и увеличивает скорость бурения, то не в оптимальном режиме.

Цель изобретения повышение скорости бурения взрывных скважин.

Эта цель достигается тем, что "Устройство для осуществления предлагаемого "Способа." дополнительно снабжено ресивером, тахогенератором и преобразователем "напряжение-частота", при этом воздухораспределительное устройство выполнено в виде запорно-регулирующего клапана, электрически соединенного с выходом преобразователя "напряжение-частота", пневматический вход которого связан с выходом ресивера, соединенного с компрессором, а пневматический выход запорно-регулирующего клапана с комбинированным буровым снарядом, причем первый вход преобразователя электрически соединен с выходом тахогенератора, механически связанного с валом вращателя бурового става, а второй с опорным напряжением, снимаемого с задатчика средней крепости породы в скважине.

Сущность "Устройства." заключается в следующем. Для реализации предлагаемого "Способа." следует, в принципе, согласовать технически обратную зависимость между крепостью пород в скважине и частотой пневматического ударного механизма бурового снаряда. Для косвенного, но достаточно точного определения крепости пород, можно воспользоваться частотой вращения двигателя вращателя бурового става, снабженного системой "генератор-двигатель постоянного тока", которую следует измерить с помощью элементарного тахогенератора.

Для создания ударных нагрузок на буровой снаряд следует использовать изобретение одного из авторов ("Комбинированный буровой снаряд", авт. Страбыкин Н.Н. и др. см. описание устройства-прототипа). Снаряд способен под действием сжатого воздуха от компрессора для продувки скважины от буровой мелочи, наносить удары по бойку с передачей энергии удара на регулировочную гайку лопасти. Поскольку частота ударов бойка определяется как обратная величина частоты вращения двигателя вращателя бурового става, следует предусмотреть элемент управления подачей сжатого воздуха в скважину. С этой целью компрессор соединен не прямо с буровым ставом, а через ресивер и запорно-регулирующий клапан, например, типа ЭВ-3М (Шучинский С.Х. Электромагнитные приводы исполнительных механизмов, М. Энергоатомиздат, 1984, с. 32).

Для согласования прямой зависимости крепости породы (или обратной зависимости частоты вращения двигателя вращателя) и частоты ударов на буровой снаряд, следует воспользоваться преобразователем "напряжение частота" (Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Радио и связь, 1981, с. 118 119), один вход которого связан с напряжением тахогенератора, механически связанного с валом вращателя бурового става, а второй с опорным напряжением, величина которого пропорциональна средней крепости породы в скважине, и определяется, например, из стратиграфической колонки разведочного бурения, которая задается задатчиком крепости, соединенным со вторым входом преобразователя. Выход его и будет служить сигналом для включения запорно -регулирующего электромагнитного клапана, открывая с необходимой частотой доступ сжатого воздуха из ресивера в скважину, заставляя с той же частотой наносить бойком ударные нагрузки по лопасти комбинированного бурового снаряда.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема "Устройства." для осуществления предлагаемого "Способа бурения взрывных скважин"; на фиг. 2 - функциональная схема того же "Устройства.".

Устройство для бурения взрывных скважин содержит: электрический механизм вращения 1 бурового става 2 с комбинированным буровым снарядом 3, снабженным ударным механизмом, воздухораспределительное устройство в виде запорно -регулирующего клапана 4, ресивер 5 и компрессор 6, тахогенератор 7, механически связанный с валом вращателя 1, преобразователь 8 "напряжение -частота", на первый вход которого подается сигнал с тахогенератора 7, а на второй опорное напряжение с задатчика 9, пропорциональное средней крепости породы в скважине, а так же гидропривод 10 подачи бурового снаряда на забой.

Устройство работает следующим образом. Если крепость вмещающих пород в скважине равна средней крепости и скорость бурения (V_б), а следовательно, и частота вращателя ( ω_д ) соответствуют техническим требованиям, то частота включения запорно-регулирующего клапана 4 такова, что процесс бурения ведется в оптимальном режиме.

В случае встречи комбинированного бурового снаряда 3 с более крепкими породами, электрический механизм вращателя 1 уменьшает свою частоту вращения, которая с помощью тахогенератора 7 подается в виде напряжения на первый вход преобразователя 8 "напряжение-частота", где происходит сравнение его с опорным напряжением на входе 2 и по их разности преобразователь 8 выдает сигнал на запорно-регулирующий клапан 4 в такой зависимости: чем больше отклонение уровней сигналов на входах преобразователя, тем больше частота сигналов на его выходе. Следовательно, клапан 4 подключает с большей частотой буровой став 2 к ресиверу 5, давление в котором поддерживается на постоянном уровне. Вследствие этого, лопасть бурового комбинированного снаряда 3 будет получать увеличенную по частоте ударную нагрузку, что заставит ее скалывать забой более чаще, а это и повышает скорость бурения взрывной скважины (V_б).

Таким образом, налицо причинно-следственная связь между совокупностью технических средств и достигаемым результатом.

Назначение: Изобретение относится к буровой технике с использованием вибрационных средств с применением комбинированных буровых снарядов для бурения взрывных скважин. Сущность изобретения: Для осуществления способа измеряют частоту вращения бурового става, преобразуют ее в напряжение, сравнивают с опорным и по их разности производят обратное преобразование напряжения в частоту, по сигналу которого производят управление потоком воздуха в скважину. При этом частота подачи потока сжатого воздуха в скважину обратно пропорциональна частоте вращения бурового става. Реализуется способ с помощью устройства, снабженного задатчиком крепости породы в скважине, ресивером, тахогенератором и преобразователем "напряжение-частота". Воздухораспределительный узел выполнен в виде запорно-регулирующего клапана, электрически соединенного с выходом преобразователя, пневматический вход которого связан с выходом ресивера, а пневматический выход - с комбинированным буровым снарядом. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ бурения взрывных скважин, включающий наложение на буровой став или буровой снаряд ударных нагрузок и продувку скважины от буровой мелочи потоком воздуха от компрессора, отличающийся тем, что измеряют частоту вращения бурового става, преобразуют ее в напряжение, сравнивают его с опорным и по их разности производят обратное преобразование напряжения в частоту, по сигналу которого производят управление потоком воздуха в скважину, при этом частота подачи потока сжатого воздуха в скважину обратно пропорциональна частоте вращения бурового става. 2. Устройство для бурения взрывных скважин, содержащее электрический механизм вращателя бурового става, снабженного комбинированным буровым снарядом, и работающий на сжатом воздухе ударный механизм, имеющий воздухораспределительный узел, компрессор для продувки скважины от буровой мелочи и гидропривод подачи бурового снаряда на забой, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено задатчиком средней крепости породы в скважине, ресивером, тахогенератором и преобразователем напряжение-частота, при этом воздухораспределительный узел выполнен в виде запорно-регулирующего клапана, электрически соединенного с выходом преобразователя напряжение-частота, пневматический вход которого связан с выходом ресивера, соединенного с компрессором, а пневматический выход запорно-регулирующего клапана соединен с комбинированным буровым снарядом, причем первый вход преобразователя напряжение-частота электрически соединен с выходом тахогенератора, механически связанного с валом вращателя бурового става, а второй с задатчиком средней крепости породы в скважине.