УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК E21C37/12 E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для воздействия на массив угля или пород с целью интенсификации процесса дегазации и снижения газообильности горных выработок, борьбы с внезапными выбросами угля и газа, снижения пылеобразования, ослабления трудно обрушаемых кровель и отбойки угля при разработке крутопадающих пластов, а при использовании связующих веществ в рабочей жидкости - для тампонирования трещин и скрепления горного массива.

Известно устройство для реализации способа гидравлической обработки угольного пласта (а.с. N 883509, E 21 5/00, 7/00, опубл. 1981 г.), включающее полый ствол, взрывную камеру с вкладышем (диафрагмой - срезным диском), герметизатор, магистральный и дополнительный трубопроводы с обратными клапанами, а также соединительные элементы.

Основным недостатком этого технического решения является необходимость производить разборку газогенератора после каждого импульсного воздействия для замены диафрагмы. Кроме того, использование диафрагмы, рассчитанной на двухстороннее давление (рабочей жидкости и сжатых газов), увеличивает разбросы давления при ее срабатывании, а также выброс остатков диафрагмы в канал и ствол установки, не исключает возможности появления нештатных ситуаций при последующих пусках.

Наиболее близким по технической сущности является установка для генерации гидравлических импульсов давления (Б.Е.Рудаков, Е.Г.Носков "Стендовые исследования гидроимпульсного воздействия на массив через скважину". В сб. "Научные сообщения" ИГД им. А.А.Скочинского "Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология", М., 1992, с. 32-39, рис. 1), включающая газогенератор, полый ствол и запорный элемент с седлом, выполненный с возможностью сообщения газогенератора с полым стволом, а также герметизатор ствола и магистральный трубопровод для подачи рабочей жидкости в полый ствол.

Недостатками этой установки являются соосное расположение газогенератора, запорного элемента и ствола, которое увеличивает длину установки и загромождает горную выработку, из которой производится воздействие на массив, и необходимость установки обратного клапана для защиты магистрального трубопровода от импульса высокого давления. Кроме того, отсутствие систем фиксации относительно направления ствола сужает область применения установки в подземных горных выработках.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в том, что упрощена конструкция установки и повышена надежность в перезарядке энергоносителя, способность осуществлять цикличное воздействие на горный массив без ее разработки. Сокращена длина той части установки, которая расположена в горной выработке.

Положительный эффект от использования установки для генерации гидравлических импульсов давления достигается тем, что, с учетом общих признаков наиболее близкого технического решения, газогенератор и запорный элемент, снабженный подпружиненным клапаном, расположены под углом к продольной оси ствола, близким к 90^o, при этом клапан подпружинен со стороны магистрального трубопровода и снабжен дополнительным седлом с возможностью поочередного сообщения газогенератора и магистрального трубопровода с полым стволом. Кроме того, для фиксации относительно направления ствола и восприятия динамических нагрузок газогенератор и запорный элемент закреплены на лафете, а для поочередного сообщения газогенератора и магистрального трубопровода клапан запорного элемента выполнен в виде штока с конусом и прокладкой, при этом шток выполнен с возможностью изменения степени сжатия пружины клапана для установления заданных параметров импульса.

Сущность установки для генерации гидравлических импульсов давления поясняется графическими изображениями, где на фиг. 1 и 2 показана принципиальная схема установки и герметизация скважин цементно-песчаным раствором; на фиг. 3 и 4 - вариант выполнения с дополнительной герметизацией скважины вязкой жидкостью; на фиг. 5 - 7 - соответственно лафет в плане, компоновка систем позиционирования канала ствола на тележке лафета и компоновка газогенератора на лафете; на фиг. 8 - вариант выполнения клапана запорного элемента с дополнительным седлом.

Установка для генерации гидравлических импульсов давления включает (см. фиг. 1 - 4) полый ствол 1, газогенератор 2 и соосно расположенный с ним корпус 3 запорного элемента с седлом 4 (фиг. 8) и клапаном 5 (фиг. 1 и 8) с возможностью сообщения газогенератора с полым стволом, а также герметизатор 6 ствола и магистральный трубопровод 7 для подачи рабочей жидкости в полый ствол. Газогенератор и корпус запорного элемента расположены под углом к продольной оси O-O ствола (фиг. 1 - 4), близким к 90^o. Клапан запорного элемента подпружинен со стороны магистрального трубопровода и снабжен дополнительным седлом 8 с возможностью поочередного сообщения газогенератора и магистрального трубопровода с полым стволом.

Для фиксации относительно направления ствола и восприятия динамических нагрузок газогенератор и запорный элемент закреплены на лафете 9 (фиг. 5 - 7). Для поочередного сообщения газогенератора и магистрального трубопровода клапан запорного элемента выполнен в виде шара (фиг. 1) или штока 10 с конусом 11 и прокладкой 12 (фиг. 8). Шток выполнен с возможностью изменения степени сжатия пружины 13 клапана для установления заданных параметров импульса с учетом свойств горных пород (глубины залегания, крепости, прочности, проницаемости, пористости, трещиноватости и др.).

Полый ствол выполнен из труб 14, соединенных муфтами 15, и со стороны запорного элемента имеет фланец 16. Фланец с одной стороны скреплен с корпусом запорного элемента посредством соединительного элемента 17 и конусных обжимных втулок 18 и 19, а с другой - с герметизатором 6 ствола 1. Герметизатор выполнен в виде обсадной трубы 20 и имеет расположенные на внешней стороне трубы ребра жесткости 21 со стержнями 22 (для повышения надежности герметизации скважины). Внутренний диаметр обсадной трубы больше наружного диаметра ствола. Обсадная труба зафиксирована и жестко установлена в скважине с помощью цементно-песчаного раствора 23.

В условиях высокой трещиноватости горных пород в прискважинном пространстве предусмотрена дополнительная герметизация вязкой жидкостью или инертной пылью (вариант выполнения, фиг. 3 и 4). В варианте выполнения установка снабжена дополнительным трубопроводом 24 с обратным клапаном 25 и подпружиненный прижимной манжетой 26, установленной на наружной поверхности ствола с возможностью ограниченного осевого перемещения. При этом фланец 16 имеет кольцевую полость 27, диаметр которой больше наружного диаметра ствола. Полость 27 сообщена, с одной стороны, дополнительным трубопроводом 24 посредством обратного клапана 25, а с другой - затрубным пространством 28 (от обсадной трубы 20 до манжеты 26).

Газогенератор 2 и запорный элемент 3 установлены на лафете 5 (фиг. 5 - 7). Лафет имеет систему салазок 29, с помощью которых производится точная стыковка газогенератора и запорного элемента соединительными элементами со стволом 1. Лафет также имеет системы позиционирования 30 ствола с возможностью поворота газогенератора в горизонтальной плоскости на ± 20^o, а в вертикальной - на ±35^o. Системы позиционирования снабжены лимбами 31. Кроме того, лафет имеет подвижный гидравлический упор 32 и раму 33. На одном конце упора расположена сферическая пята 34, а на другом - диск 35 с возможностью взаимодействия с массивом. Упор закреплен на станине 36 с помощью ломающихся кронштейнов 37. Рама 33 имеет выдвижные домкраты 38 для приведения ее в требуемое положение и закрепление. Лафет может быть установлен на двухосной тележке 39. Лафет способствует фиксации газогенератора и запорного элемента относительно направления ствола и скважины 40. Муфта 15 имеет опорные элементы 41.

Установка для генерации гидравлических импульсов давления работает следующим образом.

В скважину 40, после ее обсадки и затвердевания цементно-песчаного раствора 29, вводят ствол 1. Закрепляют его посредством соединительных элементов с газогенератором 2 и запорным элементом 3. Гидравлическую обработку пласта (горного массива) начинают с напорного нагнетания (подачи) рабочей жидкости (воды или воды с добавками поверхностно-активных или химически активных веществ). Под давлением рабочая жидкость в скважину подается по магистральному трубопроводу 7, запорному элементу 3, соединительному элементу 17 и полому стволу 1. При этом газогенератор от попадания рабочей жидкости изолирован клапаном 5 (шаром или конусом 11 и прокладкой 12) за счет усилия пружины и давления подаваемой рабочей жидкости. После заполнения рабочей жидкостью трещин и пор, когда давление нагнетания стабилизируется и расход рабочей жидкости становится небольшим или близким к нулю, осуществляют импульсное воздействие. В процессе срабатывания энергоносителя в газогенераторе 2 образуются продукты химической реакции. Достигнув давления, превышающего усилие пружины и давление статического нагнетания жидкости, газообразные продукты химической реакции отжимают клапан 5, смещают его и изолируют магистральный трубопровод 7, защищая его от разрушения ударной волной выходящего из газогенератора газа. Газ устремляется через каналы запорного элемента 3, соединительного элемента 17 и фланца 16 в полый ствол 1 и далее в скважину 40. Поскольку каналы запорного элемента, соединительного элемента и фланца, полость ствола, скважина, трещины и поры в горном массиве предварительно заполнены рабочей жидкостью, в первый момент движение газа создает в жидкости ударную волну, т. е. генерирует импульсы, а затем газ вытесняет жидкость в обрабатываемый массив вплоть до выравнивания его давления со статическим давлением нагнетания рабочей жидкости. Напряжения, возникшие в массиве вследствие действия ударной волны и вытеснения рабочей жидкости газом, приводят к раскрытию имевшихся в массиве трещин и созданию новых. Установление величины напряжения (заданных параметров импульса) производится степенью сжатия пружины 13 путем воздействия на шток 10 с конусом 11 (фиг. 8).

Газообразные продукты химической реакции, вылетая из ствола 1, оказывают динамическое воздействие на столб рабочей жидкости, заполнившей скважину и трещины в массиве. Энергия газообразных продуктов расходуется, в основном, на образование и раскрытие трещин в массиве и лишь частично на фильтрацию жидкости в массив. В варианте выполнения установки с дополнительной герметизацией прискважинного пространства вязкой жидкостью часть энергии расширяющихся газообразных продуктов расходуется также на ограниченное осевое перемещение подпружиненной прижимной манжеты 26 по наружной поверхности ствола 1 в направлении к его устью. В результате перемещения манжеты энергия импульса передается на вязкую жидкость 42, заполнившую затрубное пространство 28 от обсадной трубы 20 до манжеты 26. При этом вязкая жидкость, перекрывая устья трещин в массиве и на контакте массива с узлом цементно-песочной обвязки устья скважины, фильтруется в весьма незначительном количестве, раскрытие трещин на участке герметизации скважины практически исключается, создается барьер для рабочей жидкости и газообразных продуктов на пути их движения к устью скважины. Заполнение устьев трещин тем полнее, чем больше величина импульса и давление газа, передаваемых на манжету.

В результате продвижения рабочей жидкости и газа во вновь образовавшиеся трещины и поры давление в скважине уменьшается. Усилие пружины и напор рабочей жидкости в магистральном трубопроводе 7 отжимают клапан 5. Рабочая жидкость снова поступает в скважину. Далее процессы подачи жидкости и генерации импульсов повторяются.

Экспериментальная проверка установки для генерирования импульсов давления в лабораторных и стендовых условиях показала, что по сравнению с ближайшим аналогом предлагаемое изобретение имеет целый ряд преимуществ, устраняющих недостатки вышеуказанного аналога: наличие систем фиксации газогенератора расширяет область применения установки; конструкция запорного элемента двухстороннего действия обеспечивает технологичность проведения сборки и исключает повреждение магистрального трубопровода импульсным давлением; поочередная изоляция газогенератора и магистрального трубопровода надежна; не требуется разборка установки; выбран более эффективный энергоноситель; энергоноситель размещен в торце газогенератора, что технологично при сборке-разборке и позволяет контролировать данный процесс; выходящая в выработку длина установки сокращена на 1,5 м.

Предлагаемая установка для генерации гидравлических импульсов позволяет воздействовать на горный массив с величиной импульсов до 100 МПа. Удобна в обслуживании, оперативна в перезарядке. Наличие лафета и расположение газогенератора и запорного элемента по отношению к стволу под углом, близким к 90^o, сокращает длину той части установки, которая размещается в выработке и расширяет условия применения, практически не ограничивает их. Вышеописанные преимущества позволяют повысить надежность работы предлагаемой установки и сократить время подготовительных работ.

Квазистатический режим нагнетания жидкости в горный массив, протекающий вслед за ударной волной, способствует увеличению зоны воздействия в радиусе до 10 м от скважины и повышает равномерность обработки массива. При необходимости установка, размещенная в горной выработке, способна осуществлять 5 . .. 10 циклов воздействия на каждой скважине.

Изобретение относится к области горной промышленности и может быть использовано для воздействия на массив угля или пород с целью интенсификации процесса дегазации, борьбы с внезапными выбросами угля и газа, а также для ослабления трудно-обрушаемых пород кровель и отбойки угля при разработке круто-падающих пластов, а при использовании связующих веществ в рабочей жидкости - для тампонирования трещин и скрепления горного массива. Установка включает газогенератор, полый ствол и запорный элемент с седлом, выполненный с возможностью сообщения газогенератора с полым стволом, а также герметизатор ствола и магистральный трубопровод для подачи рабочей жидкости в полый ствол. Газогенератор и запорный элемент расположены под углом 90^o к продольной оси ствола. Запорный элемент снабжен подпружиненным со стороны магистрального трубопровода клапаном и дополнительным седлом с возможностью поочередного сообщения газогенератора и магистрального трубопровода с полым стволом. Установка. способна осуществлять циклическое воздействие на горный массив с величиной импульсов давления до 100 МПа, а также способствует увеличению зоны воздействия в радиусе до 10 м от скважины. Она оперативна в перезарядке энергоносителя и удобна в обслуживании. Условия ее применения практически не ограничены. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Установка для генерации гидравлических импульсов давления, включающая газогенератор, полый ствол и запорный элемент с седлом, выполненный с возможностью сообщения газогенератора с полым стволом, а также герметизатор ствола и магистральный трубопровод для подачи рабочей жидкости в полый ствол, отличающаяся тем, что газогенератор и запорный элемент расположены под углом к продольной оси ствола, близким к 90^o, при этом запорный элемент снабжен подпружиненным со стороны магистрального трубопровода клапаном и дополнительным седлом с возможностью поочередного сообщения газогенератора и магистрального трубопровода с полым стволом. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для фиксации относительно направления ствола и восприятия динамических нагрузок газогенератор и запорный элемент закреплены на лафете. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что клапан запорного элемента выполнен в виде штока с конусом и прокладкой, при этом шток выполнен с возможностью изменения степени сжатия пружины клапана для установления заданных параметров импульса.