УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ (ОПБ) ЛИТОЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА КРОВЛИ ВЫРАБОТКИ Российский патент 2019 года по МПК E21B49/02 

I. Область техники

Настоящее изобретение относится к способу определения при бурении (ОПБ (detection while drilling, DWD)) литологического состава кровли выработки, который в особенности применим к геологическим условиям кровлей выработки со сложной и переменной литологией в угольных шахтах, решает основную задачу количественного описания литологического состава кровли выработки и применяется в технической области крепления выработок в шахтах.

II. Уровень техники

На условия залегания угольных ресурсов в Китае воздействует окружающая осадочная среда, и литология кровли выработки часто меняется в той же выработке в том же слое. Поскольку невозможно своевременно измерить литологические характеристики кровли выработки, конструкция креплений не может быть изменена своевременно, когда литология кровли изменяется. Следовательно, иногда могут происходить аварийные ситуации с кровлей из-за недостаточной прочности креплений, или укрепляющие материалы расходуются понапрасну и эффективность бурения снижается из-за чрезмерной прочности креплений.

В настоящее время, существует три основных способа выяснения литологии кровли выработки:

в первом способе добывают колонку породы путем геологического бурения колонки породы, проводят анализ вручную в соответствии со столбчатой структурой колонки породы для получения геомеханических параметров породы, окружающей кровлю, а затем определяют конструкцию креплений, но этот способ требует много времени и подразумевает большие затраты, геологическое бурение требует много места и не пригодно для использования в тоннельном забое, а также не может быть использовано в любое время и в любом месте, так как горнопроходческая машина проходит дальше;

вторым способом является способ геофизической разведки, согласно которому используют аномалии, которые несет породная толща, обнаруживаемые с помощью различных физических свойств (таких как плотность, магнитные свойства, электрические свойства, скорость распространения упругой волны, радиоактивность и т.п.) для получения вывода о геологическом строении; однако способ геофизической разведки в основном обнаруживает положения разделов (разломов и их зон трещинообразования, слабых переслаиваний, границ между различными породными толщами, и границ между пластами) и не может эффективно определять литологию пластов кровли выработки, которая является ключевой и сложной точкой при укреплении выработки и проектировании и разработки креплений;

в третьем способе используют пробу структуры кровли в качестве средств наблюдения для получения проб литологии в буровой скважине в кровле выработки; однако, картина буровой скважины зачастую не ясна, и из-за сложной внешней среды и недостатков инструмента возникает существенная ошибка; следовательно, литологический состав кровли не может быть количественно выяснен.

Поэтому, требуется дальнейшее изучение способов определения литологического состава кровли выработок, и существует острая необходимость в способе, применимом для рабочих окружающих сред в выработках в угольных шахтах и с помощью которого можно быстро и точно определять литологический состав кровли выработки.

III. Описание изобретения

Техническая задача: Для преодоления описанных выше технических недостатков, настоящее изобретение обеспечивает устройство и способ для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки, которые включают в себя простые этапы, решают техническую задачу, заключающуюся в том, что литологический состав кровли не может быть быстро определен в тоннельной выработке и при процессе укрепления в угольных шахтах, могут установить литологический состав пластов кровли в режиме реального времени в процессе прохождения выработки и являются безопасными и эффективными.

Техническое решение: Для решения задачи, описанной ранее, обеспеченное настоящем изобретением устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки содержит устройство сбора обломков горных пород, устройство с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг, и усовершенствованный ручной анализатор руды, при этом устройство с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг расположено вертикально и выполнено с возможностью бурения отверстия в кровле; устройство сбора обломков горных пород содержит корпус, раструб для сбора обломков горных пород, канал, сушильное устройство, трубный фильтр, вентиляционные отверстия и дренажную трубу, причем сушильное устройство и трубный фильтр расположены вертикально внутри корпуса соответственно, сушильное устройство расположено вокруг трубного фильтра, наверху корпуса расположено отверстие, соединенное с трубным фильтром, множество вентиляционных отверстий расположены на сторонах корпуса, дренажная труба расположена снизу корпуса, отверстие раструба расположено по центру под раструбом для сбора обломков горных пород, канал расположен с одной стороны раструба для сбора обломков горных пород, верхнее отверстие раструба для сбора обломков горных пород расположено под буровой скважиной, пробуренной указанным устройством с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг, а раструб для сбора обломков горных пород соединен с трубным фильтром посредством канала.

Устройство с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг является гидравлической или пневматической; буровая штанга представляет собой буровую штангу изменяемого размера, вдоль буровой штанги на длине 1 м сверху вниз с интервалом 20 см выполняют выемки высотой 1 см и глубиной 1 мм и наносят цветные полосы красного, желтого, зеленого, светло-голубого и синего цвета распылением светоотражающей краски в выемки сверху вниз в направлении бурения.

Круговое отверстие раструба на дне раструба для сбора обломков горных пород имеет диаметр 20-30 мм, верхнее отверстие раструба для сбора обломков горных пород представляет собой круглое отверстие в расширенной части раструба, имеющее диаметр 50-60 см, и раструб для сбора обломков породы закреплен на кровле с помощью расширительных болтов; раструб для сбора обломков горных пород сварен с первой секцией стального канала в 50 см из канала, раструб для сбора обломков горных пород и канал выполнены из нержавеющей стали, а соединение между ними находится на самом нижнем конце раструба для сбора обломков горных пород.

Канал состоит из нескольких коротких стальных каналов в 50 см, соединенных резьбой. Сушильное устройство состоит из двух труб с электрическим нагревом, каждая из которых имеет встроенную хромоникелевую нить на 2000 Вт соответственно. Трубный фильтр содержит отверстия для фильтров на его нижней и боковых стенках, трубный фильтр имеет количество ячеек 80-120, а отверстия фильтра имеют диаметр 0,125-0,18 мм.

Способ для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки включает в себя следующие этапы, на которых:

а) перед бурением, поднимают верхнее отверстие собирающего раструба устройства сбора для сбора обломков горной породы в положение под буровой скважиной, устанавливая положение раструба для сбора обломков горных пород так, чтобы отверстие раструба находилось прямо под буровой скважиной, и закрепляют раструб для сбора обломков горных пород к каменной стене кровли с помощью расширительного болта;

б) начинают процесс бурения: проводят буровую штангу изменяемого размера и буровое долото устройства с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг через отверстие раструба в центре раструба для сбора обломков горных пород и осуществляют вертикальное бурение в кровлю, а также удлиняют буровую штангу изменяемого размера по мере необходимости в соответствии с глубиной бурения в процессе бурения;

в) в процессе бурения, останавливают бурение каждый раз, когда буровая штанга изменяемого размера продвигается на 20 см, собирают смешанный раствор обломков каменных пород в кровле с помощью раструба для сбора обломков горных пород, вводят для фильтрации смешанный раствор через канал в трубный фильтр устройства сбора для обломков горных пород, спускают воду через дренажную трубу с осаждением горных пород в трубном фильтре, высушивают обломки горных пород, осажденных в трубном фильтре с использованием сушильного устройства, расположенного вокруг трубного фильтра так, чтобы получить образец горной породы кровли в сегменте бурения, заменяют трубный фильтр в устройстве сбора для обломков горных пород, и записывают и нумеруют снятые трубные фильтры так, чтобы получить образцы горной породы кровли на разных глубинах;

г) повторяют этапы б) и в) в соответствии с глубиной бурения до достижения желаемой глубины бурения;

д) ранжируют собранные трубные фильтры согласно номерам, определяют и анализируют по порядку обломки горных пород в трубных фильтрах с помощью усовершенствованного ручного анализатора руды, и определяют литологические характеристики пластов кровли в буровой скважине от мелких до глубоких пластов путем сопоставления указанной записи глубины бурения.

Положительные эффекты:

В способе, предлагаемом в настоящем изобретении, используют специальное устройство сбора для сбора обломков горных пород, произведенных при бурении в процессе бурения кровли с помощью указанного устройства для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг, и весь процесс, включающий в себя поступление горной породы, фильтрацию, осаждение и сушку, осуществляют в тоннельном забое выработки, а литологический состав кровли выработки в определенном диапазоне измеряют с помощью усовершенствованного ручного анализатора руды. Указанный способ преодолевает недостаток, заключающийся в том, что одна и та же выработка обычно укрепляется одним и тем же способом в известном уровне техники, обеспечивает своевременное уточнение схемы укрепления в соответствии с изменением литологического состава кровли выработки и применим к кровлям выработки со сложными литологическими условиями; с использованием способа постоянно определяют литологический состав кровли в процессе прохождения выработки для обеспечения научной основы для разработки и уточнения режимов укрепления и параметров укрепления для того, чтобы избежать, насколько это возможно, возможного возникновения аварий с кровлей, и обеспечить безопасную и надежную рабочую среду для шахтеров в угольных шахтах; устройство и способ, предлагаемые в настоящем изобретении, просты в использовании, безопасны и надежны, и могут быть успешно использованы в реальных условиях.

IV. Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показана структурная схема размещения в плоскости по настоящему изобретению.

На чертеже: 1 - устройство сбора обломков горной породы; 2 - устройство с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг (single-head jumbolter); 3 - раструб для сбора обломков горной породы; 4 - отверстие раструба; 5 - канал; 6 - сушильное устройство; 7 - трубный фильтр; 8 - вентиляционное отверстие; 9 - дренажная труба; 10 - кровля; 11 - пол выработки.

На фиг. 2 схематично показана схема буровой штанги изменяемого размера;

На фиг. 3 схематично показана схема раструба для сбора обломков горной породы.

V. Осуществление изобретения

Далее настоящее изобретение будет подробно описано на примере со ссылками на прилагаемые чертежи.

Как показано на фиг. 1, устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки согласно настоящему изобретению содержит устройство сбора 1 обломков горных пород, устройство 2 с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг с одной головкой и усовершенствованный ручной анализатор руды, при этом устройство 2 с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг расположено вертикально и бурит отверстие в кровле 10; устройство сбора 1 обломков горных пород содержит корпус, раструб 3 для сбора обломков горных пород, канал 5, сушильное устройство 6, трубный фильтр 7, вентиляционные отверстия 8 и дренажную трубу 9, при этом сушильное устройство 6 и трубный фильтр 7 расположены вертикально внутри корпуса соответственно, сушильное устройство 6 состоит из двух труб с электрическим нагревом, имеющих встроенную хромоникелевую нить на 2000 Вт соответственно, сушильное устройство 6 расположено вокруг трубного фильтра 7, отверстие, соединенное с трубным фильтром 7 расположено наверху корпуса, множество вентиляционных отверстий 8 расположены на сторонах корпуса, дренажная труба 9 расположена снизу корпуса, отверстие 4 раструба расположено по центру под раструбом 3 для сбора обломков горных пород, канал 5 расположен с одной стороны раструба для сбора обломков горных пород и состоит из множества стальных каналов в 50 см, соединенных посредством резьбового соединения, верхнее отверстие раструба 3 для сбора обломков горных пород расположено под буровой скважиной, пробуренной указанным устройством 2 с одной головкой, а раструб 3 для сбора обломков горных пород соединен с трубным фильтром 7 посредством канала 5. Трубный фильтр 7 содержит отверстия для фильтров на его нижней и боковых стенках, трубный фильтр имеет количество ячеек 80-120, а отверстия фильтра имеют диаметр 0,125-0,18 мм.

Устройство 2 с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг является гидравлической или пневматической; как показано на фиг. 2, буровая штанга представляет собой буровую штангу изменяемого размера, выемки высотой 1 см и глубиной 1 мм выполняют вдоль буровой штанги на длине 1 м сверху вниз с интервалом 20 см, и наносят цветные полосы красного, желтого, зеленого, светло-голубого (cyan) и синего цвета распылением светоотражающей краски в выемки сверху вниз в направлении бурения, при этом L1 имеет длину 100 см, a L2 имеет длину 20 см.

Как показано на фиг. 3, круговое отверстие 4 раструба на дне раструба 3 для сбора обломков горных пород имеет диаметр 20-30 мм, верхнее отверстие раструба 3 для сбора обломков горных пород представляет собой круглое отверстие в расширенной части раструба, имеющее диаметр 50-60 см, и раструб 3 для сбора обломков породы закреплен на кровле с помощью расширительных болтов; раструб 3 для сбора обломков горных пород сварен с первой секцией стального канала в 50 см из канала 5, раструб для сбора обломков горных пород и канал выполнены из нержавеющей стали, а соединение между ними находится на самом нижнем конце раструба для сбора обломков горных пород.

Способ для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки включает в себя следующие этапы, на которых:

а) перед бурением, поднимают верхнее отверстие собирающего раструба 3 устройства сбора 1 для сбора обломков горной породы в положение под буровой скважиной, устанавливая положение раструба 3 для сбора обломков горных пород так, чтобы отверстие 4 раструба находилось прямо под буровой скважиной, и закрепляют раструб 3 для сбора обломков горных пород к каменной стене кровли с помощью расширительного болта;

б) начинают процесс бурения: проводят буровую штангу изменяемого размера и буровое долото указанного устройства с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг через отверстие 4 раструба в центре раструба 3 для сбора обломков горных пород и осуществляют вертикальное бурение в кровлю, а также удлиняют буровую штангу изменяемого размера по мере необходимости в соответствии с глубиной бурения в процессе бурения;

в) в процессе бурения останавливают бурение каждый раз, когда буровая штанга изменяемого размера продвигается на 20 см, собирают смешанный раствор обломков каменных пород в кровле 11 с помощью раструба 3 для сбора обломков горных пород, вводят для фильтрации смешанный раствор через канал 5 в трубный фильтр 7 устройства сбора 1 для обломков горных пород, спускают воду через дренажную трубу 9 с осаждением горных пород в трубном фильтре 7, высушивают обломки горных пород, осажденных в трубном фильтре 7 с использованием сушильного устройства 6, расположенного вокруг трубного фильтра 7 так, чтобы получить образец горной породы кровли в сегменте бурения, заменяют трубный фильтр 7 в устройстве сбора 1 для обломков горных пород и записывают и нумеруют снятые трубные фильтры 7 так, чтобы получить образцы горной породы кровли на разных глубинах;

г) повторяют этапы б) и в) в соответствии с глубиной бурения до достижения желаемой глубины бурения;

д) ранжируют собранные трубные фильтры 7 согласно номерам, определяют и анализируют по порядку обломки горных пород в трубных фильтрах с помощью усовершенствованного ручного анализатора руды и определяют литологические характеристики пластов кровли в буровой скважине от мелких до глубоких пластов путем сопоставления указанной записи глубины бурения.

Изобретение относится к устройству и способу для определения при бурении литологического состава кровли выработки. Техническим результатом является определение при бурении литологического состава кровли выработки. В устройстве и способе, предлагаемом в настоящем изобретении, используют специальное устройство сбора для сбора обломков горных пород, произведенных при бурении в процессе бурения кровли с помощью устройства для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг, и весь процесс, включающий в себя поступление горной породы, фильтрацию, осаждение и сушку, осуществляют в тоннельном забое выработки, а литологический состав кровли выработки в определенном диапазоне измеряют в режиме реального времени с помощью усовершенствованного ручного анализатора руды. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки, характеризующееся тем, что оно содержит устройство сбора (1) обломков горных пород, устройство (2) с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг и усовершенствованный ручной анализатор руды, при этом устройство (2) с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг расположено вертикально и выполнено с возможностью бурения отверстия в кровле (10);

устройство сбора (1) обломков горных пород содержит корпус, раструб (3) для сбора обломков горных пород, канал (5), сушильное устройство (6), трубный фильтр (7), вентиляционные отверстия (8) и дренажную трубу (9), причем сушильное устройство (6) и трубный фильтр (7) расположены вертикально внутри корпуса соответственно, сушильное устройство (6) расположено вокруг трубного фильтра (7), наверху корпуса расположено отверстие, соединенное с трубным фильтром (7), множество вентиляционных отверстий (8) расположены на сторонах корпуса, дренажная труба (9) расположена снизу корпуса, отверстие (4) раструба расположено по центру под раструбом (3) для сбора обломков горных пород, канал (5) расположен с одной стороны раструба для сбора обломков горных пород, верхнее отверстие раструба (3) для сбора обломков горных пород расположено под буровой скважиной, пробуренной устройством (2) с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг, а раструб (3) для сбора обломков горных пород соединен с трубным фильтром (7) посредством канала (5).

2. Устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки по п. 1, в котором устройство (2) с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг является гидравлическим или пневматическим; буровая штанга представляет собой буровую штангу изменяемого размера, вдоль буровой штанги на длине 1 м сверху вниз с интервалом 20 см выполняют выемки высотой 1 см и глубиной 1 мм и наносят цветные полосы красного, желтого, зеленого, светло-голубого и синего цвета распылением светоотражающей краской в указанные выемки сверху вниз в направлении бурения.

3. Устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки по п. 1, в котором круговое отверстие (4) раструба на дне раструба (3) для сбора обломков горных пород имеет диаметр 20-30 мм, верхнее отверстие раструба (3) для сбора обломков горных пород представляет собой круглое отверстие в расширенной части раструба, имеющее диаметр 50-60 см, и раструб (3) для сбора обломков породы закреплен на кровле с помощью расширительных болтов; раструб (3) для сбора обломков горных пород сварен с первой секцией стального канала в 50 см из канала (5), раструб для сбора обломков горных пород и указанный канал выполнены из нержавеющей стали, а соединение между ними находится на самом нижнем конце раструба для сбора обломков горных пород.

4. Устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки по п. 2, в котором канал (5) состоит из множества коротких стальных каналов в 50 см, соединенных посредством резьбового соединения.

5. Устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки по п. 2, в котором сушильное устройство (6) состоит из двух труб с электрическим нагревом, каждая из которых имеет встроенную хромоникелевую нить на 2000 Вт соответственно.

6. Устройство для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки по п. 2, в котором трубный фильтр (7) содержит отверстия для фильтров на его нижней и боковых стенках, трубный фильтр имеет количество ячеек 80-120, а отверстия фильтра имеют диаметр 0,125-0,18 мм.

7. Способ для определения при бурении (ОПБ) литологического состава кровли выработки с использованием устройства по п. 1, включающий в себя следующие этапы, на которых:

а) перед бурением поднимают верхнее отверстие собирающего раструба (3) устройства сбора (1) для сбора обломков горной породы в положение под буровой скважиной, устанавливая положение раструба (3) для сбора обломков горных пород так, чтобы отверстие (4) раструба находилось прямо под буровой скважиной, и закрепляют раструб (3) для сбора обломков горных пород к каменной стене кровли с помощью расширительного болта;

б) начинают процесс бурения: проводят буровую штангу изменяемого размера и буровое долото устройства с одной головкой для бурения скважин под штанговую крепь и для установки штанг через отверстие (4) раструба в центре раструба (3) для сбора обломков горных пород и осуществляют вертикальное бурение в кровлю, а также удлиняют буровую штангу изменяемого размера по мере необходимости в соответствии с глубиной бурения в процессе бурения;

в) в процессе бурения останавливают бурение каждый раз, когда буровая штанга изменяемого размера продвигается на 20 см, собирают смешанный раствор обломков каменных пород в кровле (11) с помощью раструба (3) для сбора обломков горных пород, вводят для фильтрации смешанный раствор через канал (5) в трубный фильтр (7) устройства сбора (1) для обломков горных пород, спускают воду через дренажную трубу (9) с осаждением горных пород в трубном фильтре, высушивают обломки горных пород, осажденных в трубном фильтре (7) с использованием сушильного устройства (6), расположенного вокруг трубного фильтра (7) так, чтобы получить образец горной породы кровли (11) в сегменте бурения, заменяют трубный фильтр (7) в устройстве сбора (1) для обломков горных пород и записывают и нумеруют снятые трубные фильтры (7) так, чтобы получить образцы горной породы кровли на разных глубинах;

г) повторяют этапы б) и в) в соответствии с глубиной бурения до достижения желаемой глубины бурения;

д) ранжируют собранные трубные фильтры (7) согласно номерам, определяют и анализируют по порядку обломки горных пород в трубных фильтрах с помощью усовершенствованного ручного анализатора руды и определяют литологические характеристики пластов кровли в буровой скважине от мелких до глубоких пластов путем сопоставления указанной записи глубины бурения.