Замораживающая колонка Советский патент 1983 года по МПК E21D1/14 

СП

о: Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении шахтных стволов с применением искусственного замораживания горных пород, преимущественно на больших глубинах. Известна колонка для зонального замораживания горных пород, включаю щая наружную и соосно с ней располо женные внутреннюю и промежуточную колонны труб, эластичную конусную втулку и жестко закрепленное на про межуточной трубе кольцо, при этом конусная втулка и промежуточная колонна труб установлены с возможностью продольного перемещения. Перемещение конусной втулки осуществляют помощью троса, размещенного между н ружной и промежуточной колоннами труб. Такая колонка позволяет производить многоступенчатое замораживани горных пород 1. Недостатком этой колонки является то, что перемещение конусной осуществляется с помош ю троса, для которого необходимо иметь на каждую колонку лебедку. При размещении вокруг ствола, например, 60-ти колоно столько же потребуется лебедок, что значительно усложняет управление колонками при переходах на очередную ступень замораживания. Но более существенным недостатком является то, что при переходе на третью и последу ющие ступени замораживания необходимо производить наращивание внутренней и промежуточной колонны А так как некоторые колонки-оказываются под проходческим копром в зоне, недоступной для монтажных работ, то в таких условиях осуществить замораживание более чем в две ступени с помощью этой колонки невозможно Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является замора живающая колонка для ступенчатого за мораживания горных пород, включающая .внешнюю колонну с днищем, внутреннюю и промежуточную соосно расположенные колонны труб, золотниковый механизм, расположенный на промежуточной колон не труб, и пакерующий механизм, расположенный между внешней и промажуточной колоннами труб. Золотниковый механизм выполнен в виде кольцевой камеры с поршнем и перепускными окн с1ми С 2 , Эта колонка позволяет производить замораживание горных пород в две ступени без наращивания внутренней и промежуточной колонны труб, однако при переходе на вторую ступень замораживания золотниковый механизм не обеспечивает герметичного разделен ш вьаие и нижерасположенных полостей между внешней и промежуточной колоннами труб. Вследствие этого полость между и промежуточной в:олрк-нами труб, расположенная выше золотникового механизма, заполнена вместо воздуха (теплоизолятора ) жидким хладоносителем, что приводит к большим тепловым потерям. Известная колонка не позволяет производить замораживание более чем в две ступени без наращивания внутренней и промежуточной колонны труб о А так как некоторые колонки оказываются под проходческим копром в зоне, недоступной для монт.ажных работ, то в таких условиях невозможно замораживание горных пород более, чем в две ступени. Цель изобретения: - осуществление многоступенчатого замораживания горных пород без Наращивания внутренней и промежуточной колонны труб в период работы колонки. Указанная цель достигается тем, что в известной замораживающей колонке, включающей внешнюю и соосно с ней расположенные внутреннюю и промежуточную колонны труб, золотниковый механизм, расположенный на промежуточной колонне труб, и йакерующий механизм, расположенный между внешней и промежуточной колоннам:- труб, промежуточная и внутренняя колонны труб расположены с возможностью относительного осевого перемещения и поворота, при этом замораживагадая колонка снабжена дополнительным пакерующим механизмом, расположенным между внутренней и промежуточной колоннами труб, дополнительными золотниковыми MexaHH3MaNn-, размещенными на внутренней колонв;е труб, и фиксатс ами, распoлoжeнны iи на внешней колонне труб, установленными с возможностью взаимодействия с золотниковыми механизмами На фиг.1 показана предлагаемая замораживающая колонка, вертикальный разрез, на фиг„2 золотниковый и пакерующий механиз1«ы; на фиг.З - вид А на фиг,, на. фиг, 4 вид Б на фиг, 2, на фиг,5 - дополнительный пакер и золотниковый механизм осевого типа, на фиг,б - золотниковый ме.ханизм поворотного типа/ ка фиг. 7 гвид В на фиг«б; на фиг.8-11 - схемы циркуляции хладоносителя при замораживании пород на различных ступенях. Замораживающая колонка включает внегинюю 1 ( обсадную J колонну труб, соосно с ней расположенные с возможностью осавого перемещения и поворота внутреннюю 2 и промежуточную 3 колонны труб, золотниковый механизм,4 поворотного трша, размещенный на промежуточной колонке труб, пакерующий меканизм 5, размещенный меж.ду внешней и промежуточной колоннами труб,-дополнительный пакерунвдий механизм 6, разобщенный между внутрейней и промеуточной колоннами труб г дополнительные золотниковые механизмы 7 осевого типа и золотниковый /5еханизм 8 поворотного типа, размещеннЕле на внутренней колонне труб, фиксатор 9, размещенный на внешней колонне труб и взаимодействующий с золотниковым механизмом 4, фиксатор 10, размещенный в нижней части внешней колонны труб и взаимодействующий с золотниковыми механизмами 7 и 8.

Внешняя колонна 1 труб, заглушенная , снабжена герметизирующими крышками 11 и 12, патрубком 13 и вектилем 14. В нижней части внешней колонны 1 размещен фиксатор 10, выполненный в виде крестообразно расположенных ребер. Он установлен на такой высоте от низа,, чтобы его не засыпало выпадающими в осадок твердыми взвесями солей, находяи1ихся в растворе хлористого кальция, который обычн используют в качестве хладоносителя. На внешней колонне 1 труб на уровне верха второй ступени замораживания устанавливают опорную муфту 15, снабженную фиксатором 9, выполненвыгл в виде клиновидного ребра.

Промежуточная 3 колонна труб опущена до верха третьей ступени замораживания, снабжена патрубком 16, вентилем 17, герметизирую1яими крышками 18 и 19 и подвешена на хсмуте 20, опирающемся на подставку 21. На уровне верха второй ступени замораживани на промежуточной колонне 3 труб размещен зологниковый механизм 4 поворотного типа.

Золотниковый механизм 4 включает внутренний 22 цилиндрический золотниковый пояс с отверстиями 23, соединенный резьбой с промежуточной колонной,. 3 в верхней части непосредственно, а в нижней - через муфту 24, внешний цилиндрический золотниковый пояс 25 с отверстиями 26 и выступающим ободком 27, и уплотнительное кольцо 28. Вокруг-отверстий23 установлены уплотнительные кольца 29 из упруго-эластичного материала. Совмещенное положение отверстий 23 и 26 фиксируется стопорным винтом 30.

Для обеспечения возможности перекрытия отверстий 23 и 26 выступающий обрдок 27 выполнен в виде прямозубой шестерни, входящей в зацепление с фиксатором 9, размещенным на опорной муфте 15, а промежуточная колонна установлер а с возможностью осевого перемещения и поворота.

Для обеспечениса поворота промежуточной колонны 3 относительно фиксированного положетшя внешнего .золотникового пояса 25 при перекрытии отвертий .23 и 26 на внутреннем 22 золотниковом поясе установлен ограничительный зинт 31, а на внешнем 25 - сдела на проточка 32,

При монтаже промежуточную колонну 3 труб скачала опускают до упора, т.е. до вступления в контакт с опорНОИ Gтoй 15 выступающего ободка 27 вне:анего золотникового пояса 25. Затем ее поднимают на столько, чтобы отверстия 23 и 26 золотникового механизма 4 оказались вытие выступающей части опорной муфты 15. При этом величина ее подъема составит примерно 15-20 a.i. В этом положении промежуточную 3 колонку труб закрепляют с помошью хомута 20 на подставке 21.

Пакерукхдий механизм 5, размещенный между внешней 1 и промежуточной 3 колоннами труб , включает коническую втулку 33 , выполненную из упруго-эластичного материала и плотно закрепленную на внешнем золотниковом поясе 25 золотникового механизма 4, взаимодействующую с опорной муфтой 15, размещенной на внешней колонне 1 труб .

Внутренняя колонна 2 труб состоит из соединенных между собой звеньев: верхнего 2а, промежуточного 2б и ниж, него 2в,- и снабжена патрубком 34, вентилем 35, герметизирующей крышкой 36,- центрирующими ребрами 37, пакеро -5 б, дополнительным золотниковым механизмом 7 осевого типа и дополнительным золотниковым механизмом В поворотного типа и подвешена на хомуте 38, опирающемся на подставку 39.

ДополниГельный пакер б выполнен из упруго-эластичного материала в виде цилиндрической втулки, жестко связанной с внутренней 2 колонной труб и входит в плотный контакт с промежуточной 3 колонной труб.

Дополнительный золотниковый 7 механизм .осевого типа размещен на внутречней колонне 2 труб на уровне верха третьей ступени замораживания. Он включает внутренний 40 и внешний 41 золотнккозые цилиндрические пояса с o epcтия ш 42 и 43 соответственно Их относительное осевое перемещение огт-аничено опорным буртиком 44, име аднмся на внутреннем поясе 40 ,и опорной гайкой 45,,Для предотвращения их относительного поворота на внутреннем поясе 40 сделан паз 4 6, в который входит стопорный винт 47 ,установленный на внешнем поясе 41. Вокруг отверстий 42 установлены утотнктельные кольца 48 из у: руго-эластичного материала. Внут ренний золотниковый пояс 40 соединен

резьбой с верхним звеном 2а внутренней ксшонны труб 2, а внешний золотниковый пояс 41 соадинен резьбой с промежуточным звеном 2б той же колонны,

Дополнительный золотниковый механизм 8 поворотного типа размещен на внутренней калснне труб 2 на уровне верха четвертой ступени замораживания. Он включает Енут;ленний 49 к внеи1Ний 50 золотниковые цилиндрические .пояса с отверстиями 51 и 52 соот ветственно, относительное осевое положение которых зафиксировано гайкой 53, а совмещенное положение отверсти 51 и 52 фиксируется стопорным винтом 34. Для обеспечения заданного поворот внутреннего пояса 49 .относительно фиксированного положения внешнего пояса 50 при перекрытии отверстий 51 и 52 на внешнем поясе 50 сделана про точка 55, а на внутреннем поясе 49 установлен ограничительный винт 56, Вокруг отверстий 51 установлены уплотнительные кольца 57 из упругоэластичного материала. Внутренний зо лотниковый пояс 49 соединен резьбой с промежуточным звеном 2б внутренней колонны 2 труб, а внешний пояс 50 соединен резьбой с нижним звеном 2в той же колонны. На нижнем торце нижнего звена 2в внутренней колонны 2 труб сделаны че редуюищеся пазы и выступы, причем с таким расчетом, чтобы опорные ребра фиксатора 10, соединенные в виде прямоугольной крестовины (в плане), при опускании внутренней колонны труб 2 до упора попадали в пазы. При монтаже внутреннюю колонну 2 сначала опускают до упора, т.е. до вступления в контакт с фиксатором 10 ее нижнего торца, затем ее поднимают настолько, чтобы промежуточное звено 26 оказалось в подвешенном сое тоянии, а пакер б зашел в промежуточную колонну 3 труб. При этом величина ее подъема составит примерно 40-50 см. В этом положении внутреннюю колонну 2 труб закрепляют с помо щью хомута 38 на подставке 39. Замораживаквдая колонка работает следую11им образом. При замораживании пород первой ступени вентиль 35 закрыт, вентили 14 и 17 открыты, пакерующий 5 механизм открыт. 1 1ркуляцию хладоносителя осуществляют через вентиль 14, патрубок 13, межтрубный канал 58, отверстия золотникового 4 механизма межтрубный канал 59, патрубок 16 и вентиль 17. При переходе на вторую ступень замораживания открывают вентиль 35, а в патрубки, 13 и 16 подают сжатый воздух, которым отжимают хладоноситель в каналах 58 и 59 ниже опорной 15, затем снимают 20 и промежуточная колонна 3 под действием собственноймассы опускается и за крывает пакерующий механизм 5, После этого выпускают воздух из каналов 58 и 59 и эакрывают вентиль 14 и при открытых вентилях 17 и 35 осуществля ют циркуляцию хладоносителя через патрубок 34, внутреннюю колонну -2 труб, отверстия дополнительного золотникового механизма 7, межтрубный канал 60, отверстия золотникового механизма 4, межтрубный канал 59 и патрубок 16. При переходе на третью ступень замораживания перекрывают отверстия 3олотниксвого 4 механизма. Для этого промежуточную 3 колонну труб поворачивают по часовой стрелке до упора. При этом внешний 25 золотниковый пояс остается неподвижным, так как его ободок 27 входит в зацепление с фиксатором 9, а внутренний 22 золотниковый пояс поворачивается вместе с промежуточной колонной 3 труб При этом стопорный винт 30 срезается, а ограничительный винт 31,. перемещаясь в проточке 32 из одного крайнего положения в другое, ограничивает угол поворота и определяет положение, при котором отверстия золотникового механизма 4 будут полностью перекрыты. После этого снимают хомг/т 38 и внутренняя колонна 2 труб под действием собственной массы опускается до упора. При этом ее нижнее звено 26 устанавливается на опорные ребра фиксатора 10, а внутренний золотниковый пояс 40 смещается вниз относительно внешнего золотникового пояса 41, в результате отверстия 42 и 43 полностью перекрываются. Канал 59 между внутренней 2 и промежуточной 3 колоннами труб открывается, так как дополнительный пакер 6 выходит из промежуточной колонны 3 труб, Замораживание пород третьей ступени производят при открытых вентилях 17 и 35. Циркуляцию хладоносителя осуществляют через патрубок 34, внутреннюю 2 колонну труб, отверстия дополнительного золотникового механизма В, межтрубные каналы 61 и 59 и патрубок 16. . При переходе на четвертую ступень замор.аживания перекрывают отверстия золойни нового механизма 8. Для этого внугреннюю копонну 2 труб поворачивают по часовой стрелке до упора. При: этом ев нижнее звено 2в, взаимодействующее с фиксатором 10, остается неподвижным, а верхнее 2а вместе с промежуточным 26 звеном и внутренним золотниковым поясом 49 поворачивается, срезая стопорный винт 54. 3 пределах угла поворота, ограниченного ходом ограничительного винта 56 в проточке 55, полностью перекрываются о.тверстия 51 и 52 золотникового механизма В. При замораживании горных пород четвертой ступени циркуляцию хладоносителя осуществляют через патрубок 34, внутреннюю колонну 2 труб, межг-рубные каналы 61 и 59 и патрубок 16. Применение предлагаемой заморажпваю1ЧЗй КО.ЛОНКК позволит осуществлю: -, многоступенчатое (до 4-х ступеней .

замораживание горных пород без наращивания внутренней и промежуточной колонн труб в парио.а se работы. С помощью этой колонки может производиться четырехступенчатое замораживание горных пород при установленном над шахтным стволом проходческом копре и в других стесненных условиях, когда невозможно осуществлять наращивание внутренней и промежуточной колонн труб. Применение этой колонки при замораживании горных пород на большие глубины, порядка 1200 м, позволяет уменьшить мощность згмораживающей станции и, соответственно, капитальные затраты на ее сооружение по сравнению с двухступенчатым заморг1живанием на ту же глубину.

JS

фш. f

Фг/г. J

22

26

Фиг. 5

Фиг. 6

ei/ffS

-л,1/.

,ff JJ f6 .7

.в

Фш.З

Фиг. f0

(риг. //

ЗАМОРАЖИВАВДАЯ КОЛОНКА,включгиощая внешнюю и соосно с ней расположенные Ънутреннюю и промежуточную колойны труб, золотниковый механизм, расположенный на промежуточной колонне труб, и пакерующий механизм, расположенный между внешней и промежуточной колоннами труб, отличающаяся тем, что, с целью осуществления многоступенчатого замораживания горных пород без нарашлвания внутренней и промежуточной колонны труб в период работы колонки, промежуточная и внутренняя колонны труб расположены- с возможностью относительного осевого перемещения и поворота, при этом замораживающая колонка снабжена дополнительным пакерующим механизмом, расположенным между внутренней и промежуточной кoлoннa л труб, дополнительными золотниковыми механизмами, размей енными на внутренней колонне труб, и фиксаторами,расположенными на внешней колонне труб, устг1новленными с возможностью взаимо-§ действия с золотниковыми механизмами. (Л