Устройство для разрушения горных пород Советский патент 1989 года по МПК E21B7/14 

I1

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для разрушения горных пород при термическом бурении скважин и шпуров, а так- |же при работах по открытому забою, в. |штольнях, карьерах и при разделке нега- Ьаритов.

Цель изобретения - расширение облас- ;Ги применения и обеспечение автономности работы.

На фиг. 1 изображено устройство для разрушения горных пород; на фиг. 2 - дисковый перекрыватель.

Устройство содержит удлиненный цилиндрический корпус 1 с сопловой головкой 2, снабженной тяговыми 3 и забойными 4 соплами, прерыватель потока в виде диска 5 с полукольцевой прорезью 6, привод прерывателя в виде крыльчатки 7 (рабочее ко- pieco), вал 8 крыльчатки, редуктор 9, вал 10 дискового прерывателя 5, подшипник 11, нижнюю перегородку 12 с выпускными отверстиями 13, разделительную перегородку 14, емкость 15 для охлаждающего агента, емкость 16 для топливного компонента, нижние 17 и верхние 18 ограничители, штуцер 19 топливной емкости, штуцер 20 емкости для охлаждающего агента, порщни 21 с патрубками 22, внутреннюю перегородку 23 топливной емкости с обратным клапаном 24, боковые кронштейны 25, толкатель 26, шарнир 27 толкателя 26, кольцевые пружины 28, упоры 29, шарниры 30 упоров 29, шпонки 31, ведущую зубчатую рейку 32, шестерню 33, внутренний кронштейн 34, фиксатор 35, систему воспламенения, включающую контактную ламель 36, электровоспламенитель 37 с контактами 38, зарядные гнезда 39 электровоспламенителя 37 и термовоспламенитель 40, переводник 41, кулачок 42, конический отсекатель 43 с компенсационными окнами 44, лабиринтными перегородками 45 и рабочими окнами 46.

При этом корпус 1 устройства крепится к бурильным трубам с помощью переводника 41. К внешней боковой поверхности корпуса 1 приварены боковые кронштейны 25, на которых с помощью шарниров 27 закреплены упоры 29, подпружиненные кольцевыми пружинами 28. Упоры 29 соединены шарнирами 30 с толкателями 26 и

зафиксированы щпонками 31. Между толкателем 26, находящимся слева со стороны камеры сгорания, и ведущей зубчатой рейкой 32 установлен кулачок 42.

Внутренняя полость корпуса разобщена

0 внутренней разделительной перегородкой 14 на две цилиндрические части, образующие емкость 15 для охлаждающего агента и емкость 16 для топливного компонента. Стенки емкости 15 имеют термоизоляционные прокладки.

В боковой поверхности корпуса 1 имеются сквозные отверстия со щтуцерами 20 и 19 для заправки емкости 15 охлаждающим агентом и емкости 16 топливным компонентом соответственно. Каждая из емкосQ тёй 15 и 16 снабжена массивными поршнями 21 с патрубками 22, к которым при работе устройства на поверхности крепятся штоки гидроцилиндров.

Движение поршней 21 ограничивается нижними 17 и верхними 18 ограничителя5 ми, установленными на внутренних поверхностях емкостей 15 и 16. Нижняя внутренняя перегородка 12 имеет круглые выпускные отверстия 13 равного диаметра, через которые в сопловую головку 2 поступают газообразные продукты сгорания и охлаж дающий агент.

На нижней перегородке 12 на подшипнике 11 подвешен вал 10, соединенный через редуктор 9 с валом 8 крыльчатки 7. На вал 10 посажен дисковый прерыватель 5, имеющий полукольцевую прорезь 6. Длина образующей сегмента полукольцевой прорези 6 меньше длины соответствующей полуокружности на величину диаметра выпускных отверстий 13. Это обеспечивает синхронизацию работы емкостей 15

0 и 16: в момент закрытия выпускного отверстия емкости 15 открывается выпускное отверстие емкости 16.

Емкость 16 для топливного компонента имеет внутреннюю горизонтальную перегородку 23. Нижняя 12, внутренняя 23 и разделительная 14 перегородки и боковая поверхность корпуса 1 образуют камеру сгора- ния, сообщенную с емкостью 16 дл я топливного компонента обратным клапаном 24. Обратный клапан 24 фиксируется в нерабочем (закрытом) положении фиксатором (задвижкой) 35, нижняя поверхность которого имеет зубчатую нарезку, входящую в за- цепление с щестерней 33, закрепленной на внутреннем кронщтейне 34. Шестерня 33 находится также в зацеплении с ведущей зубчатой рейкой 32. На нижней поверхности рейки 32 установлена контактная ла- мель 36. На внутренней поверхности камеры сгорания под ведущей зубчатой рейкой 32 установлен электровоспламенитель 37 с контактами 38, а на противоположной стенке камеры сгорания установлен термовоспламенитель 40. Камера сгорания имеет в сквозных отверстиях корпуса 1 герметизированные гнезда 39 для зарядки (подачи зарядного напряжения) электровоспламенителя 37.

На внутренней поверхности сопловой го- ловки 2 установлен конический отсекатель 43, имеющий два рабочих 46 и два компенсационных 44 окна. Последние перекрыты лабиринтными перегородками 45, установленными на внутренней поверхности отсекате- ля 43 и образующими вместе с компен- сационными окнами 44 демпфер. Лабиринтные перегородки образованы двумя полуцилиндрами, размещенными коаксиально под компенсационными окнами, открытыми частями навстречу друг другу.

Устройство работает следующим образом. В скважинном варианте перед спуском устройства в скважину емкости 15 и 16 заполняются ПОД давлением через штуцеры 20 и 19 соответственно охлаждающим агентом, например сжиженным кислородом или углекислым газом, и газообразным горючим компонентом, например бензовоздущной смесью. При этом порщни 22 отжимаются вверх до упора в ограничители 18.

Электровоспламенитель 37 (например, конденсатор) зар яжают путем подачи напряжения через гнезда 39 от внещнего источника питания. С помощью переводника 41 устройство крепится на трубах и спускается в скЬажину на заданную глубину. При спуске устройства подпружиненные кольцевыми пружинами 28 упоры 29 скользят по стенкам скважины, чем достигается свободное прохождение устройства в стволе. После достижения заданной глубины устройство приводится в действие. Для этого производится перемещение устройства вверх на 0,2-0,3 м путем подъема труб. При этом упоры 29 упираются в стенки скважины и поворачиваются на шарнирах 28

вместе с закрепленными на них щпонка- ми 31 толкателями 26. Движение левого толкателя 26 через кулачок 42 передается ведущей зубчатой рейке 32, вследствие чего она перемещается через герметизированную прорезь внутрь камеры сгорания. При этом рейка 32 вращает находящуюся в зацеплении с ней щестерню 33.- В результате вращения щестерни 33 смещается задвижка фиксатора 35, входящая в зацепление с щестерней 33 зубцами на своей нижней поверхности. При смещении задвижки 35 в сторону, противоположную направлению движения ведущей рейки 32, освобождается подпружиненный клапан 24 и горючая смесь из емкости 16 начинает поступать в камеру сгорания. Одновременно с этим ламель 36, закрепленная на ведущей зубчатой рейке 32, замыкает контакты 38 электровоспламенителя 37. Возникающая искра (дуговой разряд) поджигает горючую смесь и начинается рабочий цикл устройства.

Принцип работы устройства основан на чередовании воздействия на горные породы забоя высокотемпературной струи раскаленного газа и низкотемпературной струи охлаждающего агента. Очередность термо- и криогенного воздействия на забой регулируется дисковым прерывателем 5 следующим образом. После поджигания горючей смеси, поступившей в камеру сгорания из емкости 16 через клапан 24, струя газа под давлением поступает в сопло 2 через отверстие 13 в нижней перегородке 12 и полукольцевую прорезь 6 в дисковом прерывателе 5. Начальное положение прорези 6 против выпускного отверстия 13 устанавливается автоматически при заправке емкости 15 охлаждающим агентом. Если к началу заправки прорезь 6 Haxoj дится против выпускного отверстия в нижней перегородке заполняемой емкости 15 для охлаждающего агента, то последний стравливается через выпускное отверстие и полукольцевую прорезь 6 в сопло 2 и, воздействуя на лопатки крыльчатки 7 через компенсационные окна 44, разворачивает дисковый прерыватель 5 в положение, показанное на фиг. 1, т. е. до совпадения прорези 6 с выпускным отверстием в нижней перегородке 12 камеры сгорания. Поскольку в этот момент клапан 24 зафиксирован задвижкой 32 и давление газа в камере сгорания отсутствует, дисковый прерыватель 5 останавливается в этом положении, перекрыв своей сплошной частью выпускное отверстие в нижней перегородке емкости 15 для охлаждающего агента. Вследствие этого поток охлаждающего агента к крыльчатке 7 прерывается, диск прерывателя останавливается и емкость 15 заполняется охлаждающим агентом до заданного номинального давления.

Если к моменту зарядки емкости 15 дис- йовый прерыватель 5 занимает исходное рабочее положение (фиг. 1), то заполнение ёмкости 15 производится сразу до заданно- I1O давления, так как ее выпускное отвер- с|тие перекрыто.

I С началом рабочего цикла струя раскаленного газа, поступающая в сопло 2, разделяется отсекателем 43 на два -потока, ЕЮ избежание воздействия газодинамичес- };их ударов на крыльчатку 7. Основная часть потока через рабочее окно 46 отсе- кателя 43 и забойные сопла 4 поступает на забой, производя тепловые разрушения забоя. Подача устройства осуществляется при истечении газа из тяговых со- пел 3. При первом рабочем цикле струя 1)аскаленного газа раскаляет термовоспламенитель 40 (например, вольфрамовый или 1;онстантановый стержень, тлеющую поро- : совую шашку), который поджигает горю- 1ую смесь при последующих рабочих цик- Jjax.

Вторая часть потока через компенсаци- онные окна 44 отсекателя 43 и внутрен- |нее пространство лабиринтных перегородок |45 демпферов проходит к лопаткам крыль- 1чатки 7 (рабочего колеса) и приводит во :вращение вал 8 крыльчатки 7. Система: ютсекатель 43, компенсационные окна 44, |лабиринтные перегородки 45 служит для сни- 1жения величины газодинамических ударов |потока газообразных агентов, поступающих 1к крыльчатке 7, путем отсечения основ- |ной части потока на забой и гашения импульсных перегрузок, создаваемых газовой |струей на крыльчатке 7. Вращение вала 8 I крыльчатки 7 передается через редуктор 9 валу 10, на который посажен дисковый прерыватель 5. Шлицевой конец вала 10, : проходящего через перегородку 12, опирается на подшипник 11, закрепленный на перегородке 12. В течение полуоборота диско- вого прерывателя 5 кольцевая прорезь 6 совпадает с выпускным отверстием 13 камеры сгорания, обеспечивая прохождение раскаленного газа из камеры сгорания в головку 2 и далее через окна 44 и 46 и сопло 4 на забой. В течение следующего полуоборота дискового прерывателя 5 прорезь б совмещается с выпускным отверстием в нижней перегородке 12 емкости 15 для охлаждающего агента, обеспечивая его прохождение к забою через рабочие окна 46 отсекателя 43 и вращение крыльчатки 7 частью струи, прошедшей через компенсационные окна 44 и лабиринтные перегородки 45. В течение этого полупериода осуществляется криогенное воздействие на забой. После прохождения прорези 6 перед выпускным отверстием в нижней перегород- ке 12 емкости 15 доступ охлаждающего агента к забою прекращается, открывается выпускное отверстие в нижней перегородке 12 камеры сгорания и начинается новый цнкл теплового воздействия.

В течение цикла криогенной обработки забоя выпускное отверстие 13 камеры сгорания закрыто дисковым прерывателем 5 и камера сгорания заполняется горючим компонентом из емкости 16 через клапан 24. Поступившая в камеру сгорания горючая смесь воспламеняется от термовоспламенителя 40, накаливание которого произошло в предыдущем цикле термической обработки забоя. Давление в камере сгорания возрастает, начинает превосходить давление в емкости 16., вследствие чего клапан 24 срабатывает и перекрывает доступ из нее горючего компонента. Высокое давление, развивающееся в камере сгорания после срабатывания (закрытия) клапана 24 при перекрытом выпускном отверстии 13, обеспечивает импульсное воздействие на забой высокотемпературной струей газа в рабочем цикле термической обработки при прохождении прорези 6 дискового прерывателя 5 перед выпускным отверстием 13 камеры сгорания. Это дополнительно интенсифицирует процесс разрушения забоя путем газодинамического удара раскаленной струи по забою в отличие от известных устройств, работа которых основана на равномерном истечении из сопел высокотемпературной струи газа.

Давление массивных поршней 21 компен; сирует падение давления в камерах 16 и 15 по мере расходования горючего и охлаждающего агентов, при этом в нижнем положении поршни 21 фиксируются на ограничителях 17.

Для того, чтобы избежать поломки упоров 29 при запуске устройства в работу путем перемещения устройства вверх, а также для обеспечения свободного извлечения устройства из скважины по окончании работы, упоры 29 соединены с толкателями 26 с помощью шарниров 30 и зафиксированы шпонками 31. При подъеме устройства из скважины упоры 29, врезаясь в стенки скважины, разворачиваются на шарнирах 27 вместе с толкателями 26 под действием пары сил - тягового усилия корпуса 1 и силы сопротивления со стороны стенок скважины. Когда величина момента превосходит величину разрушающего усилия ш понок (1,5-2 тс), шпонки 31 срезаются, упоры 29 освобождаются от зацепления с толкателями 26 и при дальнейшем движении устройства вверх упоры 29 свободно разворачиваются на шарнирах 30. При этом толкатели 26 вместе с освобожденными упорами 29 отжимаются кольцевыми, пружинами 28 к передней (сопловой) части корпуса 1, чем обеспечивается свобод ное прохождение устройства в стволе скважины.

При работе устройства на поверхности по открытому забою, в карьерах, при разделке негабаритов, при подготовке шпуров.

а также шурфов устройство изготавливается без боковых кронштейнов 25, а дополнительное давление в камерах 15 и 16 создается гидроцилиндрами, штоки которых крепятся к патрубкам 22 поршней 21. При этом начальное поджигание горючей смеси в камере сгорания осушествляется подачей высокого напряжения пробоя на контакты 38 электровоспламенителя 37 через зарядные гнезда 39.

Формула изобретения

Устройство для разрушения .горных по- род, включающее цилиндрический корпус с сопловой головкой и камерой сгорания, емкости для топливного компонента и ох- лаждаюш,его агента с выпускными отверстиями, прерыватель потока топливного компонента и охлаждающего агента с приво- до,м, систему воспламенения, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и обеспечения автономности работы, оно снабжено установленным в корпусе над сопловой головкой коническим от- секателем с рабочими и компенсационными окнами и закрепленными на внутренней

5

0

поверхности отсекателя под компенсационными окнами демпферами, каждый из которых образован двумя лабиринтными перегородками в виде коаксиальных полуцилиндров, при этом емкости для охлаждающего агента и топливного компонента размещены в корпусе, причем емкость для топливного компонента сообщена с камергой сгорания посредством обратного клапана и фиксируемой задвижки, установленных в выпускном отверстии, а прерыватель потока выполнен в виде диска с полукольцевой прорезью и размещен в корпусе между сопловой головкой и емкостями, причем его привод выполнен в виде крыльчатки, размещенной под коническим отсекателем, а система воспламенения выполнена в виде размещенных в камере сгорания термовоспламенителя, электровоспламенителя и контактной ламели, установленной на подвижной рейке, которая размещена в герметизированном отверстии, выполненном в боковой стенке камеры сгорания, и кинематически связана с подпружиненным толкателем, размещенным на внешней стенке этой камеры, при этом подвижная рейка также кинематически связана с фиксируемой задвижкой.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для разрушения горных пород при термическом бурении скважин и шпуров, а также разделке негабаритов. Цель изобретения - расширение области применения и обеспечение автономности работы. В корпусе (К) 1 над сопловой головкой расположен конический отсекатель 43 с рабочими и компенсационными окнами 46 и 44 и демпферами в виде лабиринтных перегородок 45. Емкость 15 для охлаждающего агента и емкость 16 для топливного компонента размешены в К 1. Емкость 16 со- обш,ена с камерой сгорания посредством обратного клапана 24 и фиксируемой задвижки 35. Прерыватель потока выполнен в виде диска 5 с полукольцевой прорезью 6, размешен в К 1 между сопловой головкой 2 и емкостями. Его привод выполнен в виде крыльчатки 7 и размешен под отсекателем 43. Система воспламенения выS

фие.2