Скважинное устройство для образования направленных трещин Советский патент 1993 года по МПК E21C37/04 

Изобретение относится к разрушению горных пород и может быть использовано для отделения горной породы от массива, раскалывания негабаритов, добычи и обработки строительного камня.

Цель изобретения - повышение эффективности работы.

На чертеже представлен продольный разрез устройства.

Устройство включает внутреннюю трубу 1 с кольцевым упором 2 в виде усеченного конуса и продольными прорезями 3. В трубе 1 установлен шток 4 со сквозным центральным каналом 5 подвода рабочей жидкости и клапаном 6 на торце, введенном в трубу 1. Другой торец штока 4 соединен с вибратором 7. На боковой поверхности штока 4 через прорези 3 закреплены шпонки 8. На

трубу 1 насажена втулка 9 из материала, который под действием внешней нагрузки из монолитного превращается в сыпучую смесь с различными размерами частиц. Втулка 9 зажата с одного торца кольцевым упором 2 трубы 1, а с другого торца кольцевым упором 10 внешней трубы 11, коакси- ально насаженной на трубу 1 и имеющей с последней зацепление типа винт-гайка. Для удобства взаимного вращения шток 4 и труба 11 снабжены ручками 12 и 13, которые вставлены в соответствующие отверстия и при необходимости могут свободно сниматься. Для подачи в канал 5 рабочей жидкости в боковой поверхности штока 4 выполнено отверстие 14 с резьбой, в. которое ввинчен штуцер 15.

Устройство работает следующим образом.

00

о о

N) О О

СО

Устройство с помощью штуцера 15 подсоединяют к системе нагнетания высоковязкой жидкости, заполняют высоковязкой жидкостью и подают в скважину 16 до упора в забой. С помощью рукояток 12 и 13 враща- ют внешнюю трубу 11 относительно штока 4 таким образом, чтобы она, навинчиваясь на внутреннюю трубу 1, сближала кольцевые упоры 2 и 10, обеспечивая тем самым разрушение втулки 9. Втулка 9 выполнена из смеси песка и связующего, которая под действием сжимающих сил со стороны упоров 2 и 10 переходит из монолитного состояния в сыпучее. При этом частицы песка, обладая большей прочностью, чем горная порода, внедряются в стенки скважины, а частицы связующего песок вещества заполняют пространство между частицами песка. В результате между внутренней трубой 1 и стенками скважины 16 образуется кольце- вая пробка, которая с одной стороны надежно удерживает устройство от продольного перемещения, ибо имеет сильное сцепление с горной породой, а с другой стороны не пропускает жидкость, так как пространство между частицами песка забито непроницаемым веществом. После этого через штуцер 15 начинают подавать жидкость под давлением, которого недостаточно для разрыва горной породы, но способного выталкивать шток 4 из внутренней трубы 1,до упора шпонок 8 в края прорезей 3. Затем включают вибратор 7, обеспечивающий ударные нагрузки на шток 4 в направлении забоя скважины 16. В момент ударного нагружения шток 4 перемещается к забою, от чего клапан 6 перекрывает канал 5 подвода рабочей жидкости и в призабойной зоне скачком повышается давление, приводящее к образованию в горной породе трещины 17 в плоскости, перпендикулярной скважине. После окончания ударного нагружения на шток 4 клапан 6 под давлением подаваемой через канал 5 жидкости открывается и шток 4 выталкивается из трубы 1 до упора шпонок 8 в края прорезей 3. Затем под действием ударной нагрузки со стороны вибратора 7 шток 4 вновь перемещается к забою скважины, обеспечивая следующее импульсное повышение давления. Размеры создаваемой трещины 17 определяются числом импульсных нагружений штока 4 со стороны вибратора или количеством поданной в трещину 17 жидкости. Образовав трещину 17 требуемых размеров, отключают вибратор; сбра- сывают давление рабочей жидкости и отсоединяют штуцер 15 отустройства; трубу 11 свинчивают с трубы 1 и извлекают из скважины; подачей струи сжатого воздуха или воды под давлением выносят смесь, из

которой была выполнена втулка 9, и свободно извлекают из скважины оставшуюся часть устройства.

С помощью предлагаемого устройства изменением параметров вибратора и нагнетательной системы можно обеспечивать различные режимы подачи рабочей жидкости в зону разрыва горной породы, например, статический (при выключенном вибраторе), резонансный или гармонический (шпонки 8 перемещаются по прорезям 3, не упираясь в их края), виброимпульсный.

Для решения многих задач втулку 9 можно выполнять из эластичного материала. В этом случае производить частичную разборку устройства для его извлечения из скважины не нужно.

Пример конкретного выполнения.

Устройство, изготовленное механическими мастерскими, подсоединили к системе нагнетания густого водного раствора глины, заполнили отмеченным раствором и подали до упора в забой в шпур диаметром 42 мм и глубиной 55 см, пробуренный в блоке мрамора с размерами 0,9x1,2x1,8 м. В забойной части шпура предварительно прорезали дискообразную инициирующую щель диаметром 84 мм. Вращением трубы 11 относительно штока 4 с помощью рукояток 12 и 13 разрушили втулку 9 и образовали пробку из сыпучего материала между трубой 1 и стенками шпура. На свободный торец штока 4 установили пневмоударник (разработанный ИГД СО АН СССР) с энергией удара 360 Дж. Затем начали подавать жидкость (водный раствор глины) и подняли ее давление до 7 МПа. После этого включили вибратор (пневмоударник). Спустя несколько секунд блок раскололся на две части. Плоскость разрыва совпала с плоскостью инициирующей щели.

Устройство разработано для внедрения на карьерах страны способа добычи блочного камня на основе ориентированного разрыва горных пород. Испытания показали, что с его помощью можно разрушать блоки практически неограниченных размеров и с существенно меньшим расходом рабочей жидкости,

Формула изобретения

Скважинное устройство для образования направленных трещин, включающее коаксиальные наружную и внутреннюю трубы, связанные между собой посредством резьбового соединения и выполненные с кольцевыми упорами на торцах, герметизирующую втулку, установленную между кольцевыми упорами, узел вращения труб относительно друг друга и шток, размещенный во внутренней трубе с Лрзможностью продольного перемещения,

отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности работы, оно снабжено вибратором, обратным клапаном, штуцером для нагнетания жидкости во внутреннюю трубу и шпонками, при этом шток выполнен со сквозным осевым каналом, обратный клапан установлен в канале штока со стороны герметизирующей втулки, вибратор закреплен на свободном торце штока, внутренняя труба выполнена с продольными прорезями на боковой поверхности, а шпонк.и закреплены на боковой поверхности штока и установлены в прорезях.

Использование: отделение горной породы от массива, раскалывание негабаритов, добыча и обработкастроительного камня. Сущность изобретения: у.стр-во заполняют высоковязкой жидкостью и размещают в скважине. Вращают наружную трубу относительно штока. Упоры разрушают втулку из смеси песка и связующего. В результате между внутренней трубой и стенками скважины образуется кольцевая пробка. Через штуцер нагнетают жидкость под давлением. Шток смещается до упора шпонок в края прорезей. Включают вибратор, обеспечивающий ударные нагрузки на шток в направлении забоя скважины. Шток перемещается и его клапан перекрывает канал для подвода рабочей жидкости. В призабойной зоне скачком повышается давление, приводящее к образованию в породе трещины. При завершении цикла ударной нагрузки клапан открывается и шток выталкивается до упора шпонок в края прорезей. Количество циклов нагрузки определяется прочностью породы и требуемым размером трещины. 1 ил. ел с