Способ термодинамического разрушения горных пород и устройство для его осуществления Советский патент 1981 года по МПК E21B7/14 E21B4/06 

(54) СПОСОБ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ,

Изобретение относится к термодина 1« ческому разрушению горных пород комбинированным воздействием нагретых струй газа, демонационных волн |И ударной коронки и мбжет быть использовано, в частности, для бурения взрывных скважин. Известен способ термодинамическог разрушения породы и устройство для его реализации, включающее центральную камеру сгорания с магистралями подвода горючего и окислителя и наружную кольцевую камеру сгорания, ко торая через перекрываемые клапанами каналы соединена с подготовительной смеси тельной камерой,сообщенной с магистралями подвода горючего и окислителя. Кольцевая камера сгорания размещена в кожухе и оснащена аксиально подвиж ной сопловой крышкой, жестко скрепленной с подпружиненной кольцевой бу ровой коронкой, установленной снаружи кожуха Cl1В этом устройстве ударная кольцевая коронка постоянно контактирует с разрушаемой поверхностью породы и подвергается нежелательному воздействию высокотемпературных продуктов сгорания, приводящих к разрушению ее твердосплавных вставок. При этом Ьуровая коронка, находясь в постоянном контакте с разрушаемой поверхностью породы, не получает достаточной скорости перемещения под давлением детонационных волн, возникающих в кольцевой камере. По этим причинам эффективность разрушения породы оказывается невысокой. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ термодинамического разрушения горных пород комбинированным воздействием нагретых струй газа, детонационных волн и ударной коронки, включающий подачу горючего и окислителя в центральную камеру сгорания образование топливной смеси в подготовительной камере и подачу ее в наружную кольцевую камеру сгорания, воспламенение топливной смеси в камерах сгорания и выброс образующихся продуктов сгорания на поверхность горной породы С2. Устройство для реализации способа содержит центральную камеру сгорания с магистралями подвода горячего и, окислителя и наружную камеру сгорания которая через перекрываемые клапана ми каналы соединены с подготовительной камерой, сообщенной с магистралями подвода горючего и окислителя, при зтом кольцевая камера сгорания разме щена в кожухе и оснащена аксиально подвижной сопловой крьшкой, жестко скрепленной с подпружиненной кольцевой буровой коронкой, установленной снаружи кожуха торце кожуха устройства распол жены опорные башмакиIконтактирующие с разрушаемо поверхностью и служащие направляющими дпя коронки. Благодаря наличию башмаков коронка располагается вне зоны высокотемператур ных продуктов сгорания и приобретает возможность разгона с породой. Однак из-за отсутствия герметизации кольце вой камеры сгорания при заполнении ее топливной смесью давление возника ющей при ее воспламенении детонацио ной волны оказывается недостаточным дпя перемещения коронки, чтобы ога могла эффективно разрушать породу. Цель изобретения - повышение эффе тивности разрушения породы. Эта цель достигается , тем что наружную кольцевую камеру сгорания герметизируют на выхоДе, а для воспл менения находящейся в ней топливной смеси перепускают часть продуктов сгорания из центральной камеры. В устройстве для осуществления способа сопловая крьш1ка имеет с внут ренней стороны кольцевой выступ дпя герметизации наружной камеры сгорани при этом обе камеры сообщены посредством сквозного отверстия, периодиче ки перекрываемого поршневым клапаном Кроме того, площадь поршня поршн вого клапана со стороны центральной камеры сгорания меньше его площади с стороны наружной камеры сгорания. Благодаря такому выполнению устройства удается повысить эффективность способа разрушения горных по-род, так как от величины давления продуктов детона1;ии прямо пропориональнЬ зависит скорость перемещения коронки и величина давления детонационных волн, воздействующих на поверхность породы. На (}иг. 1 показано устройство пя реализации предлагаемого способа азрушения на фиг. 2 - узел I на Jwr.lJ на фиг. 3 - вид А на фиг.2 фиг. 4 - узел Е на фиг.1. Способ разру зения горных пород осуществляется устройством, имеющим кожух 1 (фиг. I), в котором размещена центральная камера 2 сгорашя и коаксиально расположенная ей наружная кольцевая камера 3 сгорания. Камера 2 сгорания соединена с ма гистралями 4 и 5 соответственно для подво| да горючего и окислителя и снабжена на входе форсункой 6 для распьшивания горючего и согшовой крышкой 7 на выходе жестко соединенной с корпусом 8 камеры 2 сгорания. Камера 3 сгорания через перекрываемые лепестковыми клапанами 9 каналы 10 (фиг. 2 и 3) соединена со смесительной подготовительной камерой 11, которая сообщена с магистралями 12 и 13 соответственно для подаЧи горючего и окислителя. На входе камеры 3 установлено штамезащктное приспособление 14, а на выходеаксиально подвижная сопловая крьш1ка 15 с внутренним кольцевым выступом 6, плотно прижатая к сопловой крьш1ке 7 и жестко соединенная с кольцевой коронкой 7. Коронка 17, установленная снаружи кожуха 1, снабжена упорами, между которыми расположена пружина 18, служащая для прижатия сопловых крьш1ек 7 и 15, герметизирующих при этом камеру 3, а также для возврата коронки 17 после удара. На торце кожуха 1 закреплены опорные башмаки 19, выполненные из жаростойкого материала. Они постоянно контактируют с поверхностью разрушаемой породы и служат в качестве направляющих для перемещения коронки 17. Причем в опорных башмаках 19 предусмотрены каналы 20 для прохода охлаждающей среды. В нижней части корпуса 8 яяполнено сквозное отверстие, в которое установлен цилиндр 21 (фиг. 4) с расположенным в нем поршневым клапаном в виде дифференциального поршня 22, причем площадь торца поршня со CTOpoMJ камеры 2, меньше шющгзди торца со сто роны камеры 3. Поршень 22 служит дпя периодического ггропуска высокотемпературных газов по каналам 23 цилиндра 21 из камеры 2 в камеру 3.

Осуществление предлагаемого способа поясняется далее на примере работы устройства.

По магистралям 4 и 5 в центральную камеру 2 сгорания поступают горючее, например бензин, и окислитель, например воздух, где они смешиваются и образуют топливную смесь, при сгорании которой возникают высокотемпературные газы, истекаюпц.е через отверстия сопловой крьшки 7 и воздействующие на забой скважины.

Одновременно по магистралям 12 и 13 в смесительную камеру 1 поступают горючее и окислитель, образующие в ней топпивную смесь. Эта смесь при достижении заданной давления по каналам 10 через открытые клапаны 9 поступает через отверстия пламезащитного приспособления 14 в кольцевую камеру 3 сгорания.

В начальный момент заполнения камеры 3 топливной смесью дифференциальный поршень 22 под действием давления высокотемпературных газов камеры 2 находится в крайнем левом положении и перекрывает канал 23 Цилиндра 21, тем самым препятствуя истеканию высокотемпературных газов из центральной камеры 2 в кольцевую камеру 3. Заполнение кольцевой камеры 3 топливной смесью осуществляют при таком начальном давлетш этой смеси, которое формирует на сопловой Крышке I5 такое усилие, которое ниже усилия пружины 18, осуществляющей герметизацию камеры 3. Однако этой величины давления должно быть достаточно для перемещени в правое положение дифференциального поршня 22. Как только давление топлив ной смеси достигает заданного значешя, поршень 22 перемещается вправо и открывает канал 23, по которому в кольцевую камеру 3 поступят высокотемператургеле газы из камеры 2, в результате чего в камере 3 14(жсходат взрывание топливной смеси.

Давлением взрыва в кольцевой камере 3 сгорания перемещаются дифференциальньЕй поршень 22 в крайнее правое положение, перекрывая каналы 23, сопловая крышка 15 с коронкой 17, сжимая пружину 18. Тем самым осущест|вляется разгон коронки 17, которая (наносит удар по забою скважины. Благодаря тому, что выступом 16 осуществляется герметизация кольцевой камеры 3 сгорания, как во время заполнения ее топливной смесью, так и на некоторое врем при разгоне сопловой крышю 15 с коронкой 17, энергия 5 |продуктов взрыва в кольцевой камере 3 эффективно используется на разгон сопловой крышки 15 с коронкой 17. iB конце разгона сопловой крышки 15 ее выступ 16 выходит из камеры 3, про0дукты взрыва истекают из нее и совместно со струей газов, посто- нно истекающих из центральной камеры 2 сгорания,образуют пульсирующую дето национн волну, ударяющую по поверхности породы. Таким образом, порода

5 подвергается комбинированному воздействию постоянно истекающей из цент ральной камеры 2 высокотемпературной струи газов, которая разупрочняет забой и частично разрушает его, ударом

0 кОронКи J 7 и ударом детонационных волн.

Продукты разрушения истекают через зазор 24 между стенкой скважины и буровой коронкой 17 и выносятся на по5верхноСть.

В качестве охлаждающей среды используется сжатый воздух, который, проходя через каналы 20 в опорных башмаках 19 и каналы 25 коронки 17,

0 охпаждаёт их и выбрасывается в атмосферу, участвуя в процессе выноса продуктов разрушения.

После того, как истечение газов из камеры 3 заканчивается, под дей5ствием давления газов в камере 2 поршень 22 переместится в крайнее левое положение. Затем в момент возврата коронки 17 с сопловой крышкой 15 под действием пружины 18 происходит

0 очистка камеры 3 от выхлопных газов за счет эжекции газов, истекающих из камеры 2. Как только сопловые крышки 7 и 15 прижмутся под действием пружишл 18 выступ-16 войдет в камеру 3,

5 обеспечивая тем caNbiM ее герметичность, и цикл далее повторяется.

Формула изобретего1Я

7

ее в наружную кольцевую камеру сгорания, воспламенение тогашвной смеси в камерах сгорания и выброс образуюаф1хся продуктов сгорания на поверхность горной породы с одновременнымч нанесением по ней удара коронкой, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разрушения, наружную кольцевую камеру сгорания герметизируют на выходе, а для воспламенения находящейся в ней топливной смеси перепускают часть продуктов сгорания из центральной камеры.

ально подвижной сопловой крьш1кой, жестко скрепленной с подпружиненной кольцевой буровой коронкой, установленной снаружи кожуха, отличаю5 щ е е с я тем, что сопловая крышка имеет с внутренней сторошл кольцевой выступ для герметизации наружной камеры сгорания, при этом об камеры сообщены посредством сквозного отверсto тия, периодически перекрываемого поршневым клапаном.

Источники информации,, принятые во внимание при экспертизе 201.Авторское свидетельство СССР

по заявке № 2729584/22-03, кл. Е 21 G 21/00, 1979.

2.Авторское свидетельство СССР пи заявке № 2740359/22-4)3, 25 кл. Е 21 С 21/00, 1979 (прототип).