Скважинный источник колебаний Советский патент 1981 года по МПК G01V1/145 

I

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в рудных и угольных шахтах для вибрационного воздействия на горные породы с целью перераспределения напряжений в целиках или уменьшения их прочности. %

Известны протяженные устройства цилиндрической формы, закрепляемые в пробуренных скважинах - скважинные деформометры. Они закрепляются с помощью опор и распорных элементовфиксаторов, распирающих скважинные деформометры и опоры Г13 .

Такое крепление служит для фиксации деформометров и не предназначено для передачи значителы ых вибрационных усилий.

Известен также скважинный источник колебаний, применяемый в сейсмических исследованиях. Он включает распорные элементы в виде продольных стержней, вводимых в скважину и сжимаемых по концам

двумя системами пружин. Стержни формой поперечного сечения повторяют конфигурацию скважины. Кроме того, имеется закрепленный между стержнями баллон для сжатого воздуха. Устройство вводят в скважину, баллон заполняют сжатьп-j воздухом, его поперечные размеры увеличиваются, он распирает стержни и прижимает их к стенкам скважины. При выпуске воздуха

Ш из баллона системы пружин стягивают стержни и возвращают их в исходное. положение, позволякицее извлечь устройство из скважины. Вибровозбудитель расположен на поверхности земли

15 и передает колебания стержням с помощью дополнительного приспособления 2.

Недостатками устройства являются громоздкость, не позволяющая исполь20зовать его в стесненных условиях подземных горных выработок, а также сложность конструкции, большой вес. Распорный элемент, будучи упругим. поглощает значительную долю колебательной энергии. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для генерирования колебаний, включающее анкер, который с помощью трубы соединяется с распорными элементами - гидроцилиндрами. Они прижимают к стенкам скважины специальные колодки, соединяющие грунт с анкером ГЗ}, Однако известное устройство сложно, громоздко, дорого, а его введение в горизонтальные скважины затруд ,нено большого веса и особенностей конструкции. Для размещения устройства в горизонтальной скважине требуются специальные приспособления, не предусмотренные в нем. Цель изобретения - повьшение производительности и упрощение конструк ции скваисинного источника колебаний состоящего из вибровозбудителя и рас порньк элементов. Цель достигается тем, что каждый распорный элемент выполнен из клинье подвижно связанных с корпусом вибровозбудителя скважинного источника ко лебаний. Внутренние клинья примыкают к корпусу вибровозбудителя, установлены с возможностью осевых подвижек, а внешние клинья, имекнцие возможность радиальных подвижек, размещены между внутренними клиньями и стенкой скважины. Внешние клинья отличаются друг от друга размером в радиальном направлении. Этот размер увеличивается от распорного элемента у устья скважины к распорному элемен ту у дна. Внутренние клинья выполнен с продольными тягами. Тяги, обращенные к устью скважины, имеют резьбу, входят в отверстия опор, установленных на корпусе вибровозбудителя, и подтягиваются гайками относительно опор. Остальные тяги связаны друг с другом пружинами, работающими на рас тяжение, причем жесткость пружин уменьшается от устья скважины к дну За счет такой конструкции источника колебаний после его установки в сква жине, подтягивая гайками те тяги, которые входят в отверстие опор, мож но затянуть клинья распорных элементов и зафиксировать источник колебаний в скважине. Па фиг. изображен источник коле баний, введенньй в скважину и подготовленньй к расклиниванию ,половина пр одольного вида; на фиг. 2 - попе4. 4 речный разрез А-А на фиг. 1 (расклиненный источник колебаний). Вибровозбудитель 1 скважинного источника колебаний несет жестко связанные с ним направляющие 2 и упругие связи 3. В направляющих 2 установлены с возможностью осевого перемещения внутренние клинья 4, а связи 3, выполненные в виде полос пружинной стали, соединяют корпус вибровозбудителя I с внешними клиньями 5 и обеспечивают их радиальную подвижность. Внутренние клинья 4, как и внешние клинья 5, одного распорного элемента кщеют одинаковые размеры. Внешние клинья 5 разных распорных элементов имеют различные размеры в радиальном направлении. У внешних клиньев 5, ближайших к устью скважины, толш1ина в радиальном направлении минимальна, у внешних клиньев 5 следую- щего распорного элемента она больше и так далее до распорного элемента у дна cквaжиныJ к которого толщина внешних клиньев 5 максимальна. Поэтому в исходном положении зазор между наружной цилиндрической поверхностью внешних клиньев 5 и скважиной возрастает в обратном порядке, т.е. от дна скважины к устью. Внутренние клинья 4 распорных элементов, ближайших к дну скважины, имеют одну тягу 6, остальные внутренние клинья - по две тяги 6. Тяги 6, обращенные к устью скважины, имеют резьбу, входят в неподвижные опоры 7 и несут гайки 8 и 9. Остальные тяги 6 связаны между собой пружинами 10. Пружины отличаются друг от друга жесткостью. Жесткость пружины, ближайшей к устью скважины, максимальна, жесткости следующих пружин последовательно уменьшаются, жесткость пружины, ближайшей к дну скважины, минимальна. На фиг. 1 и 2 изображены три распорных элемента по длине вибровозбудителя 1 с тремя парами клиньев по окружности в каждом распорном элементе. Оба количества могут быть иными. Корпус вибровозбудителя может быть некруглым. Скважинный источник колебаний работает следукяцим образом. Он вводится в пробуренную скважину. Дпя облегчения этой операции может быть использована желобчатая полоса, подложенная снизу, воспроизводящая форму скважины и вводимая

в нее вместе с вибровозбудителем. Вращением гаек 8 подтягивают в сторону устья скважины тяги 6 и внутренние клинья 4 J ближайшие к устью скважины. В ту же сторону начинают двигаться остальные внутренние клинья 4 со своими тягами и пружинами. Внешние клинья 5 раздвигаются и пока они не придут в соприкосновение со стенками скважины, усилие вращения гаек 8 минимально, так как преодолеваются только силы трения внутренних клиньев 4. Зазор между внешними клиньями 5 и наиболее удаленного от устья скважины распорного элемента минимален, поэтому они первыми приходят в соприкосновение со стенками скважины. Клинья этого распорного элемента затягиваются. Усилие вращения гаек 8 возрастает, так как к силам трения незатянутых клиньев.добавляется сила пружин, ближайших к затянутым клиньям (на фиг. 1 правой пружины 10). Далее затягиваются клинья следующего распорного элемента (на фиг. 1 среднего), так как теперь его зазор между наружной поверхностью внешних клиньев 5 и стенкой скважины минимален. После этого усилие затяжки гаек 8 снова возрастает, так как к силам трения оставшихся незатянутыми клиньев добавляется сила пружины большей жесткости (на фиг.1 левой пружины 10) .Наконец,затягиваются клинья распорного элемента,ближайшего к устью скважины. Гайка 8 стопорится, скважинный источник колебаний готов к работе. Включается двигатель вибровозбудителя, появляются колебания, передающиеся через распорные элементы горной породе. Вследствие вибраций клиновые соединения стремятся ослабнуть .

Рассмотрим возникающие при этом усилия, причем начнем с распорного элемента у дна скважины.

Поскольку внешний клин 5 не имеет возможности осевого перемещения, клиновое соединение может ослабнуть только за счет перемещения внутреннего клина 4 вправо. Однако этому препятствует усилие растянутой пружины 10, которая с другой стороны подтягивается внутренним клином 4 смежного распорного элемента. Но его клиновое соединение также не может ослабнуть, так как в свою очередь подтягивается слева с большим усилием более жесткой пру.яиной. Крайняя,

ближайшая к устью скважины, наиболее жесткая и растянутая с наибольшим усилием пружина, сцеплена с крайним внутренним клином 4, лишенным возможности осевых перемещений в процессе работы вибровозбудителя, так как его тяга зафиксирована на опоре 7 гайкой 8.

Таким образом, каладый внутренний

o клин 4 находится в осевом направлении под воздействием двух сил, создаваемых пружинами: справа действует меньшая сила, стремящаяся ослабить клиновое соединение, а слева - большая

5 сила, стремящаяся затянуть его. За счет этого клинья постоянно затянуты, несмотря на воздействие вибраций.

Для разборки клиновых соединений после окончания работы отвинчиваются гайки 8 и затягиваются гайки 9. Тяга 6 с резьбой и внутренним клином 4, ближайшим к устью, отжимаются в скважину, последовательно через тяги и пружины воздействуя на клинья дру-

S гих распорных элементов и ослабляя их соединения. Распорные элементы приходят в исходное положение, источник колебаний можно извлечь из скважины.

О При выборе размеров скважииного источника следует руководствоваться вибрационными усилиями, технологическими возможностями бурового и вибрационного, оборудования, контактной

J прочностью пород.

Выбирая те или иные углы наклона клиньев и жесткости пружин можно менять функции, выполняемые ими. Если угол мал, как показано на фиг, I, то

клиновые соединения самозатягиваются и усилие пружин необходимо лишь для предотвращения ослабления клиновых соединений от вибрации. Если уголбольше, то самозатягивание не возникает и пружины должны быть такими, чтобы их усилия было достаточно для обеспечения рабочего положения клиньев и для восприятия некоторой составляющей вибрационного усилия. В этом Случае, в отличие от предыдущего, ютиновые соединения обладают податливостью.

Скважинный источник колебаний дает возможность вибрационного воздействия на горные породы для перераспределения напряжений в целиках и устранения опасных динамических проявлений горного давления. Это позволяет существенно сократить расходы на взрывчатые вещества, повысить безопасност и производительность труда горнорабочих, использовать оптимальную технологию горных работ. Формула изобретения Скважинный источник колебаний, включающий вибровозбудитель и связанные с ним распорные элементы для монтажа в скважине с возможностью радиальных и осевых перемещений относительно последней, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и упрощения конструкции, казкдый распорньш элемент выполнен в виде внутреннего, примыкающего к вибровозбудителю, и внешнего клиньев, внутренний клин ус тановлен с возможностью осевых пере- мещений и выполнен с тягами, а внешНИИ установлен с возможностью радиальных перемещений и соединен с вибровозбудителем упругими связями, тяги каждого распорного элемента связаны друг с другом пруткинами, жесткость которых уменьшается от конца вибровозбудителя, обращенного к устью сквакданы, к концу, обращенному ко дну скважины, а/ тяги фиксированы гайками с возможностью регулирования в опорах, выполненньк на обращенном к устью скважины конце вибровозбудителя, при этом поперечный размер внешних клиньев увеличивается от конца вибровозбудителя, обращенного к устью скважины,к противоположному концу. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. Л., Наука, 1978, с. 133-138. 2.Патент С11А-1р 3346066, 181-106, опублик. 1967. кл 3.Патент США 3282371, 181-106, опублик. 1966 (прототип), кл