Насос для осушения скважин посредством чередования циклов аспирации и выталкивания, работающий по пневматическому принципу - RU2405891C2

Чертежи

Описание

ОТРАСЛЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к системам и устройствам, предназначенным для проведения взрывных работ на уступах карьеров, шахт и при проведении строительных работ там, где необходимо почти вертикальное бурение скважин (обычно в пределах от 0 до 30 градусов). В этих скважинах нередко скапливается дождевая вода, проточная вода и т.п.

С точки зрения проведения взрывных работ, присутствие воды значительно осложняет закладку заряда в скважину, снижает энергетическую мощность взрывчатых веществ и заметно повышает стоимость взрывных работ, так как требует использования значительно более дорогих устойчивых к воде взрывных веществ (ВВ).

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает для потребителей индустриальных взрывчатых веществ, в частности при производстве взрывных работ на уступах (карьерах, шахтах и при проведении строительных работ), простое в обращении, недорогое и приспосабливаемое к различным ситуациям техническое решение, способное удалить скопившуюся воду из скважин. Изобретение описывает конструкцию и функционирование осушающего насоса, работающего по пневматическому принципу и использующего в качестве основной части процесса чередование циклов аспирации и выталкивания, необходимых для обеспечения эффективности работ по осушению скважин, и который благодаря ровной наружной поверхности двойного рукава позволит справиться с проблемами его застревания внутри скважины.

СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ ДО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первой системой, использующейся для удаления воды из скважин, является так называемая «выхлопная труба». Эта система состоит всего лишь из несгибающейся выхлопной трубы, снабженной клапаном, соединенным с источником сжатого воздуха. Это простое устройство все еще можно увидеть в действии в некоторых местах, где обычно используют пластиковый шланг вместо стальной трубы. Основное преимущество этого устройства заключается в том, что оно может быть использовано в любом месте, где есть компрессор и шланг. Однако этот метод осушения эффективен только при ограниченной глубине скважин маленького или среднего диаметра. Этот метод имеет ряд существенных недостатков, поскольку поток воды направляется по всей глубине скважины, вызывая, таким образом, ее разрушение преимущественно на поверхности, там, где присутствует разрушенная горная порода. Эффективность данного устройства сомнительна, так как большая часть уже извлеченной воды может просочиться обратно в скважину с поверхности. Этот метод также неприятен и небезопасен и почти всегда выполняется с неохотой работниками горной промышленности.

По мере совершенствования технологии бурения скважин и по мере того, как становилось более эффективным бурить скважины большей глубины и большего диаметра, а также по мере появления более дешевых взрывчатых веществ возникла необходимость разработки более надежных и эффективных методов удаления воды.

Первые механизмы нецикличных систем удаления воды состояли из электрического погружного насоса, оснащенного двумя шлангами таким образом, чтобы сделать возможным его перемещение от одной скважины к другой. Проблемы безопасности, возникающие при использовании электрических механизмов в непосредственной близи от заряжаемых скважин, очень скоро привели к разработке погрузочных насосов, приводящихся в действие гидравлически. Эти устройства были усовершенствованы и сейчас представляют собой семейство сверхсовременных насосов, приводящихся в действие различными путями, которые в состоянии осушить скважины больших размеров и большей глубины, буримых в настоящее время. Эти устройства работают в одну или несколько фаз и имеют в своем составе катушку для сматывания шланга. Эти устройства самостоятельны и перемещаются на специально предназначенных для этой цели транспортных средствах. Они могут быть приведены в действие из положения, близкого к катушке, или из кабины транспортного средства.

Устройство, вводимое в один из концов рукава до дна скважины, состоит из гидравлического мотора, который приводит в действие насос, толкающий воду наружу. Это механизм собирает воду через фильтр, расположенный на дне, и выталкивает ее через рукав на поверхность. Гидравлические шланги, поставляющие энергию насосу, находятся внутри рукава, выталкивающего воду. Подобное устройство различной сборки предлагается различными предприятиями. Преимущества этих систем различны: они являются автономными устройствами и, как таковые, могут удалить воду независимо от других устройств, находящихся в том же месте; они могут быть приведены в действие человеком и разработаны для откачивания больших объемов воды из глубоких скважин как большого, так и среднего диаметров. Их недостаток заключается в том, что, если они застревают внутри разрушившейся или узкой скважины, их владелец рискует потерять относительно дорогое осушающее устройство, они также не способны вечно удалять абразивные фрагменты породы без повреждения тех или иных частей насоса. Эта система сталкивается с существенными сложностями при диаметре бурения в 3 и 3,5 дюйма (76-89 мм), которые обычны при производстве взрывных работ на карьерах и при строительных работах в связи с наличием ограниченного пространства для моделирования компонентов насоса.

К нецикличным системам осушения относится другой механизм, уже запатентованный, который, как и настоящее изобретение, работает по пневматическому принципу при осушении скважин, но который (в отличие от настоящего изобретения) использует сжатый воздух для раздутия шланга и его прижатия к внутренним стенкам скважины. Затем сжатый воздух подается в пространство, которое образуется под раздутым каучуковым шлангом, вытесняя воду и направляя ее в сливную трубу, до середины механизма, и затем на поверхность скважины. Этот насос обладает рядом преимуществ: он имеет только одну подвижную часть (сменный каучуковый шланг), низкую стоимость и требует минимум технического обслуживания. Он также не ломается при выкачивании глины или фрагментов породы, находящихся внутри скважины. Среди его недостатков можно отметить тот факт, что он применяется только в скважинах с более или менее округлым сечением для обеспечения хорошей герметизации; на непрочной или раздробленной породе этот насос может потерять давление через щели, что снизит его производительность. Он также нуждается в замене шланга в зависимости от диаметра скважины. Другим недостатком по отношению к настоящему изобретению является непостоянная продольная форма насоса, который вводится в скважину, вследствие того, что основная часть насоса, содержащая внутри каучуковый шланг, представляет собой расширение, что может привести к его застреванию. Процесс выкачивания нецикличен, поскольку существует ограничение в дистанции между шлангом и концом водоотводящего шланга из-за потери давления. Это приводит к тому, что система выкачивания работает посредством чередующихся циклов подачи сжатого воздуха для того, чтобы позволить заполнить водой пространство, возникающее между каучуковым шлангом, стенками скважины и концом водоотводящего шланга.

Другое нецикличное устройство, которое, как и вышеуказанная система, использует толчки сжатого воздуха для осушения скважин (в отличие от настоящего изобретения, которое предполагает чередование циклов аспирации и выталкивания), описывается как труба, погружающаяся на дно скважины; в отличие от настоящего изобретения, где вместо трубы используется основной рукав, один конец которого всегда находится вне скважины и который, что совпадает с ранее описанной системой, сообщается с атмосферой посредством двух рукавов, один из которых соединяет трубу с системой подачи сжатого воздуха, остающегося на поверхности, а другой водоотводящий рукав позволяет слив воды, содержащейся в трубе, на поверхность скважины. Труба, остающаяся на дне скважины, включает в себя два обратных клапана, один из которых помещен на нижнем конце данной трубы, а другой на нижнем конце отрезка рукава, находящегося внутри трубы, через который выходит вода, вытесняемая сжатым воздухом сначала из пространства, образованного трубой, а затем поднимается по скважине через водоотводящий шланг, соединенный с внешней крышкой трубы.

В качестве отличий между функционированием настоящего изобретения и предыдущей описанной системой можно выделить следующие: во-первых, характеристики изобретения, которые делают из образования вакуума в чередующиеся циклы аспирации и выталкивания (а точнее, в цикл аспирации) основную часть его процесса функционирования, тогда как в описанной системе оно не фигурирует в качестве ее составной части; во-вторых, основная часть насоса (труба), которая погружается на дно скважины и которая сообщается с поверхностью посредством двух рукавов, один из которых служит для подачи воздуха, а второй для удаления воды (идея, совпадающая с идеей описанной системы каучукового шланга), заменяется в настоящем изобретении на основной рукав, не представляющий заметных неровностей, один из концов которого (на котором соединяются сжатый воздух, источник вакуума и водоотводящий шланг) остается всегда на поверхности, тогда как другой конец (на котором находятся обратный клапан, фильтр и защитный элемент) опускается на дно скважины. Эта вторая характеристика, в отличие от ранее описанных систем по отношению к изобретению, влечет за собой серьезные проблемы, а именно возможные застревания системы внутри скважины. В-третьих, настоящее изобретение делает возможным благодаря ее базовым характеристикам (неизменный диаметр рукава на протяжении всей скважины) подсчет количества воды, поступающей в скважину, если это имеет место быть, сравнивая время между двумя очередными циклами и объемы воды в эти очередные циклы, которые, считаю необходимым это отметить, не являются равными благодаря исключительным характеристикам изобретения по отношению к другим описанным системам. Другие описанные системы не позволяют подсчитать количество воды, поступающей в скважину, так как откачивают одинаковый объем воды за два очередных цикла (объем, соответствующий объему рукава каждого конкретного устройства). Таким образом, возможна ситуация, где вышеописанные устройства, в отличие от настоящего изобретения, осушают скважину, в которую просачивается больший объем воды, чем эти устройства могут извлечь. Принимая в расчет вышеописанные особенности этих устройств, они не в состоянии выявить подобную неблагоприятную ситуацию, которая значительно замедлит процесс заряжания скважин при взрывных работах.

Другие характеристики, такие как вес устройства, производительность откачивания, возможность насадки защитного элемента для решения проблем застревания в скважине и т.д., являются важными отличиями конструкции настоящего изобретения.

Внутри отрасли, к которой относится данное изобретение, существуют другие системы, использующие вакуум в процессе откачивания воды. Считаю, что такие системы, которые будут описаны далее, представляют существенные различия по отношению к настоящему изобретению.

Одна из систем работает за счет диафрагменных насосов; эта система использует один из таких насосов, приводимый в действие сжатым воздухом. Работа этой системы заключается в том, что сжатый воздух проходит через маленькую трубку внутри основного рукава до патрубка Вентури, расположенного вблизи конца всасывающего шланга. Эта подача сжатого воздуха позволяет удалить воду из глубины, большей предела всасывания диафрагменных насосов. Среди его достоинств можно назвать тот факт, что основной насос не опускается в скважину. Это исключает возможность потери насоса в случае обрушения скважины. Насос также всасывает глину и фрагменты породы внутри скважины и не повреждается при этом. Его недоделки состоят в том, что выкачиваемый объем снижается по мере его погружения в скважину. Для нормального функционирования он также требует большого объема сжатого воздуха (по крайней мере 26 л/сек за 483 кПа).

Существует другой метод, использующий вакуумную систему. Хотя устройств, использующих этот метод, нет в продаже, они могут быть собраны, что имеет место быть в шахтах, используя вакуум для откачивания воды из скважины. Эти устройства состоят из большой цистерны с вакуумом, погруженной на транспортное средство, вакуумного насоса и рукава с клапаном. Вакуумный насос используется для генерирования вакуумного пространства в цистерне. Рукав опускается на дно скважины, открывается клапан, всасывая, таким образом, воду из скважины внутрь цистерны. Преимуществами этого устройства являются его автономность, минимальное техническое обслуживание и эффективность в пределах его возможностей. Из-за физической ограниченности, которую представляет собой атмосферное давление, это устройство способно откачивать воду только в скважинах ограниченной глубины (менее 7, 6 метров), что не входит в разряд буримых в настоящее время глубин (от 8 до 25 м). Его минус также заключается в регулярной необходимости его разборки и опустошения.

Существует другая система, которая не связана с технической отраслью настоящего изобретения, но которое также использует генерирование вакуумного пространства в пробуренном отверстии. Эта система имеет своей целью уменьшить уровень грунтовых вод на некоторой территории. Целью же настоящего изобретения является осушение воды на горных массивах, которая содержится в каждой обводненной скважине. Хотелось бы подчеркнуть отличия, которые считаю достаточными для того, чтобы эта, а также другие системы, не отрицали инноваторской возможности настоящего изобретения. В описываемой системе процесс осушения происходит нециклично, а в настоящем изобретении он цикличен. Эта система использует вакуум в качестве опоры для основного насоса (погружной насос с большой производительностью) в отличие от настоящего изобретения, для которого вакуум является неотъемлемой частью его функционирования. Опорный вакуум, дополняющий основной насос, генерируется внутри пробуренного отверстия (что является фундаментальным различием), заставляя посредством разницы в давлении перетекать воду из-под земли внутрь пробуренного отверстия, в то время как в настоящем изобретении вакуум генерируется внутри основного рукава, единственной целью которого является откачивание воды, изначально содержащейся в каждой скважине. Значит, функция вакуума в этом случае совершенно другая. Ссылаясь на вышеприведенные аргументы, считаю, что описанная вакуумная система, а также другие системы, никоим образом не отрицают инноваторской возможности настоящего изобретения, которое планируется запатентовать.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система настоящего изобретения состоит из двойного рукава, представляющего собой основную часть насоса, который частично опускается в скважину, при этом неиспользованная его часть остается намотанной на катушку, находящуюся на уступе вне скважины. Другой составляющей частью насоса является описываемый далее пневматический механизм, который представляет собой «легкие» данной осушающей системы, чередуя циклы аспирации и выталкивания воды.

Основная часть насоса, состоящая из устойчивого к разнице давлений двойного рукава (в фазы аспирации и выталкивания), герметично закрыта с обоих концов, а именно: крышкой в верхней части и обратным клапаном в нижней части.

На верхней крышке, остающейся вне скважины, закрепляется патрубок для подачи сжатого воздуха, который прикрепляется к системе пневматического механизма посредством трехлучевого клапана, чередующего фазы аспирации и выталкивания, и патрубок для подачи воды, сообщающийся с водоотводящим шлангом. Ко внутренней части крышки прикрепляется внутренний рукав, функцией которого является выведение воды со дна на поверхность. Водоотводящий шланг позволяет направлять поток воды в нужном нам направлении (цистерна, пруд, нижний уступ) для того, чтобы вода не просочилась обратно в скважины. Водоотводящий шланг оснащен обратным клапаном, позволяющим воде выходить в фазу выталкивания и закрывающимся в фазу аспирации. Такое расположение позволяет всасывать воду только в кольцевидное пространстве, образующееся между рукавами насоса. При использовании немного более сложной пневматической системы, соединяющей двойной рукав насоса посредством ряда клапанов (например, пятилучевой клапан и два положения) с источником сжатого воздуха в фазу аспирации, вакуум генерируется внутри двойного рукава, как будет описано далее. Эта последняя модель позволяет улучшить процесс осушения, поскольку общий объем всасываемой воды увеличивается и также потому, что количество выкачиваемой воды в фазу выталкивания может быть увеличено при замене внутреннего рукава на больший диаметр.

Нижняя часть рукава, опускаемая в скважину, оснащена обратным клапаном, а также может быть защищена фильтром и ударным защитным элементом, в то же время выполняющим функцию тарана для удаления возможных засоров или препятствий внутри скважины. Процесс осушения скважины начинается с опущения двойного рукава в обводненную скважину, приводя пневматический клапан в положение, позволяющее смещение воздуха водой, поступающей в рукав через обратный клапан. В этот первый этап двойной рукав наполнится водой выше первоначального уровня грунтовых вод (поскольку рукав имеет некий объем, вода достигает более высокого уровня, согласно закону Архимеда). На следующем этапе необходимо привести пневматический клапан в положение всасывания, а затем в положение выталкивания, благодаря чему внутрь двойного рукава поступит сжатый воздух, закрывая, таким образом, обратный клапан, и, следовательно, единственным путем для выхода воды под напором сжатого воздуха останется внутренний рукав. Эта вода поднимается по внутреннему рукаву, пересекает верхнюю крышку через патрубки и выводится через водоотводящий шланг в нужное нам место слива (цистерна, пруд, нижний уступ).

Таким образом, по истечении нескольких секунд через конец водоотводящего шланга выйдет сжатый воздух, что будет свидетельствовать о том, что вся вода вышла из двойного рукава насоса. Поскольку в скважине еще осталась вода, приступаем снова к заполнению водой двойного рукава, приводя пневматический клапан в «положение всасывания». Таким образом, двойной рукав быстро заполнится водой, достигая определенного уровня внутри него, зависящий от давления всасывания, который при этом генерируется (например, уровень вакуума в 0,5 атмосфер (примерно 50 кПа)), что равняется примерно пяти дополнительным метрам воды внутри двойного рукава насоса. После того как двойной рукав заполнится водой, действуем уже описанным ранее способом, изменяя положение пневматического клапана на «положение выталкивания». Таким образом, объем воды, находящейся в насосе, выкачивается заново всего за несколько секунд. Посредством описанного процесса в большинстве случаев за два или три цикла можно осушить обводненную скважину.

Таким образом, заполнение водой двойного рукава происходит за счет естественного поступления воды из скважины через обратный клапан, а также за счет всасывания, производимого в «фазу аспирации».

Одним из преимуществ этой системы является то, что она не нуждается в компрессоре с большой производительностью. Требуемое давление сжатого воздуха, принимая во внимание, что 1 бар давления (100 кПа) воздуха равняется 10 метрам столба воды, ни в коем случае не превысит 3-4 бар (300-400 кПа). С таким уровнем давления возможно осушение скважин глубиной в 30 или более метров. Небольшой компрессор с производительностью в 0,4 м³/мин, генерирующий давление в 5-6 бар (500-600 кПа), обеспечил бы адекватный режим откачивания.

Что касается требований к производительности всасывания вакуумного насоса, 8 литров/сек достигли бы за несколько секунд подъема воды в 6 метров внутри рукава с диаметром в 62 мм, то есть более 11 добавочных литров воды, что составляет почти 2 метра воды внутри скважины в 3,5 дюйма (89 мм).

Другим преимуществом этой системы по сравнению с другими системами является тот факт, что линейный объем откачивания постоянен (равен внутреннему объему рукава) и не зависит от состояния потресканности горной породы, что в некоторых случаях может требовать большого давления для возмещения потери воздуха через трещины горной породы. Таким образом, не допускается просачивание воды через трещины в другие скважины во время процесса осушения. Следующим преимуществом является то, что внешняя форма двойного рукава насоса остается постоянной, что практически исключает проблемы застревания в скважинах. В гипотетическом случае безнадежного застревания всегда можно будет извлечь внутренний шланг и зарядить скважину патронным взрывчатым веществом.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания изобретения и его функционирования прилагается комплект чертежей, на которых изображено следующее:

На Фиг.1 изображены основные части изобретения, увеличивая более детально его верхнюю и нижнюю части. Изображается сечение основного рукава (1), закрытого в его верхней части посредством крышки (2), на которой установлены два патрубка, первый из которых служит для входа или выхода воздуха в зависимости от цикла выталкивания или цикла аспирации, а второй (5) - для подъема воды по внутреннему рукаву (6) и ее слива через водоотводящий шланг (10). Основной рукав (1) закрыт в нижней части элементом (3), состоящим из обратного клапана (9), фильтра (8) и защитного элемента (7), позволяющим вход воды в фазу аспирации и закрывающийся в фазу выталкивания, заставляя выходить воду через внутренний рукав (6) наружу.

На Фиг.2 приведен пример пневматической системы, регулирующей сжатый воздух и вакуум посредством многолучевых клапанов и контролируя, таким образом, механизм осушения изобретения. На конкретном примере изображен пятилучевой клапан (11), V1,V2,V3,V4 и V5, и два положения, RI и RII, где V1 соединяется с водоотводящим шлангом (10), V2 соединяется с вакуумным насосом (13), V3 соединяется с компрессором (12), V4 подходит к водоотводящему патрубку (5) и V5 сообщается с воздухоотводящим патрубком (4). В положении RI всасывается воздух, находящийся внутри двойного рукава насоса, как во внутреннем рукаве (6), посредством соединения V2-V4, так и в кольцевидном пространстве между рукавом (6) и основным рукавом (1) через соединение V2-V5. Вследствие этого всасывания двойной рукав заполняется водой (в зависимости от генерируемого вакуума) и задерживается там во время закрытия обратного клапана (9). Эта вода готова для удаления при постановке клапана (11) в положение RII. В этом положении сжатый воздух входит внутрь двойного рукава, следуя через соединение V3-V5 с патрубком (4) и, таким образом, выталкивает воду через внутренний рукав (6) и через соединение V1-V4 с патрубком (5).

На Фиг.3 показаны вышеупомянутые положения, описывая поочередные циклы процесса осушения скважины. В левой части Фиг.3 изображается момент, в который двойной рукав насоса опускается в скважину. В эту фазу вода поступает внутрь двойного рукава через элемент (3), выталкивая оттуда воздух наружу через патрубки (4) и (5). В эту первую фазу двойной рукав заполнится водой до уровня грунтовых вод, который достигается после опущения основного рукава (1). Центральная часть Фиг.3 соответствует фазе вакуума; через патрубок (4) вода поднимается по основному рукаву (1), доходя до уровня, пропорционального генерированному вакууму, и задерживаясь внутри основного рукава (1) во время закрытия элемента (3). Правая часть Фиг.3 соответствует фазе, в которую происходит перемещение задержанной внутри двойного рукава воды при подаче сжатого воздуха через патрубок (4); вода поднимается по внутреннему рукаву (6), так как обратный клапан (9), входящий в состав элемента (3), остается закрытым в то время, как давление внутри двойного рукава насоса остается выше давления извне. В эту фазу, когда вода перестает выходить, и начинает выходить воздух через патрубок (5) и по основному рукаву (1), завершается первый цикл осушения. Повторится цепочка поочередных циклов до полного осушения скважины (обычно это происходит за 3-4 цикла).

Реферат

Изобретение относится к системам и устройствам, предназначенным для проведения взрывных работ на уступах карьеров, шахт и при проведении строительных работ при удалении скопившейся воды из скважин. Насос для осушения скважин посредством чередования фаз аспирации и выталкивания, работающий по пневматическому принципу, включает в себя основной рукав, не представляющий заметных неровностей на его внешней поверхности и имеющий постоянный диаметр по всей своей длине, опускаемый в скважину, для снижения риска застревания, и имеющий на верхнем конце (который остается на поверхности) герметическую крышку с двумя патрубками. Один патрубок служит для входа или выхода воздуха в зависимости от цикла аспирации или выталкивания. Он поочередно соединяется посредством соответствующих клапанов с вакуумным насосом, где генерируется вакуум внутри двойного рукава насоса, состоящего из внутреннего объема рукавов, улучшая эффективность осушения, и с компрессором, где через соединение с патрубком осуществляется фаза выталкивания благодаря напору сжатого воздуха, выводящего воду через внутренний шланг и патрубок наружу с помощью водоотводящего шланга. Другой патрубок, также находящийся на герметической крышке, включает в себя обратный клапан, обеспечивающий выход воды, поднимающейся по внутреннему рукаву, в фазу выталкивания. На нижнем конце основного рукава, который опускается на дно скважины, имеется обратный клапан, фильтр и ударный защитный элемент, одновременно защищающий обратный клапан и выполняющий функцию тарана для прохода через возможные препятствия. Через обратный клапан вода входит в основной рукав в фаз

Формула