Устройство для смены бурильного элемента в установке бурения скального грунта - RU2240419C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству, предназначенному для смены бурильного элемента в установке бурения скального грунта, содержащей транспортное средство и балку, установленную подвижно относительно него, к которой подвижно прикреплен бурильный узел, содержащий, по меньшей мере, бурильный молоток, подающую штангу и подающее средство, причем это устройство содержит по меньшей мере один магазин для хранения бурильных элементов, используемых в процессе бурения, и блок смены бурильных элементов, обеспечивающий их перенос между магазином для хранения бурильных элементов и бурильным узлом.

Предельно высокие напряжения возникают в буровом долоте, используемом для бурения скального грунта, поэтому долото необходимо менять из-за износа и возможных повреждений. Для эффективного бурения скального грунта буровое долото должно быть в хорошем состоянии. В известном решении на бурильном узле устанавливают устройство смены бурового долота, включающее магазин. Однако такое решение имеет недостаток, заключающийся в том, что вес и габаритные размеры бурильного узла должны быть увеличены, при этом манипулирование бурильным узлом затруднительно, а зона бурения просматривается неудовлетворительно. Для тяжелой конструкции требуются мощная балка и тяжелое средство для перемещения бурильного узла, причем это также увеличивает стоимость изготовления оборудования. Также, обслуживание и наладка оборудования затруднительны, когда магазин для бурового долота и блок смены размещены вплотную к подающей штанге. Вдобавок к этому извлечение использованных буровых долот и помещение в магазин новых долот затруднительно. Помимо этого не во всех случаях имеется возможность обеспечения бурильного узла буровыми долотами в достаточном количестве, поскольку вес и габариты магазина ограничивают количество буровых долот. Было разработано оборудование, позволяющее решить указанные проблемы, в котором буровые долота заранее закрепляют на концах буровых штанг, а затем их размещают в магазине для хранения буровых долот на транспортном средстве. В таких вариантах проблема заключается в том, что для устройства манипулирования штангами требуется некоторая степень свободы для того, чтобы иметь возможность перемещать буровую штангу с буровым долотом из магазина к буровому узлу. В данном случае должна быть обеспечена возможность управления сложными перемещениями, для чего используют дорогие и ненадежные элементы в условиях проведения буровых работ. Другая трудность в данном варианте состоит в том, что, поскольку буровые долота закреплены на буровых штангах, манипулировать ими затруднительно из-за их больших размеров и веса. При этом магазин занимает много места.

Так, из уровня техники известно устройство для смены бурильного элемента в установке бурения скального грунта, содержащее транспортное средство, балку, установленную подвижно относительно него, к которой подвижно прикреплен бурильный узел, содержащий, по меньшей мере, бурильный молоток, подающий брус и подающее средство, причем это устройство содержит, по меньшей мере, один магазин для помещения бурильных элементов, используемых в процессе бурения, и блок смены бурильных элементов, обеспечивающий их перенос между магазином и бурильным узлом (см., например, книгу Иванов К.И., Латышев В.А. и др., Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых, Москва, Недра, 1987, с.124, рис.4.4, 4.5).

Однако если магазин для бурильных элементов установлен в соединении с бурильным узлом, как в случае, описанном в книге Иванова, вес и другие параметры бурильного узла оказываются весьма существенными. В результате этого работа с таким бурильным узлом может быть сложной и видимость объекта бурения может оказаться плохой. Более того, вместимость магазина оказывается существенно ограниченной, если он установлен в соединении с бурильным узлом.

Технической задачей настоящего изобретения является создание нового устройства для смены бурового долота или какого-либо другого бурильного элемента бурильного узла, имеющего простую конструкцию, исключающего регулировку комплексных перемещений блока замены бурильных элементов и не добавляющего веса и не увеличивающего габаритные размеры бурильного узла.

Данная техническая задача решается за счет создания устройства для смены бурильного элемента в установке бурения скального грунта, содержащей транспортное средство, балку, установленную подвижно относительно него, к которой подвижно прикреплен бурильный узел, содержащий, по меньшей мере, бурильный молоток, подающую штангу и подающее средство, причем это устройство содержит, по меньшей мере, один магазин для хранения бурильных элементов, используемых в процессе бурения, и блок смены бурильных элементов, обеспечивающий их перенос между магазином для хранения бурильных элементов и бурильным узлом, в котором согласно изобретению магазин для хранения бурильных элементов установлен на транспортном средстве или на балке отдельно от бурильного узла, причем устройство содержит средство для перемещения бурильного узла в заданную позицию и заданное расположение относительно магазина для хранения бурильных элементов для смены бурильного элемента.

Блок смены бурильных элементов может быть установлен на транспортном средстве или на балке.

Кроме того, блок смены бурильных элементов может быть установлен с возможностью поворота относительно его шарнира между магазином для хранения бурильных элементов и бурильным узлом и содержать рычаг, выполненный с возможностью его удлинения или укорачивания, и на свободном конце рычага расположено зажимное приспособление для захвата бурильных элементов.

Предпочтительно магазин для хранения бурильных элементов и блок смены бурильных элементов установлены на балке, в результате чего относительное положение магазина для элементов, блока смены элементов и бурильного узла является независимым от положения балки.

Также предпочтительно блок смены бурильных элементов установлен с возможностью ограниченного перемещения в соответствии с относительным расположением заранее заданной позиции смены бурильного узла и магазина для хранения бурильных элементов.

Предпочтительно блок смены бурильных элементов размещен на бурильном узле и выполнен с возможностью переноса бурильных элементов между магазином для хранения бурильных элементов и позицией удерживания у конца подающей штанги.

Предпочтительно магазин для хранения бурильных элементов содержит поворотный дискообразный корпус, на периферии которого размещены штифты или выступы для крепления бурильных элементов.

Предпочтительно балка имеет две штанги, расположенные вдоль установки бурения скального грунта на расстоянии друг от друга, и магазин для хранения бурильных элементов, и блок смены бурильных элементов размещены между штангами балки.

Преимущество данного изобретения состоит в том, что смена бурового долота не требует сложных движений блока смены элементов, поэтому этот блок может иметь простую и одновременно надежную конструкцию. Это позволяет снизить затраты на изготовление и эксплуатацию блока смены. В данном случае не требуются сложный и ненадежный датчик или устройства управления с точным контролем перемещений. Скорость простых перемещений можно значительно увеличить, что существенно уменьшит затраты времени на смену бурового долота. Такое решение обеспечивает дальнейшее преимущество, заключающееся в том, что, когда блок смены элементов и магазин элементов установлены на транспортном средстве или на балке, то они не добавляют вес и не увеличивают габаритные размеры бурильного узла, тем самым облегчая манипулирование оборудованием, обеспечивая лучший обзор места бурения и, вдобавок к этому, позволяет уменьшить и удешевить конструкцию бурильного узла и его привод. С другой стороны, размещение магазина элементов на балке или на транспортном средстве позволяет использовать магазин больших размеров или несколько магазинов, что обеспечивает время непрерывной работы бурильной головки.

Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 и 2 схематично представляют установки бурения скального грунта, в которые введены устройства для смены бурильных элементов согласно настоящему изобретению;

фиг.3 и 4 схематично представляют принцип установки врубовой трубы, используемой при бурении скального грунта.

На фиг.1 схематично представлена часть установки бурения скального грунта, в которую можно ввести устройство согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что в данном применении термин “бурильный элемент” относится не только к буровым долотам, но также, например, к бурильным врубовым трубам, описанным далее со ссылками на фиг.3 и 4, причем на чертежах также представлено средство для установки этих труб и другие элементы, которые необходимы при бурении и манипулировании блоком смены бурильных элементов. Установка бурения скального грунта, показанная на чертежах, содержит маневренное транспортное средство 1 с кабиной 2 управления, а также необходимые дополнительные устройства. Балка 4, которую можно поднимать и опускать с помощью гидроцилиндра 3, размещена на транспортном средстве 1. Балка 4 преимущественно имеет вильчатую форму, т.е. она содержит две штанги, проходящие вдоль транспортного средства 1 на расстоянии друг от друга, причем их можно опускать на грунт в процессе бурения и, соответственно, поднимать, по меньшей мере, во время перемещения оборудования для бурения скального грунта. Для четкого представления на чертеже показана только самая задняя штанга балки, а также форма поперечного сечения поперечной штанги 4а, которая соединяет штанги. Реальный бурильный узел 5, содержащий, по меньшей мере, бурильный молоток 7, подающую штангу 6, а также другие средства подачи, установлен на балке 4, преимущественно у ее свободного конца. На чертеже бурильный узел частично показан штриховой линией. Бурильный молоток 7 перемещается под действием гидроцилиндров, например, вдоль подающей штанги 6. Бурильный узел 5 может перемещаться различными путями относительно балки 4. Во-первых, весь бурильный узел можно поворачивать с помощью гидродвигателя, например, в направлении “А” относительно первой горизонтальной оси 8. Далее, ее можно поднимать и опускать в направлении “В” с помощью подъемного устройства 9 бурильного узла, например гидроцилиндра. Бурильный узел можно также наклонять вперед и назад относительно балки 4 в направлении “С”, как показано на чертеже, это выполняется наклоняющимся цилиндром 10, а также наклонять в поперечном направлении “D” бурильного молотка с помощью других наклоняющихся цилиндров, которые не показаны на чертеже. С помощью средств перемещения, представленных выше, бурильный узел можно направлять заданным путем, за счет чего ее можно использовать для сверления множества отверстий, например, в потолке, в стенах или в полу туннелей. Заданное положение бурильного узла можно удержать путем прижатия отдельных опор к поверхности во время ее бурения. Кроме этого, оборудование для установки анкерной крепи на скальный грунт или загрузочное оборудование можно закрепить на подающей штанге, которую можно перемещать в пробуренное отверстие в шаговом режиме, например, сразу после того как буровое долото вместе с буровой штангой были перемещены в боковом направлении. Для бурения с использованием наращиваемых буровых штанг для них устанавливают магазин 11 для хранения бурильных элементов, преимущественно на бурильном узле, причем штанги из него можно последовательно соединять между собой соответствующим автоматическим средством, или штанги можно отсоединять от системы буровых штанг и известным образом укладывать для хранения.

При бурении с наращиваемыми штангами затупленное буровое долото обычно заменяют перед началом бурения новой скважины, поскольку в любом случае система наращиваемых штанг должна быть разобрана. Когда буровое долото повреждается в процессе бурения, наращиваемые штанги демонтируют, а бурильный узел перемещают на позицию смены. После замены бурового долота бурение незаконченной скважины в большинстве случаев можно продолжить, в таком случае бурильный узел переводят с помощью системы автоматики управления балкой к отверстию скважины.

Смена бурового долота согласно изобретению в данном случае выполняется таким образом, что магазин 12 размещен на балке и предназначен для буровых долот, подлежащих замене, причем данный магазин можно преимущественно поворачивать в направлении “Е”, и в таком магазине для хранения буровых долот или каких-либо других необходимых элементов можно хранить простым способом. При необходимости можно использовать другие типы магазинов, например цепные. Магазин, представленный на чертеже, в простейшем варианте может быть выполнен в виде корпуса 13 дискообразной формы, на периферийной части которого имеются штифты или выступы 14, на которые можно надеть элементы 15, в которых выполнены внутренние отверстия. Таким путем легко захватить наружную периферийную часть элементов зажимным приспособлением блока смены элементов или каким-либо другим аналогичным управляющим приспособлением. Магазин 12 преимущественно размещен в пространстве между вилками балки 4, где он не подвергается опасности смятия, а, с другой стороны, он не закрывает обзор и не увеличивает габаритные размеры устройства бурения скального грунта. Поскольку магазин 12 не размещается на бурильном узле, он может быть увеличенного размера, поэтому в него можно поместить большее количество элементов, чем ранее. Далее, в соответствии с идеей изобретения блок 16 смены установлен на установке бурения, причем блок смены элементов относится к типу, в котором манипулятор способен переместить бурильные элементы 15 между магазином элементов 12 и бурильным узлом 5. Бурильную головку перемещают в заданное положение для смены элементов. В современных установках бурения скального грунта известно использование средств автоматики, например цифровой для направления и регулирования балки, а также бурильного узла автоматически в соответствии с точной программой бурения. Такое управление можно также использовать для перевода бурильного узла в положение для смены элементов. Поскольку точно известно относительное расположение магазина 12 элементов и бурильного узла 5 в позиции смены элементов и, далее, поскольку бурильный узел, находящийся в этом месте, во всяком случае располагается в выгодном положении по отношению к реализации смены в пределах протяженности блока смены бурильных элементов, то нет необходимости, чтобы блок 16 смены бурильных элементов перемещался более, чем по двум осям, т.е. достаточно как минимум иметь две степени свободы. На чертеже представлен блок смены элементов, содержащий рычаг 17, шарнирно связанный с возможностью поворота с балкой, а другой конец его может удлиняться и укорачиваться в направлении F. На свободном конце рычага 17 имеется зажимное приспособление 18, которое захватывает элементы, подлежащие перемещению, за внешнюю периферийную часть. Блок 16 смены бурильных элементов можно поворачивать относительно горизонтального поворотного соединения 19 в направлении G с помощью гидроцилиндра 20 или соответствующего исполнительного механизма.

Бурильный элемент размещают таким образом, чтобы буровые штанги в сборе можно было разбирать автоматически (штанга за штангой) и направлять их в магазин для хранения буровых штанг.

Штанги обычно стыкуют на резьбовых соединениях, которые можно освободить, вращая бурильный молоток. При необходимости бурильный молоток можно использовать для сбивания освобожденных заклиненных соединений. Когда последнюю буровую штангу с буровым долотом на конце вытягивают из разрабатываемой скважины, бурильный узел 5 переводят на позицию, на которой меняют буровое долото, причем на этой стадии расположение и положение узла строго заданы, по меньшей мере, относительно магазина 12 для хранения бурильных элементов. Бурильный узел преимущественно переводят в вертикальное положение, в котором отбор бурильных элементов из магазина и их размещение для соединения с бурильным узлом можно выполнить без изменения положения зажимного приспособления. Если зажимное приспособление 18 блока 16 смены бурильных элементов выполнено поворотным, то смену можно также производить, когда бурильный узел перемещают горизонтально относительно транспортного средства или переводят ее в определенное угловое положение. На позиции смены элементов бурильный узел следует устанавливать по высоте преимущественно таким образом, чтобы блок смены бурильных элементов мог сменить элемент, выгодно используя перемещения блока. Вращательное движение блока смены бурильных элементов легко ограничивается механическими средствами, например, при переводе его в заданное положение, в таком случае не требуется регулирование отдельных перемещений или выполнение контрольных операций. Нижнее положение рычага 17 блока смены бурильных элементов можно также ограничить механически относительно магазина 12 для хранения бурильных элементов, причем в таком случае блок смены элементов имеет возможность поворачиваться по заданному тракту между предельными положениями, ограниченными механически. Также, изменение длины рычага можно механически ограничить в предельных положениях, например, с помощью штока 17а, поскольку расстояния между блоком 16 смены бурильных элементов и магазином 12 для хранения бурильных элементов, а также между блоком 16 смены элементов и бурильным узлом 5 известны заранее. Когда позиционные перемещения блока достаточно просты, как в данном случае, без необходимости точного регулирования перемещений, то конструкцию и принцип действия блока смены можно легко представить путем наложения обычных буровых элементов, которые были признаны надежными. Далее, нет необходимости использовать сложное регулировочное и измерительное оборудование. Вдобавок к этому, скорость перемещения блока смены бурильных элементов может быть большой.

С помощью блока 16 смены бурильных элементов снимают буровое долото с хвостовика 28 и переносят его в магазин для хранения элементов, из которого блок смены одновременно захватывает новое буровое долото и переносит его к бурильной головке. Бурильный элемент размещается с помощью блока смены бурильных элементов в направлении вдоль оси “Н” перемещения или подачи бурильного молотка 7, при этом резьбовое соединение бурильного элемента с хвостовиком долота зажимается при заворачивании долота по резьбе между элементом и хвостовиком. Буровое долото перемещается средством подачи долота к концу штанги подачи, на которой имеется средство, удерживающее штанги на месте после отсоединения бурового долота от хвостовика. После этого бурильный молоток перемещают обратно в исходное положение, при этом между долотом и хвостовиком можно установить удлинительную штангу. Для выполнения непрерывного бурения можно разместить множество удлинительных штанг между буровым долотом и бурильным молотком. Также, можно установить блок смены бурильных элементов таким образом, чтобы он мог подать буровое долото непосредственно к концу подающей штанги для удерживания, что позволяет ускорить работу оборудования.

В дополнение к решению, представленному на фиг.1а, можно разместить блок смены бурильных элементов и магазин для хранения бурильных элементов на транспортном средстве, в таком случае расположение блока смены и магазина известно независимо от положения балки. Блок смены бурильных элементов можно также установить на транспортном средстве, а магазин для хранения бурильных элементов - на балке, или наоборот. В последнем случае положение блока смены бурильных элементов относительно магазина для их хранения и данные, необходимые для управления блоком смены, можно получить с помощью, например, соответствующих датчиков положения. Во всяком случае бурильный узел располагают на позиции смены в соответствии с магазином для хранения бурильных элементов. В зависимости от точки фиксации блока смены бурильных элементов и магазина для хранения бурильных элементов перемещением блока смены между магазином и бурильным узлом управляют либо с помощью фиксированных ограничителей, либо на основе информации, выдаваемой соответствующими датчиками положения.

На фиг.2 представлено решение, в котором блок 16 смены бурильных элементов установлен на бурильном узле 5. Блок 16 смены бурильных элементов можно закрепить шарнирно на подающей штанге 6, в таком случае он может захватить элементы 15 из магазина 12 для хранения бурильных элементов и перенести их непосредственно к концу подающей штанги для закрепления. Бурильный элемент 15, предназначенный для закрепления на конце подающей штанги, показан штриховой линией. Для наглядности на чертежах не показаны исполнительные механизмы, которые используют для поворота блока 16 смены бурильных элементов. Данный вариант обеспечивает преимущество в том, что, когда бурильный элемент 15 захватывается для удерживания, блок 16 смены бурильных элементов можно поворачивать без какого-либо сложного управления, поскольку относительное расположение блока смены бурильных элементов и позиции, на которой выполняется удерживание, точно известно и, по существу, неизменно. Также, поскольку бурильный узел согласно данному изобретению переводится в заранее известном положении в заданное место относительно магазина 12 для хранения бурильных элементов для смены бурильного элемента, то расположение блока смены бурильных элементов относительно магазина для них на позиции смены также точно известно.

На фиг.3 представлен принцип размещения бурильной врубовой трубы в скважине. Назначение бурильной врубовой трубы 21 состоит в том, чтобы препятствовать кускам породы 22, образующимся в процессе бурения, переноситься вверх буровой средой во время бурения вниз или вниз с наклоном, а также протекать вниз в пробуренную скважину. Бурильная врубовая труба формирует кольцевую насыпь, расположенную высоко над пробуренной скважиной. Для установки бурильной врубовой трубы 21 бурят начальное отверстие 23, используя буровое долото, диаметр которого больше диаметра заданной скважины, а затем бурильную врубовую трубу частично проталкивают в скважину, как это показано на фиг.4. Внутренний диаметр бурильной врубовой трубы 21 выбирают таким образом, чтобы действительное буровое долото 24 с удлиненными штангами 25а, 25b, 25с можно было протолкнуть сквозь эту трубу для бурения скважины 26 заданного размера. Бурильную врубовую трубу такого типа обычно устанавливают вручную, что трудоемко и неудобно и не отвечает современным требованиям, предъявляемым к бурению скального грунта. Настоящее изобретение также обеспечивает улучшение установки бурильных врубовых труб. Бурильное долото большего диаметра, предназначенное для бурения отверстия для бурильной врубовой трубы, можно поместить в магазин для элементов и получить его из магазина, а соответствующий инструмент для установки бурильной врубовой трубы можно разместить на хвостовике после бурения отверстия для бурильной врубовой трубы. Затем блок смены элементов доставляет бурильную врубовую трубу, которую необходимо установить, и ставит ее на инструмент, связанный с хвостовиком сверла, причем инструмент имеет форму плунжера 27, а после этого бурильную врубовую трубу 21 подводят к плунжеру для установки и вводят ее в отверстие 23 с помощью устройства подачи бурильного молотка. Далее плунжер снимают с помощью блока смены элементов, а бурение продолжается обычным способом через бурильную врубовую трубу.

Можно использовать не один, а несколько магазинов для хранения элементов, например, два: первый магазин для инструментов, таких как буровые долота и плунжер для бурильной врубовой трубы, а второй магазин для бурильных врубовых труб. Магазины, например, могут быть такими, как показано на фиг.1, их можно разместить, примыкая друг к другу боковыми сторонами в объеме между вилками балки, смотря спереди бурильного молотка. В таком случае имеется также поворотный в вертикальной плоскости шарнир 19 на блоке смены элементов, благодаря чему блок смены элементов можно также поворачивать в боковом направлении бурильного молотка. Боковое перемещение блока смены элементов можно также ограничить в его предельных положениях. С другой стороны, магазины могут быть устроены таким образом, что, если потребуется манипулировать элементами, то каждый раз магазин приводят в определенное место, где блок смены элементов может манипулировать элементами, находящимися в магазине. Такое расположение магазина также определяет координату, в соответствии с которой бурильный узел размещают в позиции для смены элементов.

Чертежи и их описание приведены только для иллюстрации существа изобретения. В деталях изобретение может варьироваться в рамках его формулы. Так, балка бурильного молотка или бурильный узел необязательно должны быть такими, как представлено на чертежах, изобретение может быть использовано применительно к установкам бурения скальных грунтов других типов. Далее, в отличие от конструкции, представленной на чертеже, блок смены элементов может позволять поворот только горизонтально, в таком случае магазин для элементов можно размещать, например, сзади кабины управления на транспортном средстве. Сменные элементы и блок их смены в таком случае потребуют в простейшем варианте поворота блока смены только на определенный угол в горизонтальной плоскости и удлинения его рычага. Также следует отметить, что существо настоящего изобретения можно успешно использовать и в других ситуациях, не только применительно к смене буровых долот и т.п. при бурении с удлинительными штангами. Так устройство по настоящему изобретению вообще необязательно должно содержать кассету с бурильными стержнями или ее можно разместить в каком-либо другом месте, не на бурильном узле.

Реферат

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройству, предназначенному для смены бурильного элемента в установке бурения скального грунта. Устройство для смены бурильного элемента в установке бурения скального грунта содержит транспортное средство, балку, установленную подвижно относительно него, к которой подвижно прикреплен бурильный узел, содержащий, по меньшей мере, бурильный молоток, подающую штангу и подающее средство. Устройство содержит, по меньшей мере, один магазин для хранения бурильных элементов, используемых в процессе бурения, и блок смены бурильных элементов, обеспечивающий их перенос между магазином для хранения бурильных элементов и бурильным узлом. Магазин для хранения бурильных элементов установлен на транспортном средстве или на балке отдельно от бурильного узла, причем устройство содержит средство для перемещения бурильного узла в заданную позицию и заданное расположение относительно магазина для хранения бурильных элементов для смены бурильного элемента. Технической задачей изобретения является создание устройства для смены бурового долота или какого-либо другого бурильного элемента бурильного узла, имеющего простую конструкцию, исключающего регулировку комплексных перемещений блока замены бурильных элементов и не добавляющего веса и не увеличивающего габаритные размеры бурильного узла. Устройство имеет высокую надежность в работе. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула