Интегрированное устройство для бурения, разуплотнения и долбления породы на основе пены высокого давления - RU2685355C1

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области механических решений для дробления породы, в частности, к интегрированному устройству для бурения, разуплотнения и долбления породы на основе пены высокого давления.

СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Согласно Тринадцатому пятилетнему плану развития Китая необходимо увеличить долю неископаемых источников энергии и развивать более чистые и эффективные способы использования ископаемых источников энергии, таких как уголь. Поставлена задача добиться прорыва в основополагающих теоретических исследованиях и решить ключевые технические задачи в области безопасной разработки глубинных угольных залежей, экологичной разработки угольных залежей на западе страны, разработки чистых и эффективных методов утилизации угля и т.д. На данный момент удалось значительно повысить безопасность используемого технологического оборудования и добиться снижения скрытых аварийных факторов. Однако при добыче угля на территории Китая на объемы и эффективность добычи влияет несбалансированность угольной залежи по составу. Разработка китайских месторождений постепенно все больше переходит в фазу подземных работ. Твердость породы рабочего забоя постоянно повышается, увеличивается периодичность и мощность взрывной отбойки, в связи с чем все чаще возникают проблемы с безопасностью на объектах. По данным статистики, длина проходки в крепких породах (f>10) только для государственных угольных шахт составляет свыше 2000 км. В последнее время доля подземных коммуникаций в общем объеме коммуникаций, проложенных в крепких породах, достигает 1:3.1. Этим объясняется актуальность проблемы обеспечения эффективности и безопасности подземной проходки в крепких породах (F>10). Механизированный метод проходки туннеля обладает достоинствами, однако имеет и недостатки, среди которых повышенное потребление электроэнергии, существенный износ бурового оборудования, ненадежность и неудобство работы с механизмами и непригодность этого метода для начала проходки в крепких породах. В настоящее время для проходки в крепких породах используется преимущественно метод буровзрывной выемки. Породу подрывают динамитом, а затем ее дробят, удаляют осколки, крепят стены траншеями и ведут проходку с использованием соответствующего оборудования. При этом объем работ ограничен областью рабочего забоя. Возникают сложности, когда необходимо вести проходку и разработку рабочего забоя одновременно. Кроме того, этот метод приводит к значительному повреждению соседней породы. Уровень механизации при этом методе невысок, что не соответствует поставленной задаче по повышению безопасности и эффективности производства. В то же время метод отличается трудоемкостью, а запыление и шум от используемого оборудования отрицательно воздействуют на организм персонала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача: Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы сгладить недостатки существующего уровня техники и предложить интегрированное устройство для бурения, разуплотнения и долбления породы на основе пены высокого давления, с возможностью сочетания таких операций, как дробление, разуплотнение и бурение, что позволит сократить временные и трудовые затраты и увеличить эффективность и безопасность.

Техническое решение: Настоящее изобретение предлагает интегрированное устройство для бурения, разуплотнения и долбления породы на основе пены высокого давления, состоящее из источника питания, буровой трубы, буровой коронки, блока ведущего зубчатого колеса и ударного поршня, при этом во внутренней части буровой трубы предусмотрено центральное отверстие, куда заходит буровая коронка, на буровой трубе предусмотрен аппарат подачи пены высокого давления, на задней части которого закреплены механизм ведущего зубчатого колеса и ударный поршень, а на передней части на фиксатор крепится аппарат для заделки пробуренных отверстий;

аппарат подачи пены высокого давления включает в себя правую и левую обечайки буровой трубы, патрубок, соединяющий правую и левую обечайки буровой трубы, которые вместе образуют камеру подачи пены высокого давления, при этом поршень для подачи пены высокого давления, закрепленный на муфту на буровой трубе, заходит в патрубок. На правой и левой обечайках буровой трубы предусмотрено по протоку, выпускные отверстия которых соединены с системой выработки и подачи пены высокого давления, а на ближней к правой обечайке стороне буровой трубы предусмотрено отверстие для подачи пены высокого давления;

система выработки и подачи пены высокого давления состоит из одноходового клапана, нагнетателя, смесителя, газового насоса и электромагнитного реверсивного клапана, соединенных последовательно трубопроводом подачи пены, при этом на смесителе установлен жидкостный насос;

аппарат для заделки пробуренных отверстий состоит из левого и правого фиксаторов, установленных через определенный промежуток на буровой трубе, и двух противолежащих полуцилиндров. Между левым и правым фиксаторами и буровой трубой на муфту крепится компенсационная труба, а на участке буровой трубы между левым и правым фиксаторами предусмотрено несколько отверстий для подачи герметика, соединенных с отверстием во внутренней части буровой трубы.

На внешнем диаметре поршня подачи пены высокого давления предусмотрено уплотнительное кольцо вала поршня подачи пены высокого давления, которое обеспечивает герметизацию внутренней стенки патрубка, а на внутреннем диаметре предусмотрено уплотнительное кольцо в области отверстия для поршня подачи пены высокого давления, которое обеспечивает герметизацию буровой трубы.

В конструкции устройства предусмотрено от 2 до 4 отверстий для подачи пены высокого давления, которые располагаются по кругу.

Предусмотрено несколько групп отверстий для герметика, каждая из которых расположена на расстоянии от других, при этом в состав каждой такой группы входят от 2 до 4 отверстий, расположенных по кругу.

Метод бурения, разуплотнения и дробления породы с использованием интегрированного устройства для бурения, разуплотнения и дробления породы на основе пены высокого давления состоит из следующих этапов:

а) запуск источника питания, который приводит в действие высокоскоростной ударный поршень. Поршень толкает буровую трубу, в результате чего она продвигается вперед. Одновременно с этим двигатель приводит в действие блок ведущего зубчатого колеса. Ведущее зубчатое колесо зацепляет большое ведомое зубчатое колесо, в результате чего буровая труба вращается и соединяется с ведомым зубчатым колесом на шпонку. Таким образом осуществляется вращение буровой трубы 3, и с помощью этого действия устройство для бурения, разуплотнения и дробления породы бурит отверстие в породе;

б. после пробуривания отверстия через газовый и жидкостный насосы в смеситель подаются газ и жидкость, где они смешиваются, а затем поступают в нагнетателя, где на смесь воздействуют давлением, в результате чего получается пена высокого давления для разуплотнения и дробления породы;

в. открытие электромагнитного реверсивного клапана для подачи газа газовым насосом по протоку левой обечайки в левый отсек камеры подачи пены высокого давления. Газ сдвигает поршень подачи пены вправо, и, после того, как поршень подачи пены смещается в правый отсек камеры подачи пены высокого давления, электромагнитный реверсивный клапан закрывается;

г. подача пены высокого давления по трубопроводу через проток правой обечайки в камеру подачи пены высокого давления. Под действием пены высокого давления поршень подачи пены смещается влево, пена высокого давления поступает в центральное отверстие буровой трубы из специального отверстия для подачи пены, предусмотренного в трубе, и подается по центральному отверстию буровой трубы к буровой коронке. В процессе подачи пены высокого давления по центральному отверстию буровой трубы некоторое количество пены вытекает из отверстия для заделки и оказывает вытесняющее воздействие на компенсационную трубу устройства для заделки отверстий, после чего компенсационная трубка плотно прилегает к стенке пробуренной скважины и герметизирует ее, а оставшееся количество пены высокого давления вытекает из отверстия на коронке и подается к концевой части скважины;

д. непрерывная подача пены высокого давления, которая скапливается на дне скважины и образует область высокого давления, под действием которой происходит разуплотнение и дробление породы. В это же время в левом отсеке подачи пены создается область высокого давления, в результате чего поршень подачи пены перемещается на исходное положение, а цикл разуплотнения и дробления завершается.

Газовый и жидкостный насосы могут подавать различные газы и жидкости в соотношении 3:1 (газа к жидкости).

Полезный эффект: Вышеописанное техническое решение позволяет не только увеличить эффективность проходки в крепкой породе и снизить нагрузку на персонал, но также повышает безопасность на объекте за счет раскалывания и дробления породы с использованием пены высокого давления, которая проникает в мелкие трещины внутри породы, тем самым сводя к минимуму необходимость во внешнем механическом воздействии на породу. Настоящее изобретение позволяет вести непрерывное бурение и разуплотнение, при этом значительно сокращается продолжительность операций по бурению и заделке скважин, разуплотнению и дроблению, повышается эффективность бурового оборудования и проходки в крепких породах, рабочие места становятся более безопасными, а нагрузка на персонал существенно снижается. Устройство отличается простотой конструкции, удобством в использовании, хорошим КПД и может применяться для решения широкого спектра задач.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 - конструктивная схема настоящего изобретения;

Фигура 2 - вид в разрезе под углом 45° камеры подачи пены высокого давления согласно настоящему изобретению;

Фигура 3 - частично увеличенная проекция герметизирующей конструкции поршня подачи пены высокого давления согласно настоящему изобретению;

Фигура 4 - вид в разрезе под углом 45° аппарата для заделки скважин согласно настоящему изобретению.

На чертежах: 1 - источник питания; 2 - левая обечайка буровой трубы; 2-1 - проток левой обечайки; 3 - буровая труба; 3-1 - отверстие для подачи пены высокого давления; 3-2 - отверстие для подачи герметика; 4 - камера подачи пены высокого давления; 5 - поршень подачи пены высокого давления; 5-1 - уплотнительное кольцо вала поршня подачи пены высокого давления; 5-2 - уплотнительное кольцо отверстия для поршня подачи пены высокого давления; 6-правая обечайка буровой трубы; 6-1 - проток правой обечайки; 7 - аппарат для заделки скважин; 7-1 - левый фиксатор; 7-2 - компенсационная трубка; 7-3 - правый фиксатор; 7-4 - отверстие для крепежного болта фиксатора; 7-5 - уплотнительное кольцо для фиксатора буровой коронки; 8 - буровая коронка; 9 - газовый насос; 10 - жидкостный насос; 11 - смеситель; 12 - нагнетатель; 13 - одноходовой клапан; 14 - трубопровод подачи пены высокого давления; 15 - высокопрочный болт; 16 - электромагнитный реверсивный клапан; 17 - двигатель; 18 - выходной вал двигателя; 19 - ведущее ЗК; 20-ведомое ЗК; 21 - ударный поршень.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приводится один из вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.

Как показано на Фигуре 1, Фигуре 2 и Фигуре 3, настоящее изобретение предлагает интегрированное устройство для бурения, разуплотнения и долбления породы на основе пены высокого давления, состоящее из источника питания 1, буровой трубы 3, буровой коронки 8, блока ведущего зубчатого колеса и ударного поршня 21, при этом во внутренней части буровой трубы 3 предусмотрено центральное отверстие, куда заходит буровая коронка 8, на буровой трубе 3 предусмотрен аппарат подачи пены высокого давления, на задней части которого закреплены механизм ведущего зубчатого колеса и ударный поршень 21, а на передней части на фиксатор крепится аппарат 7 для заделки пробуренных отверстий.

Источник питания 1 состоит из гидравлического насоса, цилиндра и реверсивного клапана и соединен с ударным поршнем 21 с помощью муфты. Источник питания толкает ударный поршень 21 для создания ответного высокоскоростного толчка.

Механизм ведущего зубчатого колеса состоит из двигателя 17, выходного вала двигателя 18, ведущего зубчатого колеса 19, закрепленного на выходном валу двигателя 18 и ведомого зубчатого колеса, сцепленного с ведущим колесом 19 и закрепленного на буровой трубе 3.

Буровая труба приводится в движение благодаря сцеплению с ведущим зубчатым колесом 19 и его движущему действию, а ведомое зубчатое колесо 20 приводится в движение с помощью ударного поршня 21 и вала двигателя 18. Под действием источника питания 1 ударный поршень 21 совершает ответный высокоскоростной толчок и оказывает толкающую ударную нагрузку на буровую трубу. Двигатель 17 приводит в движение блок зубчатого колеса, ведомое зубчатое колесо 19 сцепляется с буровой трубой на шпонку и вращает ее. К породе прикладывается ударная нагрузка, в результате чего пробуривается скважина, а затем рабочий забой подвергается разуплотнению и дроблению путем закачки пены высокого давления в пробуренную скважину.

Система выработки и подачи пены высокого давления состоит из одноходового клапана 13, нагнетателя 12, смесителя 11, газового насоса 9 и электромагнитного реверсивного клапана 16, соединенных последовательно трубопроводом подачи пены 14, при этом на смесителе 11 установлен жидкостный насос 10. Газ и жидкость смешиваются в различных пропорциях посредством регулирования скорости подачи газового насоса 9 и жидкостного насоса 10. Трубопровод газового насоса, трубопровод жидкостного насоса, трубопровод нагнетателя и трубопровод подачи пены высокого давления в протоки левой и правой обечаек 2-1 и 6-1 оснащены одноходовым клапаном. Газовый насос 9 отдельно по трубопроводам соединяется со смесителем 11 и протоком левой обечайки 2-1, а жидкостный насос 10 соединяется со смесителем 11. Газовый 9 и жидкостный 10 насосы подают газ и жидкость соответственно в смеситель 11, получившаяся смесь подается в нагнетатель 12, а оттуда в проток правой обечайки 6-1.

Аппарат подачи пены высокого давления включает в себя правую и левую обечайки буровой трубы 2, 6, патрубок, соединяющий правую и левую обечайки буровой трубы 2, 6, которые вместе образуют камеру подачи пены высокого давления 4, при этом поршень 5 для подачи пены высокого давления, закрепленный на муфту на буровой трубе 3, заходит в патрубок. На внешнем диаметре поршня 5 подачи пены высокого давления предусмотрено уплотнительное кольцо 5-1 вала поршня 5 подачи пены высокого давления, которое обеспечивает герметизацию внутренней стенки патрубка, а на внутреннем диаметре предусмотрено уплотнительное кольцо 5-2 в области отверстия для поршня подачи пены высокого давления, которое обеспечивает герметизацию буровой трубы 3. На правой и левой обечайках 2, 6 буровой трубы предусмотрено по протоку 2-1 и 6-1, выпускные отверстия которых соединены с системой выработки и подачи пены высокого давления, а на ближней к правой обечайке стороне буровой трубы 3 предусмотрено отверстие 3-1 для подачи пены высокого давления.

В конструкции устройства предусмотрено от 2 до 4 отверстий 3-1 для подачи пены высокого давления, которые располагаются по кругу. Патрубок камеры 4 подачи пены высокого давления соединен с левой обечайкой 2 буровой трубы и правой обечайкой 6 буровой трубы и закреплен на высокопрочные болты 15. Благодаря креплению на болт 15, правая обечайка плотно прилагает к фасонному выступу на левой части буровой трубы 3.

Как показано на Фигуре 4, аппарат 7 для заделки пробуренных отверстий состоит из левого 7-1 и правого 7-3 фиксаторов, установленных через определенный промежуток на буровой трубе 3, и двух противолежащих полуцилиндров для герметизации дна скважины. Левый 7-1 и правый 7-3 фиксаторы располагаются друг напротив друга и оснащены отверстием под болт для крепления к фиксатору. Два конца левого 7-1 и правого 7-3 фиксаторов упираются в паз буровой трубы 3 и оснащены уплотнительными кольцами 7-5. Между левым 7-1 и правым 7-3 фиксаторами и буровой трубой 3 на муфту крепится компенсационная труба 7-2, а на участке буровой трубы 3 между левым 7-1 и правым 7-3 фиксаторами предусмотрено несколько отверстий 3-2 для подачи герметика, соединенных с отверстием во внутренней части буровой трубы 3. Предусмотрено несколько групп отверстий 3-2 для герметика, каждая из которых расположена на расстоянии от других, при этом в состав каждой такой группы входят от 2 до 4 отверстий, расположенных по кругу.

Метод бурения, разуплотнения и дробления породы с использованием интегрированного устройства для бурения, разуплотнения и дробления породы на основе пены высокого давления состоит из следующих этапов:

а) запуск источника питания 1, который приводит в действие высокоскоростной ударный поршень 21 при условии, что частота удара составляет не менее 36 Гц. Поршень 21 толкает буровую трубу 3, в результате чего она продвигается вперед. Одновременно с этим двигатель 17 приводит в действие блок ведущего зубчатого колеса. Ведущее зубчатое колесо 19 зацепляет большое ведомое зубчатое колесо 20, в результате чего буровая труба 3 вращается и соединяется с ведомым зубчатым колесом на шпонку. Таким образом осуществляется вращение буровой трубы 3, и с помощью этого действия устройство для бурения, разуплотнения и дробления породы бурит отверстие в породе.

б. после пробуривания отверстия через газовый 9 и жидкостный 10 насосы в смеситель 11 подаются газ и жидкость, где они смешиваются, а затем поступают в нагнетатель 12, где на смесь воздействуют давлением, в результате чего получается пена высокого давления для разуплотнения и дробления породы. Отношение газа, подаваемого через газовый насос 9, к жидкости, подаваемой через жидкостный насос 10, составляет 3:1. Газ и жидкость по отдельности поступают в смеситель 11 через одноходовые клапаны. В смесителе 11 из газа и жидкости образуется пена низкого давления, которая подается в нагнетатель 12, а оттуда в камеру подачи пены высокого давления 4 по протоку 6-1 правой обечайки 6. Отношение газа к жидкости - основной фактор, от которого зависит вязкость пены. Если отношение газа к жидкости меньше 1, вязкость пены будет низкой. Если отношение газа к жидкости выше 1, вязкость пены будет возрастать по мере подачи газа. Как правило, отношение газа к жидкости составляет 3:1.

в. Открытие электромагнитного реверсивного клапана 16 для подачи газа газовым насосом 9 по протоку 2-1 левой обечайки в левый отсек камеры 4 подачи пены высокого давления. Газ сдвигает поршень 5 подачи пены вправо, и, после того, как поршень подачи пены смещается в правый отсек камеры 4 подачи пены высокого давления, электромагнитный реверсивный клапан 16 закрывается.

г. подача пены высокого давления по трубопроводу 14 через проток 6-1 правой обечайки в камеру 4 подачи пены высокого давления. Под действием пены высокого давления поршень 5 подачи пены смещается влево, пена высокого давления поступает в центральное отверстие буровой трубы 3 из специального отверстия 3-1 для подачи пены, предусмотренного в трубе, и подается по центральному отверстию буровой трубы 3 к буровой коронке 8. В процессе подачи пены высокого давления по центральному отверстию буровой трубы 3 некоторое количество пены вытекает из отверстия для заделки 3-2 и оказывает вытесняющее воздействие на компенсационную трубу 7-2 устройства для заделки отверстий, после чего компенсационная трубка 7-2 плотно прилегает к стенке пробуренной скважины и герметизирует ее, а оставшееся количество пены высокого давления вытекает из отверстия на коронке 8 и подается к концевой части скважины. В аппарате 7 для заделки скважин компенсационная трубка 7-2 крепится к буровой трубе 2 на левый 7-1 и правый 7-3 фиксаторы, представляющие собой два противоположных полуцилиндра. Компенсационную трубку можно заменить в случае поломки.

д. Непрерывная подача пены высокого давления через центральное отверстие буровой трубы 3 и коронку 8. Пена скапливается на дне скважины и образует область высокого давления, под действием которой происходит разуплотнение и дробление породы. В это же время в левом отсеке камеры 4 подачи пены создается область высокого давления, в результате чего поршень 5 подачи пены перемещается на исходное положение, а цикл разуплотнения и дробления завершается. Запускается новый цикл, что позволяет обеспечить непрерывность дробления с помощью пены высокого давления.

Реферат

Группа изобретений относится к бурению и разуплотнению породы на основе пены высокого давления. Устройство включает механический аппарат для бурения, разуплотнения и долбления породы, систему выработки и подачи пены высокого давления и аппарат для заделки отверстий. Интегрированное устройство для бурения, разуплотнения и долбления породы включает источник питания, ударный поршень, двигатель, блок ведущего зубчатого колеса, коронку вращательного бурения, буровую трубу, аппарат для заделки пробуренных отверстий, камеру подачи пены высокого давления, систему выработки и подачи пены высокого давления, состоящую из гидравлического насоса, газового насоса, смесителя для получения газожидкостной смеси и нагнетателя. Система может регулировать пропорцию ингредиентов газожидкостной смеси и давление подачи для работы с породой различной твердости и исходя из различных рабочих условий. Повышается эффективность бурения, предотвращаются дефекты заделывания отверстий, обеспечивается возможность непрерывного бурения и разуплотнения породы с помощью интегрированного решения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула