Устройство для ориентированного разрыва горных пород
DEVICE FOR ORIENTED RUPTURE OF ROCKS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для формирования в горных породах ориентированных трещин нужных размеров, повышающих эффективность воздействия на породный массив с целью, например, создания условий, облегчающих обрушение кровли в выработанное пространство или увеличивающих приток газа к скважинам, пройденных в угольных пластах для их дегазации.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. св. СССР №1555483, кл. Е21С 37/06, опубл. 07.04.1990 г. бюл. №13. Оно включает полый цилиндрический корпус с торцевым каналом подвода и отверстием для выхода рабочей жидкости, раздвижные элементы с поперечными закалывающими клиньями на наружных поверхностях, продольно установленные на корпусе, герметизатор в виде соосных корпусу кольцевого распорного элемента с конусной наружной поверхностью и основанием, обращенным к торцу корпуса с каналом подвода рабочей жидкости, и эластичного трубчатого элемента, установленного с возможностью надвигания на коническую поверхность кольцевого распорного элемента. Кольцевой распорный элемент установлен с возможностью ограниченного продольного перемещения относительно корпуса. Раздвижные элементы выполнены в виде цанг, связанных концами лепестков с вершиной кольцевого распорного элемента. Корпус у торца, оппозитного торцевому каналу подвода рабочей жидкости, выполнен с конусным заострением, прилегающим к внутренним поверхностям лепестков цанг. Выходное отверстие расположено на торце корпуса со стороны клинового заострения. Закалывающие клинья расположены на свободных концах лепестков цанги.
Общим у аналога с предлагаемым устройством является наличие корпуса с торцевым каналом подвода рабочей жидкости, цанги с закалывающими клиньями, установленными на ее лепестках, эластичного трубчатого элемента.
Это устройство обеспечивает формирование трещины только в плоскости забоя скважины. Поэтому его использование для дезинтеграции породного массива созданием в стенках пройденной в нем скважины множества ориентированных трещин неэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для ориентированного разрыва горных пород по патенту РФ №2641679, кл. Е21В 43/26, Е21С 37/08 опубл. 19.01.2018 г., бюл. №2, включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, втулку со скошенным вовнутрь торцом, рукав из проницаемого для жидкости материала, заполненный сыпучим веществом, отвердевающим при взаимодействии с жидкостью. Оно снабжено вторым рукавом. Полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями выполнен в виде стакана, который со стороны, противоположной его дну, вставлен с возможностью продольного перемещения во втулку до радиальных отверстий, а втулка со стороны, свободной от указанного корпуса, скреплена с колонной труб для подачи рабочей жидкости. Один из указанных рукавов намотан на втулку, а второй - на свободный от втулки конец корпуса до радиальных отверстий.
Общим у прототипа с предлагаемым устройством является наличие полого цилиндрического корпуса в виде стакана, втулки с возможностью продольного перемещения относительно стакана, способность свободного раздвижения скрепляющихся со стенками скважины элементов, которые расположены по разные стороны плоскости предполагаемого разрыва горной породы.
При одноразовой подаче этого устройства в скважину можно создавать только одну трещину. Для закрепления устройства в скважине требуется затрачивать время, необходимое на отвердение и упрочнение находящейся в рукавах смеси порошка и жидкости. В скважине после проведения разрыва горной породы остаются части устройства, что усложняет ее дальнейшее использование. Все это обуславливает относительно низкую эффективность работы устройства.
Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности работы устройства за счет возможности формирования множества трещин при одноразовой его подаче в скважину, сокращении времени на проведения каждого разрыва горной породы, возможности использования скважины после создания в ее стенках трещин без дополнительных операций.
Проблема решается тем, что устройство для ориентированного разрыва горных пород, включающее полый цилиндрический корпус в виде стакана, втулку, установленную с возможностью продольного перемещения относительно стакана, согласно техническому решению снабжено вторым стаканом и двумя, первой и второй, цангами, на концах лепестков каждой из которых с внешней стороны установлены закалывающие клинья, причем первая цанга скреплена с дном указанного, первого, стакана, а вторая цанга скреплена со вторым стаканом со стороны, противоположной его дну, при этом в дне первого стакана выполнено центральное отверстие, в которое вставлена указанная втулка со ступенчатым кольцевым выступом, контактирующим с внутренней поверхностью первого стакана, причем на втулку между ее кольцевым выступом и дном первого стакана надета пружина, а на выходящем из первого стакана конце втулки выполнены сквозные радиальные отверстия и внутреннее ступенчатое расширение, в котором размещена шайба из эластичного материала и нарезана резьба, куда вкручен винт с головкой, на которой закреплена трубка, в которую вставлен стержень, скрепленный с центром дна второго стакана с возможностью вместе со вторым стаканом продольного перемещения относительно указанной втулки, при этом на первый и второй стаканы и прикрепленные к ним цанги надеты соответственно первая и вторая эластичные втулки, причем один конец первой эластичной втулки закреплен на внешней поверхности первого стакана, а один конец второй эластичной втулки закреплен на внешней поверхности второго стакана, к тому же, к внутренним сторонам лепестков первой цанги прикреплены связующие элементы с возможностью одновременного контакта с внутренними сторонами лепестков второй цанги и указанной головкой винта, при этом в первый стакан вкручена труба для подачи рабочей жидкости, а указанные цанги выполнены таких размеров, что обеспечивается возможность контакта закалывающих клиньев, установленных на концах лепестков первой цанги, с закалывающими клиньями, установленными на концах лепестков второй цанги.
Такое техническое решение позволяет при одноразовой подаче устройства в скважину создавать в породном массиве множество трещин, существенно изменяющих его прочностные и фильтрационные свойства и, тем самым, облегчающих решения многих важных производственных проблем. Благодаря наличию второго стакана и двух, первой и второй, цанг, на концах лепестков каждой из которых с внешней стороны установлены закалывающие клинья, скреплению первой цанги с дном указанного, первого, стакана и скреплению второй цанги со вторым стаканом со стороны, противоположной его дну, становится возможным сцеплять устройство со стенками скважины. Выполнение в дне первого стакана центрального отверстия, в которое вставлена втулка со ступенчатым кольцевым выступом, контактирующим с внутренней поверхностью первого стакана, позволяет использовать указанную втулку в качестве плунжера, выдвигающегося под давлением рабочей жидкости из первого стакана. Пружина, надетая на втулку между ее ступенчатым кольцевым выступом и дном первого стакана, обеспечивает возврат этой втулки в исходное положение после прекращения действия давления рабочей жидкости. Выполнение на выходящем из первого стакана конце втулки сквозных радиальных отверстий и внутреннего ступенчатого расширения, в котором размещена шайба из эластичного материала и нарезана резьба, куда вкручен винт, позволяет задавать величину давления, при котором рабочая жидкость начинает поступать через радиальные отверстия в зону разрыва горной породы. Величина этого давления обуславливается усилием прижатия винтом шайбы из эластичного материала к ступени нерасширенной части втулки. Выполнение винта с головкой, на которой закреплена трубка, в которую вставлен стержень, скрепленный с центром дна второго стакана с возможностью вместе со вторым стаканом продольного перемещения относительно указанной втулки, обеспечивает необходимую связь и одновременно возможность продольного раздвижения частей устройства, скрепленных с трубкой и вставленным в нее стержнем. Надевание на первый и второй стаканы и прикрепленные к ним цанги соответственно первой и второй эластичной втулки и закрепление одного конца первой эластичной втулки на внешней поверхности первого стакана, а одного конца второй эластичной втулки на внешней поверхности второго стакана обеспечивает герметизацию скважины при раздвижении лепестков обеих цанг. Прикрепление к внутренним сторонам лепестков первой цанги связующих элементов с возможностью одновременного контакта с внутренними сторонами лепестков второй цанги и головкой винта обуславливает при выдвижении втулки из первого стакана раздвижение лепестков обеих цанг и внедрение установленных на них закалывающих клиньев в горную породу. Вкручиванием в первый стакан трубы для подачи рабочей жидкости обеспечивается возможность работы устройства и разрыва горной породы. Выполнение цанг таких размеров, что обеспечивается возможность контакта закалывающих клиньев, установленных на концах лепестков первой цанги, с закалывающими клиньями, установленными на концах лепестков второй цанги, позволяет концентрировать напряжения в стенках скважины по заданной линии и раздвигать разные части устройства по обе стороны плоскости разрыва горной породы. Устройство, благодаря возможности раздвижения его частей, скрепленных со стенками скважины по обе стороны формируемой трещины, не препятствует разрыву горной породы. Поэтому создается максимально возможное (для данного давления и диаметра скважины) растягивающее горную породу усилие и беспрепятственное со стороны устройства раскрытие формируемой трещины разрыва. При этом закалывающие клинья выполняют функции как якорей, исключающих перемещение частей устройства вдоль скважины, так и концентраторов напряжения, снижающих давление разрыва горной породы. Устройство позволяет за сравнительно короткое время дезинтегрировать породный массив на всем протяжении пробуренной в нем скважины. В результате повышается эффективность работы устройства за счет формирования множества трещин при одноразовой его подаче в скважину, сокращения времени на проведение каждого разрыва горной породы, возможности использования скважины после создания в ее стенках трещин без дополнительных операций.
Целесообразно на кольцевом выступе втулки установить уплотнительное кольцо, которым перекрыть зазор между указанным выступом и внутренней поверхностью первого стакана. Это обеспечивает гидравлическую изоляцию области нахождения пружины без выполнения трудоемкой операции по притиранию кольцевого выступа втулки к внутренней поверхности первого стакана, что снижает стоимость изготовления устройства и, следовательно, повышает эффективность его использования.
Целесообразно головку винта выполнить в виде катушки и между ее ребер разместить свободные концы связующих элементов, а к внутренним сторонам лепестков второй цанги прикрепить зацепы с возможностью их сцепления со связующими элементами для возвращения второй цанги в исходное положение при сдвижении лепестков первой цанги. Это обеспечивает принудительный возврат устройства в исходное состояние и, следовательно, снижает вероятность возникновения условий, при которых закалывающие клинья остаются сцепленными с горной породой остаточным давлением рабочей жидкости, что повышает эффективность использования устройства за счет увеличения надежности его работы.
Целесообразно в трубке выполнить продольные прорези и кольцевой выступ на свободном конце, а в стержне просверлить сквозное поперечное отверстие, в котором закрепить палец, который пропустить через продольные прорези трубки, при этом на трубку между ее кольцевым выступом и пальцем надеть сжатую пружину. Это позволяет использовать устройство для проведения разрывов горной породы через нисходящие скважины за счет исключения произвольного его разъединения на отдельные части, например, под действием веса скрепленных со стержнем деталей, что повышает эффективность использования устройства, ибо расширяет область его работы.
Целесообразно устройство снабдить пластинами, установленными на наружных поверхностях лепестков обеих цанг с перекрытием продольных зазоров между ними. Благодаря указанным пластинам, снижается вероятность повреждения эластичных втулок за счет исключения возможности продавливания их в зазоры между лепестками цанг, что повышает надежность работы устройства и, следовательно, увеличивает эффективность его эксплуатации.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства для ориентированного разрыва горных пород и чертежами фиг. 1-6.
На фиг. 1 показана схема устройства для ориентированного разрыва горных пород в исходном состоянии в скважине, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема устройства после внедрения закалывающих клиньев в стенки скважины до разрыва горной породы, продольный разрез; на фиг. 4 и 5 - разрезы Б-Б и В-В соответственно на фиг. 3; На фиг. 6 - схема устройства после разрыва горной породы, продольный разрез.
Устройство для ориентированного разрыва горных пород (фиг. 1) включает полый цилиндрический корпус в виде стакана 1, первого, (далее - стакан 1), втулку 2 (далее - втулка 2), установленную с возможностью продольного перемещения относительно стакана 1. Оно снабжено вторым стаканом 3 и двумя, первой и второй, соответственно цангами 4 и 5 (далее цанги 4 и 5). На концах лепестков 6 цанги 4 с внешней стороны установлены закалывающие клинья 7 (далее - клинья 7), а на концах лепестков 8 цанги 5 с внешней стороны установлены закалывающие клинья 9 (далее - клинья 9). Цанга 4 скреплена с дном стакана 1, а цанга 5 скреплена со стаканом 2 со стороны, противоположной его дну. В дне стакана 1 выполнено центральное отверстие (на фиг. 1 не обозначено), в которое вставлена втулка 2 со ступенчатым кольцевым выступом 10 (далее - выступ 10), контактирующим с внутренней поверхностью стакана 1. На втулку 2 между ее выступом 10 и дном стакана 1 надета пружина 11. На выходящем из стакана 1 конце втулки 2 выполнены сквозные радиальные отверстия 12 (далее - отверстия 12) и внутреннее ступенчатое расширение 13 (далее - расширение 13), в котором размещена шайба Низ эластичного материала (далее - шайба 14) и нарезана резьба (на фиг. не обозначена), куда вкручен винт 15 с головкой 16. На головке 16 закреплена трубка 17, в которую вставлен стержень 18, скрепленный с центром дна стакана 3 с возможностью вместе со стаканом 3 продольного перемещения относительно втулки 17. На стаканы 1 и 3 и прикрепленные к ним цанги 4 и 5 надеты соответственно первая и вторая эластичные втулки 19 и 20 (далее - втулки 19 и 20). Один конец втулки 19 закреплен на внешней поверхности стакана 1, а один конец втулки 20 закреплен на внешней поверхности стакана 3. К внутренним сторонам лепестков 6 прикреплены связующие элементы 21 (далее - элементы 21) с возможностью одновременного контакта с внутренними сторонами лепестков 8 и головкой 16 винта 15. В стакан 1 вкручена труба 22 для подачи рабочей жидкости. Цанги 4 и 5 выполнены таких размеров, что обеспечивается возможность контакта клиньев 7 и 9. На выступ 10 можно установить уплотнительное кольцо 23, которым перекрыт зазор между выступом 10 и внутренней поверхностью стакана 1. Головка 16 винта 15 может быть выполнена в виде катушки и между ее ребер размещены свободные концы элементов 21, а к внутренним сторонам лепестков 8 цанги 5 могут быть прикреплены зацепы 24 с возможностью их сцепления с элементами 21 для возвращения цанги 5 в исходное положение при сдвижении лепестков 6 цанги 4. На трубке 17 могут быть выполнены продольные прорези 25 (далее - прорези 25) и кольцевой выступ 26 (далее - выступ 26) на свободном конце. В стержне 18 может быть выполнено сквозное поперечное отверстие (на фиг. 1 не обозначено), в котором можно закрепить палец 27 и пропустить его через прорези 25 трубки 17, а на трубку 17 между ее выступом 26 и пальцем 27 может быть надета сжатая пружина 28 (далее - пружина 28). Отметим, что пружина 28 может быть уперта в палец 27 непосредственно либо через шайбу (на фиг. 1, 3 и 6 шайба не обозначена). Устройство может быть снабжено пластинами 29, установленными на наружных поверхностях лепестков 6 и 8 с перекрытием продольных зазоров 30 и 31 (далее - зазоры 30 и 31) между ними. В каждом стакане 1 и 3 для надежного крепления к ним втулок 19 и 20 можно выполнить кольцевые канавки 32, в которые вдавить концы втулок 19 и 20 обжимными кольцами 33. Стержень 18 может быть скреплен с центром дна стакана 3 резьбовым соединением 34, для герметизации которого может быть установлена уплотнительная шайба 35. Труба 22 соединена со стаканом 1 резьбой 36, герметизированной уплотнительной шайбой 37. Устройство подано в скважину 38. Внедрением в стенки скважины 38 клиньев 7 и 9 в горной породе образована начальная трещина 39 (фиг. 4). Нагнетанием рабочей жидкости через трубу 22 в стакан 1 выполнен ориентированный разрыв 40 горной породы (фиг. 6). Отметим, что некоторые элементы (шайба для фиксации пальца 27, резьбы, зазоры, места сварки, уплотнения), не оказывающие существенного влияния на понимание конструктивных особенностей и работы устройства, на фигурах не обозначены.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство подают в скважину 38 (фиг. 1) на заданную глубину и нагнетают в него через трубу 22 рабочую жидкость. Под действием давления рабочей жидкости втулка 2, выдвигается из стакана 1 и через головку 16 винта 15 и элементы 21 раздвигает лепестки 6 и 8 соответственно цанг 4 и 5. Благодаря этому, образующие окружность (фиг. 2) клинья 7 и 9 расходятся радиально и внедряются в горную породу (фиг. 3), а втулки 19 и 20 придавливаются к стенкам скважины 38 (фиг. 5). Отметим, что от внедрения клиньев 7 и 9 в горную породу сравнительно слабой прочности (например, уголь) в стенках скважины 38 может возникнуть начальная трещина 39 (фиг. 4). При достижении давления рабочей жидкости заданного значения, происходит отжим шайбы 14 от ступени нерасширенной части втулки 2, от чего рабочая жидкость начинает поступать через отверстия 12 в область нахождения лепестков 6 и 8. Далее давление рабочей жидкости сильнее прижимает втулки 19 и 20 к стенкам скважины 38, а также стремится раздвинуть части устройства, которые расположены по обе стороны предполагаемой плоскости образования трещины (плоскости, к которой с обеих сторон примыкают соответственно клинья 7 и клинья 9). От этого в стенках скважины 38по линии их контакта с клиньями 7 и 9 или по границе возникшей трещины 39 концентрируются напряжения, при достижении которыми предела прочности горной породы на растяжение происходит разрыв последней с образованием трещины 40 (фиг. 6). Размеры трещины 40 оценивают по объему закачанной в нее рабочей жидкости. Давление рабочей жидкости после подачи ее в трещину 40 заданного объема сбрасывают до нулевого значения, от чего пружина 11 через втулку 2 и головку 16 винта 15, выполненную в виде катушки, воздействием на элементы 21 возвращает лепестки 6 и 8 с установленными на них соответственно клиньями 7 и 9 в исходное положение. В результате происходит разгерметизация скважины 38 и втулки 19 и 20 под действием собственной упругости принимают прежнюю форму. Затем устройство перемещают вдоль скважины 38 для проведения в ее стенках следующего разрыва горной породы аналогичным образом.
Важной особенностью устройства является то, что начало поступления рабочей жидкости в зону формирования трещины 40 обуславливается не величиной внедрения клиньев 7 и 9 в горную породу, а усилием их прижатия к стенкам скважины 38, которое задается давлением рабочей жидкости, регулируемым в широких пределах силовым воздействием на шайбу 14 винтом 15. Такая особенность способствует адаптации характера внедрения клиньев 7 и 9 в стенки скважины 38 к прочностным свойствам горной породы. Обусловлено это тем, что требование к усилию удержания частей устройства от произвольного их раздвижения до образования трещины 40 с увеличением прочности горной породы достигается при меньшей величине внедрения в нее клиньев 7 и 9. В результате достигается снижение требования к нагнетателям рабочей жидкости по давлению до минимального значения и надежное сцепления клиньев 7 и 9 со стенками скважины 38в широком диапазоне изменения прочностных свойств горной породы.
На адаптацию работы устройства к условиям его эксплуатации направлена и используемая в нем система герметизации скважины 38. Две втулки 19 и 20, один конец каждой из которых закреплен на внешней поверхности соответствующего стакана 1 и 3, позволяют использовать их в качестве манжет, установленных по разные стороны формируемой трещины 40 навстречу друг другу свободными концами. Особенность такой герметизации скважины 38 состоит в том, что внешние поверхности втулок 19 и 20 прижимаются к стенкам скважины 38 не только лепестками 6 и 8, но и рабочей жидкостью. Поэтому разгерметизация скважины 38 исключается благодаря адаптации усилия, с которым втулки 19 и 20 придавливаются к горной породе, к давлению рабочей жидкости. Отметим, что отжим втулок 19 и 20 от стенок скважины 38 (разгерметизация скважины 38) возможен только под действием их собственной упругости при возвращении лепестков 6 и 8 в исходное положение и сбросе давления рабочей жидкости до нулевого значения.
Пружина 28 при разрыве горной породы через восстающую скважину 38 не является обязательной. Стержень 18 удерживается во втулке 17 под действием собственного веса и прикрепленных к нему деталей. Вместе с этим усилие пружины 28, удерживающее раздвижные части устройства, в сравнении с усилием, с которым рабочая жидкость разрывает горную породу, несущественно. Поэтому присутствие пружины 28 в устройстве следует считать целесообразным при разрыве горной породы через скважину 38 с любой ориентацией, ибо это исключает возможность оставления в скважине 38 застрявших в ней по какой-либо причине деталей.
Устройство разработано для проведения в восстающих скважинах поперечных разрывов породных массивов, что необходимо при реализации гидродинамической стратификации трудно обрушающихся кровель в технологиях отработки пологих угольных пластов механизированными комплексами, а также для дегазации угольных пластов. Вместе с этим, его целесообразно использовать и в технологиях, в которых увеличение проницаемости породного массива созданием в нем множества трещин повышает производительность извлечения полезного ископаемого, например, при выщелачивании меди или урана.