ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ELECTROPULSE ROCK-BREAKING DEVICE

Изобретение относится к техническим средствам со стержневыми электродами для разрушения непосредственно высоковольтными разрядами горных пород и искусственных токонепроводящих материалов при бурении скважин, отверстий, особенно большого диаметра (500 мм и более) и может найти применение в горном деле, при ремонтно-строительных работах, в т.ч. на дорогах, аэродромах, атомных объектах.
Известно одно из перспективных породоразрушающих устройств со стержневыми электродами - это бур для проходки скважин электрическими импульсными разрядами (а.с. СССР №282216, МПК Е21В 19/10, опубл. 10.04.2004, БИ №10), состоящий из заземленной трубы с вырезами, образующими расположенные по окружности заземленные электроды, причем внутри заземленной трубы укреплен проходной изолятор, через который пропущен, с возможностью осевого перемещения, высоковольтный полый (для подачи промывочной жидкости) центральный стержень, к нижнему концу которого прикреплены трубчатый центральный электрод и несколько высоковольтных электродов, призабойные концы которых расположены по окружности между заземленными электродами.
Одним из основных недостатков известного устройства является необходимость при увеличении его межэлектродных промежутков (без изменения диаметра трубчатого центрального электрода) соответственно увеличивать наружный диаметр проходного изолятора, что существенно повышает стоимость всего устройства. Другой его недостаток связан со следующим. Чтобы снизить затраты при эксплуатации электроимпульсных породоразрушающих устройств, необходимо применять дешевые промывочные жидкости, к которым относится вода и другие электропроводящие жидкости. Но при использовании таких жидкостей происходят существенные посадки напряжения за счет утечки (растекания) токов; основным путем их снижения является изоляция всех высоковольтных элементов (деталей) устройства, но они имеют сложную форму, и обеспечить их электроизоляционным покрытием можно только одновременно по специальной технологии. Более того, даже при единичных пробоях изоляционного покрытия электрическими разрядами необходимо его заменять на всех высоковольтных элементах (не только на электродах).
Варьировать одновременно диаметром породоразрушающего устройства и его межэлектродными промежутками позволяет конструкция выбранного за прототип электроимпульсного бурового наконечника (патент на полезную модель №82764, МПК Е21С 37/18, опубл. 10.05.2009, БИ №13), состоящего из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочным каналом, причем электроды обеих электродных систем выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно расположены по окружности, а высоковольтная электродная система снабжена полым центральным электродом, к которому прикреплен дополнительный высоковольтный электрод, равноудаленный от электродов заземленной электродной системы, торцевая поверхность которого выполнена на одном уровне с торцевыми поверхностями призабойных концов стержневых высоковольтных электродов. При этом нижняя часть центрального электрода, расположенная над дополнительным высоковольтным электродом, выполнена конусной, полой и перфорированной, а дополнительный высоковольтный электрод выполнен крестообразным.
Однако устройство-прототип имеет два существенных недостатка. Одним из них является высокая стоимость устройства, особенно его изолятора, которая при диаметре изолятора 400-500 мм достигает десятков тысяч рублей. Это связано с тем, что при изготовлении изоляционных заготовок для таких изоляторов приходится использовать технологию с вакууммированием прессформ, чтобы в заготовках не было газовых включений, резко снижающих их электрическую прочность. На стоимость устройства такой конструкции существенное влияют и габариты, усложняющие его изготовление. Другой недостаток прототипа, как и у устройства-аналога, связан со сложностью выполнения его высоковольтных элементов с изоляционным покрытием и необходимостью замены всего покрытия даже при единичных пробоях его разрядами. Этот недостаток не позволяет успешно применять дешевые электропроводящие промывочные жидкости, такие как вода и растворы на ее основе.
Техническим результатом предложенного решения является снижение на порядок его стоимости, т.к. предложенная конструкция устройства позволяет применять дешевый листовой электроизоляционный материал, а также просто и дешево делать электродные системы из стальных прутков и закреплять их концы в изоляционных пластинах. Эта конструкция позволяет также более надежно изолировать стержневые электроды для снижения посадок напряжения за счет утечек токов. При этом стоимость предложенного породоразрушающего устройства на порядок меньше стоимости устройства-прототипа с таким же наружным диаметром (по электродам). Меньше затраты и на его обслуживание при эксплуатации, т.к. любой электрод или изоляционную пластину можно быстро заменить. При электрических пробоях изоляционного покрытия электрода можно быстро заменить этот электрод в сборке с его изоляционным покрытием или только его изоляционное покрытие, а при пробое изоляционного покрытия устройства-прототипа даже в одном месте необходимо заменять это покрытие на всех высоковольтных элементах устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном породоразрушающем устройстве, состоящем из высоковольтной и заземленной электродных систем, электроды которых выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно расположены по окружности, а высоковольтная электродная система снабжена центральным высоковольтным электродом, проходящим через изоляционный узел, согласно предложенному решению, изоляционный узел выполнен в виде расположенных горизонтально одна над другой изоляционных пластин заземленной и высоковольтной электродных систем, в которых, за исключением центрального высоковольтного электрода, закреплены верхние концы заземленных и высоковольтных электродов.
Кроме того, изоляционные пластины заземленной и высоковольтной электродных систем выполнены в виде двух звездообразных фигур, треугольные выступы которых смещены в горизонтальной плоскости.
Целесообразно электроды снабжать изоляционными покрытиями.
Также целесообразно призабойные концы электродов выполнять с подпружиненными наконечниками.
Пример конкретного выполнения.
На фиг.1 показан продольный разрез предложенного электроимпульсного породоразрушающего устройства, установленного на забой скважины; на фиг.2 изображен его вид сверху; на фиг.3 устройство приведено в процессе разрушения поверхностного слоя бетона; на фиг.4 все электроды устройства снабжены изоляционными покрытиями, а на фиг.5 и фиг.6 приведены результаты испытаний этого устройства (при приподнятом центральном высоковольтном электроде) на блоках кварцита и гранита. Устройство состоит из высоковольтной и заземленной электродных систем (фиг.1 и фиг.2). Основными элементами высоковольтной электродной системы являются ее изоляционная пластина 1, выполненная в виде звездообразной фигуры с треугольными выступами, и высоковольтные стержневые электроды; при этом центральный высоковольтный электрод 2 с его изоляционным покрытием 3 проходит через изоляционный узел, представляющий собой изоляционную пластину 1 высоковольтной электродной системы и, расположенную над ней изоляционную пластину 4 заземленной электродной системы. Верхние концы остальных периферийных высоковольтных электродов 5 закреплены в треугольных выступах изоляционной пластины 1, а верхние концы всех стержневых заземленных электродов 6 - в выступах пластины 4, причем треугольные выступы этих пластин смещены в горизонтальной плоскости так, что высоковольтные электроды 5 и заземленные электроды 6 расположены равномерно по окружности, чередуясь между собой. Изоляционное покрытие 3 центрального высоковольтного электрода 2 выполнено с двумя парами лысок: нижние лыски 7 препятствуют перемещению по вертикали и вращению в горизонтальной плоскости изоляционной пластины 1, а верхние лыски 8 препятствуют перемещению в горизонтальной плоскости изоляционной пластины 4 и ограничивают перемещение этой пластины в вертикальном направлении (±40 мм). Периферийные высоковольтные электроды 5 электрически подключены к центральному высоковольтному электроду 2 с помощью одножильного кабеля 9, а заземленные электроды 6 электрически соединены между собой кабелем 10. На фиг.1 показано, что устройство, установленное на забой скважины, залито электроизоляционной жидкостью (дизельным топливом) 11 до уровня выше верхних концов заземленных электродов 6 (для предотвращения высоковольтных разрядов в воздухе и перекрытий ими элементов устройства по поверхности).
На фиг.4 в предложенном устройстве, позволяющем эффективно использовать электропроводящие промывочные жидкости, изоляционная пластина 1 высоковольтной электродной системы закреплена над изоляционной пластиной 4 заземленной электродной системы с помощью шпилек 12. Центральный высоковольтный электрод 2 установлен в верхнем положении, чтобы обеспечить возможность получения керна. Для снижения посадок напряжения из-за утечек токов при использовании электропроводящих промывочных жидкостей и для предупреждения развития разрядов между боковыми поверхностями электродов периферийные высоковольтные электроды 5 снабжены изоляционными покрытиями 13, а заземленные электроды 6 - изоляционными покрытиями 14. Для улучшения контакта устройства с разрушаемой горной породой или искусственным изделием все призабойные концы электродов снабжены подпружиненными наконечниками 15, причем, когда центральный высоковольтный электрод 2 при разрушении породы опущен до забоя скважины (фиг.1), его призабойный конец снабжен таким же подпружиненным наконечником (на фиг.4 не показан).
Изоляционные пластины 1 и 4, приведенные на фиг.1÷4, сделаны из листового стеклотекстолита толщиной 20 мм, а изоляционное покрытие 3 высоковольтного электрода 2 и изоляционные покрытия 14 (фиг.4) заземленных электродов 5, а также изоляционные покрытия 13 периферийных высоковольтных электродов 5 изготовлены из полиэтилена. Все электроды 2, 5 и 6 и подпружиненные наконечники 15 выполнены из нержавеющей стали. Диаметр электродов, приведенных на фиг.1÷3, равен 40 мм, а приведенных на фиг.4 - десять миллиметров. Высота высоковольтных электродов 5 (фиг.1 и фиг.3) составляет 500 мм. На фиг.4 электроды 5 и 6, т.е. все, кроме центрального высоковольтного 2, выступают под изоляционной пластиной 4 на 300 мм. Диаметр устройства, приведенного на фиг.1÷3, по осевым линиям составляет 600 мм, а диаметр устройства, представленного на фиг.4, равен 120 мм. Межэлектродный промежуток (в свету) между центральным высоковольтным электродом 2 (фиг.1÷3) и заземленными электродами 6 на забое скважины составляет 240 мм, а между каждым заземленным электродом 6 и соседним высоковольтным электродом 5 в среднем 260 мм, а соответствующие межэлектродные промежутки у устройства, приведенного на фиг.4, составляют 32 мм и 30 мм.
Работа электроимпульсного породоразрушающего устройств осуществляется следующим образом.
3
Пример 1. Устройство (фиг.1) устанавливают на забой скважины и скважину заливают электроизоляционной промывочной жидкостью, в качестве которой в лабораторных условиях применяют дизельное топливо или трансформаторное масло; на Степановском карьере г.Томска при бурении в окварцованном песчанике использовали дизельное топливо, а в условиях Крайнего Севера (г.Магадан) при бурении в мерзлых песчано-гравийных отложениях (при температуре окружающего воздуха -47÷-53°С) - арктическое дизельное топливо. Затем электроды 6 присоединяют к заземляемому контуру, а на центральный высоковольтный электрод 2 от источника импульсов высокого напряжения подают высоковольтные импульсы положительной полярности с частотой не более 2 имп./с. Между призабойными концами центрального высоковольтного электрода 2 и заземленных электродов 6, а также периферийных высоковольтных электродов 5 и соседних заземленных электродов 6 непосредственно в горной породе или бетоне развиваются высоковольтные электрические разряды, отрывающие куски горной породы от массива. Вес отдельных кусков превышает 2 кг. После углубления устройства на 0,4 м подачу на него высоковольтных импульсов прекращают, устройство из скважины поднимают на поверхность, а затем последовательно с помощью грейфера из скважины извлекают шлам, устройство снова устанавливают на забой скважины, и весь цикл многократно повторяют до проходки скважины на заданную глубину. Проверка работоспособности устройства продемонстрирована на фиг.3 при забурке в бетоне. Энергия в разряде составляет 7744 Дж, пробивное напряжение 291 кВ, время до электрического пробоя 0,5 мкс, полученная производительность 0,019 см/Дж. Справа внизу лежат куски бетона, оторванные от бетонного изделия первыми разрядами. При углубке скважины крупные куски измельчаются на более мелкие, что позволяет при значительной глубине скважины и доработке устройства предусмотреть вынос шлама на поверхность промывочной жидкостью, а это создает возможность повышения частоты подачи импульсов, что при эффективной промывке приводит к многократному увеличению скорости бурения. Глубина скважины в бетоне составляет 0,8 м, а наименьший диаметр - 660 мм.
-3
Пример 2. При проходке скважины большого диаметра (1-2 м) экономически целесообразно бурение вести с образованием керна, чтобы существенно уменьшить объем разрушенной породы. Во всех случаях разрушения горных пород и искусственных камней, т.е. не только бурения скважин, но и при снятии загрязненных поверхностей на атомных объектах, при ремонте аэродромов и т.п. целесообразно также использовать дешевую электропроводящую промывочную жидкость. Для демонстрации этого в емкость опускают блок горной породы, на него устанавливают устройство, приведенное на фиг.4, и емкость заливают водой выше верхних концов высоковольтных электродов 5. Заземленные электроды 6 электрически соединяют с заземляющим контуром и на центральный высоковольтный электрод 2 подают высоковольтные импульсы с частотой 1÷2 имп./с. Между соседними разнополярными подпружиненными наконечниками 15 в горной породе развиваются электрические разряды, разрушающие эту породу. Образующийся шлам периодически извлекают. На фиг.5 приведен блок микрокварцита, а на фиг.6 - блок гранита с забуренными с помощью устройства (фиг.4) скважинами. При удельном сопротивлении воды 3·10 Ом·см сопротивление устройства составляет 210 Ом;
3
3
длительность фронта импульса - 0,1 мкс; посадка напряжения по сравнению с использованием дизельного топлива не превышает 10%. При импульсном напряжении 225 кВ и емкости в разряде 0,125 мкФ эффективность разрушения составляет в микрокварците 0,44 см/имп. и в граните 0,53 см/имп., диаметр скважины - 130÷135 мм.
Сравнение предложенного электроимпульсного породоразрушающего устройства и прототипа показывают, что предложенное устройство в несколько раз дешевле и позволяет эффективно вести разрушение горных пород и искусственных блоков с использованием не только электроизоляционных промывочных жидкостей, но и воды.