ПЕРФОРАТОР И СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
PERFORATOR AND METHOD OF DESTROYING ROCK

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к разрушению горной породы. Более точно, изобретение относится к системе разрушения горной породы, которая может эксплуатироваться по существу непрерывно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение создает способ разрушения породы, который включает в себя этапы бурения скважины в породе, направления топливного заряда в скважину, ввода забоечной среды в скважину и подрыва заряда топлива.
Топливный заряд может быть направлен в скважину через трубу. Предпочтительно, скважина выбуривается при помощи бурильной штанги и заряд топлива направляется в скважину через проход в бурильной штанге.
Способ может включать в себя этап накачивания воды в скважину для создания, таким образом, забоечной среды. Вода может быть введена в скважину до или после топливного заряда или по существу вместе с топливным зарядом. Однако, дополнительно, труба и бурильная штанга, если они используются, также способствуют забоечному действию.
Топливный заряд может быть направлен в скважину при помощи любой подходящей среды, но предпочтительно направляется в скважину при помощи воды под давлением.
Топливный заряд может быть взорван путем его ускорения в скважине при помощи любого подходящего механизма. Однако предпочтительно топливный заряд ускоряется в скважине при помощи воды под давлением.
Топливный заряд может быть взорван при помощи подрывающих средств внутри скважины или бурильной штанги. Предпочтительно, подрывающие средства расположены в бурильной штанге или на буровом долоте, присоединенном к бурильной штанге.
Топливный заряд может быть взорван (зажжен) при его расположении внутри бурильной штанги, на ее переднем конце, или может быть взорван при его расположении снаружи бурильной штанги, например, в месте между противоположными поверхностями глухого конца выбуренной скважины и противоположной передней поверхностью бурового долота. Подрыв в последнем варианте может достигаться путем активации детонатора, чувствительного к давлению.
Топливный заряд можно также подорвать путем выпуска его из бурильной штанги с достаточно высокой скоростью, так что ведущий конец патрона, на котором оборудован детонатор, и, выборочно, небольшой элемент передачи удара, контактирующий с детонатором, ударяется о поверхность горной породы, противоположную выходному концу бурильной штанги, т.е. о глухой конец скважины. Такая конструкция позволяет подорвать патрон снаружи бурильной штанги.
Однако предпочтительно подрывать топливный заряд по существу в месте соединения между бурильной штангой и буровым долотом.
Настоящее изобретение дополнительно создает способ разрушения горной породы, включающий в себя следующие этапы: бурение скважины в горной породе при помощи бурильной штанги, оставление бурильной штанги в скважине, применение потока воды для направления топливного заряда в скважину через проход в бурильной штанге и подрыв топливного заряда на переднем конце бурильной штанги, при этом, по меньшей мере, бурильная штанга, и вода в скважине, и проход обеспечивают забоечное действие.
Настоящее изобретение дополнительно относится к перфоратору, содержащему бурильную штангу, буровое долото, присоединенное к бурильной штанге, линию подачи патрона, соединенную с проходом, проходящим через бурильную штангу к буровому долоту, приемник патрона для загрузки патрона с топливом в линию подачи и источник воды под давлением для направления патрона вдоль прохода.
Перфоратор может включать в себя пусковое устройство для подрыва топлива в буровом долоте или около него.
Патрон может включать в себя колпачок детонатора, который контактирует с пусковым устройством для подрыва топлива.
Буровое долото может включать в себя по меньшей мере один канал, проходящий от прохода по направлению к боковой стороне бурового долота. Это направляет волну давления, создаваемую подрывом топлива, к глухому концу скважины, выбуренной буровым долотом, для начала разрушения породы.
Вода под давлением может толкать вперед патрон из прохода со скоростью, достаточно высокой для ударения патрона о стенку скважины и его последующего взрыва.
Настоящее изобретение также относится к патрону для разрушения горной породы, включающему в себя оболочку, выполненную из хрупкого материала и предназначенную для размещения топливного заряда, колпачок детонатора, расположенный на переднем конце оболочки, и уплотнение, расположенное на заднем конце оболочки.
Уплотнение может быть образовано уплотнительным элементом, изготовленным из подходящего гибкого материала, такого как полиэстер, пенорезина и тому подобное, или гибкой расширенной юбкой или фланцем, расположенными на заднем конце оболочки, или любым другим подходящим образом.
Оболочка изготовлена из хрупкого материала. Этот материал должен быть достаточно ломким и разламываться на большое число мелких частей после взрыва топлива. Данная особенность позволяет вымывать фрагменты, если таковые остаются после взрыва топлива, через проход в бурильной штанге или буровом долоте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описано ниже в виде варианта его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает буровую машину при разработке грунта, в которой применен способ согласно настоящему изобретению;
фиг.2 изображает один из возможных вариантов конструкции патрона для использования в способе согласно изобретению;
фиг.3 изображает увеличенный вид в поперечном сечении, показывающий конструкцию затвора хвостовика и приемника патрона, используемых в способе согласно изобретению;
фиг.4 изображает поперечное сечение конструкции линии подачи патрона;
фиг.5 и 6 изображают различные конструкции буровых долот для использования в настоящем изобретении.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана буровая машина 10, используемая для разработки грунта 12. Перфоратор 14 на подходящем монтажном узле 16 закреплен в машине 10. Компоненты 10, 14, 16 являются по существу традиционными и поэтому не будут описаны ниже подробно.
Бурильная штанга 18 прикреплена к перфоратору и поддерживает буровое долото 20 на своем переднем конце.
Данная конструкция используется для бурения скважин в поверхности 22 горной породы. На фиг.1 изображен один ствол 24 скважины.
Буровая машина имеет кабину или платформу 28 оператора. Линия 30 подачи патрона проходит от подходящего места на платформе для приемника 32 для патрона, прикрепленного к перфоратору 14.
На фиг.2 в поперечном сечении изображен один вариант конструкции патрона 36 для использования в способе разрушения горной породы в соответствии с изобретением. Патрон включает в себя оболочку 38, изготовленную из ломкого хрупкого материала, например из твердого пластикового материала, и топливный заряд 40, размещенный в оболочке 38. Заряд представляет собой энергетическую субстанцию вида, известного в данной области техники, которая при активации производит газ высокой энергии и пар без взрывного эффекта.
Оболочка 38 имеет передний конец 42, и колпачок 44 детонатора расположен в центральном положении на этом конце. На заднем конце 46 крышка 48 присоединена к оболочке, таким образом удерживая топливо внутри оболочки водонепроницаемым образом. В данном варианте изобретения задний конец 46 расширен радиально наружу для обеспечения уплотнения 50, выполненного за одно целое с оболочкой 38 и воздействующего на окружающую поверхность, как описано ниже. В качестве альтернативы уплотнению 50 или помимо него круглый диск 52, изготовленный из подходящего упругого материала, такого как пенорезина или полистирол и тому подобное, может быть соединен с крышкой 48 на заднем конце для формирования уплотнения для патрона по мере его прохождения по линии подачи, как описано здесь ниже.
Фиг.3 изображает приемник 32 в поперечном сечении. Приемник 32 включает в себя корпус 60, сквозь который проходит ствол 62 скважины, в котором расположен хвостовик 64 бура, оборудованный традиционной шпоночной конструкцией 66, способной зацепляться с перфоратором 14 известным образом. Хвостовик 64 бура поддерживается на опорах 68 и защищен при помощи уплотнений 70.
Хвостовик 64, с одной стороны, имеет отверстие 72, выходящее в проход 74, расположенный по центру, и с внешней стороны, противоположной отверстию 72, пологий паз или плоское образование 76.
Линия 30 подачи, присоединенная к корпусу 60, находится в соединении с большим проходом 78 и ответвляющимися проходами 80 и 82, соответственно. Поршень 84 установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в стволе 86 скважины. Пружина 88 действует между корпусом и поршнем. На поршень опираются два подпружиненных невозвратных клапана 90 и 92, соответственно.
Вспомогательная линия 94 подачи воды присоединена к корпусу 60 для регулирования работы поршня 96 в стволе 98 скважины, которая по существу противоположна стволу 86 скважины. Пружина 100 действует между поршнем 96 и корпусом.
На платформе 28 в буровой машине 10 подающая линия 30 оканчивается в подающем ящике, показанном на фиг.4, который соединен с линией 104 подачи воды под высоким давлением, ограниченным давлением и линией 106 ограниченного давления, и блокирующим устройством 108.
Клапаны 110 и 112 управления расположены в линиях 104 и 106, соответственно, для регулирования потока воды через линии в центральный створ 114 скважины в подающем ящике. Клапаны 110 и 112 расположены в таком месте в кабине буровой машины, к которому обеспечен легкий доступ оператора.
На фиг.5 изображено в увеличенном масштабе буровое долото 20, присоединенное к переднему концу бурильной штанги 18. Проход 116 проходит по центру через бурильную штангу и сообщается с проходом 118 в буровом долоте. Проход бурового долота расходится на два или три наклонных протока 120, радиально отходящих от прохода 118 к краям 122 бурового долота по существу в месте соединения переднего конца 124 бурильной штанги и его боковой стенки 126.
При осуществлении способа согласно изобретению оператор, управляя бурильной машиной, пробуривает ствол 24 скважины в поверхности горной породы. Ствол скважины может быть пробурен до подходящей глубины, например от 1200 мм до 1500 мм, и может иметь подходящий диаметр, например около 100 мм. Бурильная штанга 8 оставляется в скважине и буровое долото 20 располагается рядом с глухим концом 130 скважины, как показано на фиг.5.
Затем оператор загружает патрон 36 с топливом, показанным на фиг.2, в линию подачи 30. Это осуществляется путем удаления блокировочного устройства 108 из подающего ящика и помещения патрона в центральный ствол 114 скважины. Патрон подается через приемник для патрона вдоль линии 30 подачи при помощи гибкой штанги толкателя или просто путем закрытия блокировочного устройства и подачи ограниченного потока воды при низком давлении через линию 106, что регулируется клапаном 112. Этот процесс может быть автоматизирован.
Хвостовик 64 бура, изображенный на фиг.3, вращается медленно для приведения паза 76 в выровненное положение с поршнем 96. В этой точке вода вводится в ствол 98 скважины через трубу 94, и поршень 96 перемещается в зацепление с пазом 76 на хвостовике бура. Пружина 100 используется для проталкивания поршня обратно после прекращения воздействия давления воды.
Патрон 36 перемещается под действием давления воды от выпускного конца линии 30 подачи через проход 78 в ствол 86 скважины. Патрон сперва блокирует или сильно сдерживает поток воды из прохода 78 в скважину. Однако проходы 80 и 82 открыты и небольшое количество воды протекает через них. Пружина 88 изначально поддерживает поршень 84 в положении, изображенном на фиг.3.
Затем оператор увеличивает поток воды. Проход 82 является малым и способен пропускать лишь сдержанный поток воды. Однако давление воды применяется через ответвляющийся проход 80 к верхнему концу поршня 84, который затем перемещается в ствол 86 скважины по направлению к хвостовику 64 бура, и патрон перемещается при помощи поршня по направлению к отверстию 72.
Как только поршень проходит через выпускной конец прохода 78, основной поток воды увеличивается. Два подпружиненных невозвратных клапана 90 и 92 позволяют воде протекать в хвостовик бура и патрон, который теперь находится в проходе 74, и затем проталкивается вдоль бурильной штанги 18.
Невозвратные клапана 90 и 92 предотвращают поток воды в обратном направлении. Пружина 86 проталкивает поршень обратно после детонации патрона и после отключения потока воды (как описано ниже).
Расход воды через бурильную штангу 18 является довольно большим, и патрон с топливом ускоряется вдоль прохода 116 до скорости по меньшей мере 3 м/с. Как показано на фиг.5, патрон 36 в конечном счете достигает точки в буровом долоте 20, которая образована пусковым или подрывающим устройством или образованием 134. Когда патрон достигает образования 134, колпачок 44 детонатора, расположенный на переднем конце 42 патрона, приводится в жесткий контакт с образованием. Образование 134 может быть сформировано соединением протоков 120.
Когда детонатор ударяет по бойку взрывателя, топливо 40 внутри оболочки 38 воспламеняется. Вода внутри прохода 116 и между противоположными поверхностями бурильной штанги и стволом 24 скважины обеспечивает патрону хороший забой.
Высокое давление воды, необходимое для ускорения патрона вниз по проходу, обеспечивается любым подходящим образом, но, предпочтительно, получается от аккумулятора. В зависимости от размера аккумулятора, давление за патроном с топливом может быть в диапазоне около 10 мПа. При детонации давление всего лишь за 10 мс достигает 400 мПа. Действительно, порция воды с большой скоростью проходит через проход 116 в бурильной штанге. Эта вода не может останавливаться и протекать в обратном направлении, поскольку давление достигает наивысшего пика детонации. Внезапный, очень большой импульс давления от детонирующего патрона, который направлен в воду, воздействует во всех направлениях. Большой импульс давления распространяется через буровое долото к передней части бурового долота, вокруг бурового долота и вдоль внешней поверхности бурильной штанги. Детонация патрона вызывает обратный удар, а также силу отдачи. Напряжение удара зависит от скорости сгорания горючего порошка, в то время как сила отдачи зависит от количества горючего порошка в патроне, а также от качества горной породы.
На фиг.6 изображен немного отличный вариант выполнения изобретения. Буровое долото 20А имеет проход 118А, проходящий через буровое долото к его переднему концу 124А. Патрон 36, ускоряемый через проход 116, таким образом, может покидать буровое долото и входить в объем 136 между передним концом 124А и глухим концом 130 скважины. Патрон 36 может быть воспламенен, например, при помощи большого импульса давления воды для производства материала, обладающего большой энергией, который разрушает горную породу. Вода в стволе 24 скважины и вокруг и внутри бурильной штанги, как и раньше, обеспечивает эффективный забой, что помогает оптимизировать воздействия взорванного топлива.
Масса бурового долота, бурильной штанги, хвостовика бура, перфоратора, устройства для подачи бура и конструкции стрелы манипулятора амортизируют силу отдачи.
Как правило, перфоратор, подходящий для использования в таком типе применения, имеет гидравлический привод. В нем используется возвратно-поступательный поршень для удара по буровой стали в ходе бурения. Линии гидравлической жидкости на буре соединены с аккумуляторами, заряженными азотом, для сглаживания пиков давления, вызванных возвратно-поступательным действием. Ударное действие регулируется клапанным приспособлением на перфораторе.
Поршень и аккумуляторы могут быть использованы в качестве дополнительного амортизатора для силы отдачи. Клапан управления может поддерживаться открытым так, что давление в линиях гидравлической жидкости будет проталкивать поршень к хвостовику бура. Сила отдачи будет, таким образом, вынуждать поршень перемещаться в обратном направлении, и гидравлическая жидкость из надпоршневого пространства будет перетекать в линии гидравлической жидкости и аккумуляторы.
Патрон 36 с топливом должен предпочтительно быть стандартного размера, но может быть загружен разными количествами топлива в соответствии с требованиями. Например, 100 г топлива будет достаточно для очень больших взрывов, и меньшие количества, например от 50 до 75 г, подходят для небольших взрывов.
Как отмечено, материал для оболочки патрона должен быть ломким так, чтобы материал при детонации разламывался на мелкие фрагменты. После детонации, при бурении второго ствола, вода вымывает обломки из скважины.
Можно подорвать колпачок детонатора описанным образом, т.е. при помощи механического воздействия, когда патрон достигает бурового долота. Альтернативно, колпачок детонатора может представлять собой устройство, чувствительное к давлению, которое может быть приведено в действие при помощи большого импульса давления, созданного в подаваемой воде. Однако этот подход менее предпочтительный.
Патрон может автоматически выпускаться напрямую из прямого прохода 116 так, что передний конец патрона, который поддерживает детонатор, будет ударяться о стенку ствола 24 скважины. Такая сила достаточно велика для активации детонатора и для подрыва патрона таким образом.
В таком варианте изобретения небольшое устройство для передачи удара может быть по требованию присоединено к переднему концу патрона. Данное устройство ударяется о стенку скважины и передает силу удара детонатору, который, таким образом, приводится в действие для подрыва активного вещества в патроне.
Другая возможность установки детонатора на патрон, например, сбоку или позади корпуса патрона выполняется так, что патрон выступает из бурового долота, когда детонатор приводится в контакт с участком бурового долота, который приводит в действие детонатор.
Ясно, что патрон может быть подорван, когда он полностью находится внутри бурильной штанги/бурового долота, либо когда он полностью находится снаружи бурильной штанги/бурового долота, или когда он находится частично внутри, или частично снаружи бурильной штанги/бурового долота.
В способе согласно изобретению вода используется для подачи патрона с топливом в скважину и для обеспечения высокоэффективного забойного действия. При помощи воды под давлением и быстрого осуществления процесса разрушения породы трещины в горной породе заполняются до детонации. Следовательно, газы высокого давления, высвобождающиеся в ходе детонации, не будут выходить, напротив, пиковое давление детонации передается в трещины для улучшения разрушения горной породы.
Очевидно, что сила разрушения породы патрона очень эффективно используется, так как детонация осуществляется при помощи воды и при помощи бурильной штанги, которая опирается на перфоратор, в скважине. Предпочтительно использовать бурильную штангу описанным образом, но эффекта, по существу подобного описанному, можно добиться путем удаления бурильной штанги 18 и затем загрузки патрона в скважину при помощи трубы, выполненной на заказ (не показано). Однако такой подход более трудоемкий и отнимает много времени.
Разрушение породы осуществляется сразу после выбуривания ствола 24 скважины. Таким образом, бурение и разрушение во всех практических целях являются однородным процессом.
Настоящая система разрушения горной породы является безопасной и не угрожает окружающей среде, поскольку взрыв топлива не создает токсичных газов и не требует специальных вентиляционных приспособлений. Вода, используемая в процессе, после взрыва превращается в пар и помогает предотвратить появление пыли.