Расширитель обратного хода для бурения восстающих скважин

Предлагаемая полезная модель относится к горной промышленности, а именно к расширителям обратного хода для бурения восстающих скважин большого диаметра путем разбуривания предварительно пройденной скважины прямого хода малого диаметра.
Известен расширитель обратного хода для бурения восстающих скважин (патент РФ №190758 на полезную модель, МПК Е21В 7/28, E21D 3/00, (2006.01) опубл. 11.07.2019, Бюл. №20), содержащий полый секционный буровой став с промежуточными опорными фонарями, шлицевую штангу-проставку с форсунками нижнего яруса орошения, многолучевой ступенчатый корпус с режущим породоразрушающим инструментом, крепежный винт в резьбовом гнезде шлицевой штанги-проставки с продольным глухим каналом, который соединен с радиальными отверстиями, к которым прикреплены форсунки верхнего яруса орошения над последней ступенью многолучевого корпуса с максимальным диаметром расширения восстающей скважины.
Недостатками этого устройства являются интенсивное радиальное биение расширителя обратного хода из-за консольного крепления его лучей и вероятность поломки штанги-проставки от знакопеременных изгибных деформаций, что вызвано отсутствием заднего опорного фонаря.
Наиболее близким по техническому решению к заявленной полезной модели является расширитель обратного хода для бурения восстающих скважин (патент РФ №199828 на полезную модель, МПК Е21В 7/28 (2006.01) опубл. 22.09.2020, Бюл. №27), содержащий штангу-проставку, выполненную с участками наружных охватываемых квадратных профилей, к которым жестко прикреплены конгруэнтные им внутренние охватывающие П-образные профили породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода, что составляет разъемные в радиальном направлении замковые соединения, при этом одна крепежная полуступица имеет две проушины с четырьмя соосными сквозными отверстиями, а противоположная крепежная полуступица имеет два шипа с двумя сквозными отверстиями, в которых размещаются с возможностью извлечения цилиндроконические пальцы, кроме этого к наружному охватываемому профилю корпуса-стакана, имеющего две лыски-канавки жестко прикреплены с конгруэнтными им охватывающие профили полуступиц полукорпусов-лучей опорно-направляющего фонаря, что составляет разъемные в радиальном направлении замковые соединения.
Недостатки этого устройства заключаются в следующем:
жесткое требование по соосности сквозных отверстий в замковом соединении, что увеличивает время на сборку, разборку породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода, а также повышает трудоемкость;
наличие малоустойчивой двухопорной системы разъемных полукорпусов-лучей с лыжами опорно-направляющего фонаря увеличивает радиальное биение расширителя обратного хода при бурении восстающих скважин;
не обеспечивается жесткое прижатие разъемных в радиальном направлении породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода к противоположным граням охватываемых ими профилей квадратной формы штанги-проставки.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в сокращении продолжительности, трудоемкости монтажно-демонтажных операций и повышения эксплуатационной скорости бурения восстающих скважин за счет:
исключения жесткого требования по соосности сквозных отверстий в собираемых и разбираемых в радиальном направлении замковых соединений;
повышения радиальной устойчивости опорно-направляющего фонаря с разъемными в радиальном направлении полукорпусами-лучами;
повышения усилия прижатия разъемных в радиальном направлении породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода к противоположным граням охватываемых ими профилей квадратной формы штанги-проставки.
Указанный технический результат достигается тем, что в расширителе обратного хода для бурения восстающих скважин, содержащем штангу-проставку, выполненную с участками наружных охватываемых квадратных профилей, к которым жестко прикреплены конгруэнтные им внутренние охватывающие П-образные профили породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода, что составляет разъемные в радиальном направлении замковые соединения, при этом одна крепежная полуступица имеет две проушины с четырьмя соосными сквозными отверстиями, а противоположная крепежная полуступица имеет два шипа с двумя сквозными отверстиями, в которых размещаются с возможностью извлечения цилиндроконические пальцы, кроме этого к наружному охватываемому профилю корпуса-стакана, имеющего две лыски-канавки жестко прикреплены с конгруэнтными им охватывающие профили полуступиц полукорпусов-лучей опорно-направляющего фонаря, что составляет разъемные в радиальном направлении замковые соединения, согласно полезной модели, сквозные отверстия в проушинах и шипах выполнены в виде профилей О-образной формы, которые в проушинах равны по размерам и соосно совмещены, симметрично и параллельно плоскости, проходящей через продольную ось штанги-проставки, а в шипах сквозные отверстия с профилями О-образной формы выполнены в виде клиновых каналов, одни полуцилиндрические рабочие поверхности которых расположены под углами заклинивания γ к продольным осям симметрии сквозных отверстий с профилем О-образной формы, при этом широкая часть клинового канала каждого шипа обращена в сторону верхней проушины, а его узкая часть обращена в сторону нижней проушины, в каждом из совмещенных таким образом клиновых каналов размещены конгруэнтные по профилю сквозных отверстий пластинчатые клинья с резьбовыми цилиндрическими хвостовиками с узкой стороны, выступающими за поверхность нижних проушин с гайками и контргайками силового замыкания клиновых замковых соединений, к тому же разъемный корпус с лучами опорно-направляющего фонаря выполнен из однолучевой части с одной наружной опорной лыжей и двухлучевой части с двумя наружными опорными лыжами, расположенными под углом 120° друг к другу с возможностью образования трехопорной конструкции, а двухлучевая часть выполнена с внутренними центрирующими поверхностями, образующими охватывающий профиль П-образной формы, сопряженный с тремя охватываемыми гранями лысок-канавок профиля квадратной формы на наружной поверхности корпуса-стакана, а сам охватывающий профиль П-образной формы выполнен в виде двух параллельных друг другу трапециевидных пазов типа «ласточкин хвост», которые перпендикулярны третьей грани и сопряженные между собой угловыми радиусами скругления, к ним сбоку со стороны торцевых поверхностей прикреплены четыре проушины, при этом сами пазы подвижно сопряжены с двумя внутренними охватываемыми трапециевидными ползунами типа «ласточкин хвост», основание которых содержит центральную грань с боковыми скруглениями с возможностью прижатия к четвертой грани лысок-канавок профиля квадратной формы на наружной поверхности корпуса-стакана и два шипа, выполненных в ребрах жесткости однолучевой части разъемного корпуса опорно-направляющего фонаря, а в частично совмещенных сквозных отверстиях с профилями О-образной формы проушин шипов, размещены пластинчатые клинья разъемных в радиальном направлении замковых соединений.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема разбуривания восстающей скважины расширителем обратного хода; на фиг. 2 - общий вид расширителя обратного хода для бурения восстающих скважин; на фиг. 3 - штанга-проставка; на фиг. 4 - вид А по стрелке на фиг. 2; на фиг. 5 - разрез по Б-Б на фиг. 2; на фиг. 6 - разрез по В-В на фиг. 3; на фиг. 7 - разрез по Г-Г на фиг. 3; на фиг. 8 - разрез по Д-Д на фиг. 4; на фиг. 9 - разрез по Е-Е на фиг. 4; на фиг. 10 - разрез по Ж-Ж на фиг. 9; на фиг. 11 - разрез по И-И на фиг. 10; на фиг. 12 - схема демонтажа съемных породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода; на фиг. 13 - схема демонтажа однолучевой и двухлучевой частей разъемного корпуса опорно-направляющего фонаря; на фиг. 14 - схема демонтажа штанги-проставки из патрона бурового станка.
1
2
3
4
При разбуривании скважины расширителем обратного хода в комплексе с буровым станком, штанга-проставка 1 и буровой став 2 вращаются со скоростью n и перемещаются в осевом направлении со скоростью подачи V (фиг. 1). Расширитель обратного хода для бурения восстающих скважин длиной  включает породоразрушающие полукорпуса-лучи первой 3 и 3', второй 4 и 4' и третьей 5 и 5' ступеней (фиг. 1, 2), которые расширяют пилот-скважину диаметром D, соответственно, до диаметров D, D, D, а опорно-направляющий фонарь 6 уменьшает колебания расширителя обратного хода в плоскости, перпендикулярной к оси скважины.
Разрушенная порода с уступов скважины 7 (фиг. 1) ссыпается самотеком через устье пионерной скважины 8 и направляется ограждением 9 бурового станка 10 на скребковый конвейер 11. Габаритные размеры  (фиг. 2) первой 3, второй 4 и третьей 5 породоразрушающих ступеней расширителя обратного хода, а также габаритный размер  его опорно-направляющего фонаря 6 меньше демонтажного пространства  (фиг. 1) между устьем пионерной скважины 8 и подхватом 12 бурового станка 10. Перед разбуриванием скважины обратным ходом предварительно выполняются подготовительные операции, включающие закрепление рамы станка винтовыми стойками 13, а также крепление устья скважины сталеполимерной анкерной крепью 14 (фиг. 1) и металлическими планками 15 «штрипс» W-образного профиля с решетчатой затяжкой. Эти мероприятия обеспечивают безопасность при выполнении операций по разбуриванию скважины и демонтажу расширителя обратного хода.
Расширитель обратного хода для бурения восстающих скважин (фиг. 2) выполнен многоступенчатым, например, трехступенчатым, и состоит из полой штанги-проставки 1, породоразрушающих полукорпусов-лучей первой 3 и 3', второй 4 и 4' и третьей 5 и 5' ступеней, оснащенные режущим инструментом 16, фиксаторами 17 и форсункой 18. На штанге-проставке 1 (фиг. 2), также устанавливается корпус-стакан 19, обеспечивающий, с помощью подшипникового узла, возможность свободного вращения штанги-проставки 1 относительно оси опорно-направляющего фонаря. На корпусе-стакане 19 (фиг. 2) с помощью клиновых замковых разъемных в радиальном направлении соединений 20 жестко крепятся однолучевая часть 21 и двухлучевая часть 22 опорно-направляющего фонаря. На штанге-проставке 1 длиной  с помощью винта 23 (фиг. 2) и клиновых замковых разъемных в радиальном направлении соединений 24 на участках 25, 26, 27 (фиг. 3, 6) с наружными охватываемыми квадратными профилями, разделенными цилиндрическими буртиками 28, 29, 30, 31, жестко закрепляются породоразрушающие полукорпуса-лучи 3 и 3', 4 и 4', 5 и 5' ступеней расширителя обратного хода. Породоразрушающие полукорпуса-лучи 3 и 3', 4 и 4', 5 и 5' ступеней закреплены с возможностями прижатия к одному из двух разделительных цилиндрических буртиков 28, 29, 30, 31 (фиг. 3) и взаимного разворота относительно друг друга соседних породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода на установочно-ориентирующий угол α (фиг. 5). Корпус-стакан 19 фиксируется от осевого смещения относительно штанги-проставки 1 с помощью винта 23, втулок 32 и 33 (фиг. 3). Винт 23 закрепляется в резьбовом гнезде 34, которое находится внутри ступенчатого участка штанги-проставки 1 выше буртика 31. Корпус-стакан 19, выполненный с наружным охватываемым профилем квадратной формы с четырьмя лысками-канавками 35 и 36, 35' и 36' (фиг. 3, 7) одинаковой конструкции, расположенными параллельно и противоположно друг другу, установлен на двух подшипниках 37 и 38, защищенных от попадания штыба, утечек смазки крышками 39 и 40 с уплотнительными манжетами.
1
2
1
3
4
5
Разъемный корпус с лучами опорно-направляющего фонаря (фиг. 4, 8, 9) выполнен из однолучевой части 21 с одной наружной опорной лыжей 41 и двухлучевой части 22, 22' с двумя наружными опорными лыжами 42, 42', расположенными под углом 120° (фиг. 4) друг к другу с возможностью образования трехопорной конструкции. К опорной лыже 41 жестко крепятся два шипа пластинчатого профиля 43, 43' со сквозными отверстиями, выполненными в виде профилей О-образной формы клиновых, замковых, разъемных соединений. При этом в шипах сквозные отверстия с профилями О-образной формы выполнены в виде клиновых каналов, одни полуцилиндрические рабочие поверхности которых расположены под углами заклинивания γ (фиг. 10) к продольным осям симметрии сквозных отверстий с профилями О-образной формы, при этом широкая часть клинового канала каждого шипа обращена в сторону верхней проушины, а его узкая часть обращена в сторону нижней проушины. Кроме того, сквозные отверстия в проушинах выполнены в виде профилей О-образной формы, которые равны по размерам и соосно совмещены, симметрично и параллельно плоскости, проходящей через продольную ось штанги-проставки 1. Двухлучевая часть 22, 22' выполнена с внутренними центрирующими поверхностями, образующими охватывающий профиль П-образной формы, сопряженный с тремя охватываемыми гранями лысок-канавок 36, 36' и 35' (фиг. 7) профиля квадратной формы на наружной поверхности корпуса-стакана 19. Лучи 42, 42' (фиг. 4) охватывающего профиля П-образной формы выполнены в виде двух параллельных друг другу трапециевидных пазов 44, 44' (фиг. 4, 8, 9) типа «ласточкин хвост», которые перпендикулярны третьей грани и сопряженные между собой угловыми радиусами скругления, к ним сбоку со стороны торцевых поверхностей прикреплены четыре проушины, при этом сами пазы подвижно сопряжены с двумя внутренними охватываемыми трапециевидными ползунами 45, 45' типа «ласточкин хвост», основание 46 которых содержит центральную грань с боковыми скруглениями с возможностью прижатия к четвертой грани лысок-канавок профиля квадратной формы (фиг. 7) на наружной поверхности корпуса-стакана 19 и два шипа, выполненных в ребрах жесткости однолучевой части 21 разъемного корпуса опорно-направляющего фонаря, а в частично совмещенных сквозных отверстиях с профилями О-образной формы проушин шипов, размещены пластинчатые клинья разъемных в радиальном направлении замковых соединений. Внутренние заплечики 47, 47' пазов 44, 44' (фиг. 8) имеют зазоры Δ относительно поверхности однолучевой части 21 разъемного корпуса, а между контактными поверхностями 48, 49 и 48', 49' пазов 44, 44' и ползунов 45, 45' трапециевидного профиля имеются зазоры Δ=Δ. Силовое замыкание всех одинаковых по конструкции клиновых соединений расширителя обратного хода, например, опорно-направляющего фонаря обеспечено тем, что пластинчатые клинья 50 и 50' (фиг. 9, 10), имеющие одинаковые геометрические параметры, выполнены в виде пластин с двумя параллельными плоскими гранями 51, 52 и 51', 52' (фиг. 9), симметрично удаленных от оси штанги-проставки 1. Расстояние b между двумя параллельными плоскими гранями 51, 52 и 51', 52' не превышает ширину отверстий с профилями О-образной формы, обеспечивая в собранном состоянии вылет  резьбовых цилиндрических хвостовиков 53, 53' пластинчатых клиньев (фиг. 9, 10) над наружной поверхностью проушин 20, 20', необходимый для фиксированного размещения гаек 54, 54' и контргаек 55, 55'. Параллельные плоские грани 51, 52 и 51', 52' пластинчатых клиньев попарно сопряжены с одной стороны с полуцилиндрической поверхностью 56 (фиг. 10, 11) с продольной осью, пересекающей ось штанги-проставки под углом заклинивания γ и ограниченной узкой стороной пластинчатого клина 57 (фиг. 10) с резьбовым цилиндрическим хвостовиком 53. Каждый пластинчатый клин 50 или 50' (фиг. 9, 10) клиновых замковых разъемных соединений, например, опорно-направляющего фонаря, размещен одновременно в трех отверстиях с профилями О-образной формы 58, 59, 60 (фиг. 10), два из которых 58 и 59, содержащие параллельные грани 61, 62 (фиг. 11), сопряженные между собой полуцилиндрическими поверхностями 63, 63', выполнены в проушине 20 (фиг. 10), по посадке в ней пластинчатого клина с зазорами Δ и Δ, а третье отверстие 60, содержащее также параллельные грани 61, 62, выполнено в шипе 43 пластинчатого профиля с одной стороны по посадке в нем пластинчатого клина 50 с натягом при силовом контакте полуцилиндрической поверхности 56 пластинчатого клина с полуцилиндрической поверхностью 64 отверстия 60 с профилями О-образной формы шипа 43 пластинчатого профиля с продольной осью, пересекающей ось штанги-проставки под углом заклинивания γ, а с другой стороны по посадке пластинчатого клина 50 в шипе 43 пластинчатого профиля с зазором Δ между полуцилиндрической поверхностью 65 пластинчатого клина 50 и полуцилиндрической поверхностью 66 отверстия 60 с профилями О-образной формы в шипе 43 пластинчатого профиля. Пластинчатые клинья 50 (фиг. 9, 10) с резьбовыми цилиндрическими хвостовиками 53, 53' с узкой стороны выступающими за поверхность нижних проушин с гайками 54, 54' и контргайками 55, 55' силового замыкания клиновых замковых соединениях породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода и корпусе с лучами опорно-направляющего фонаря выполнены одинаковой конструкции.
Демонтаж расширителя обратного хода производится на сопряжении скважины и нижнего штрека в два этапа: подготовительный и основной. Подготовительные операции включают крепление устья скважины анкерной крепью (фиг. 1): бурение шпуров под анкерную крепь, установку сталеполимерных анкеров 14, а также металлических планок 15 «штрипс» W-образного профиля с решетчатой затяжкой. Эти мероприятия обеспечивают безопасность при выполнении операций по демонтажу расширителя обратного хода.
На втором основном этапе поочередно демонтируются разъемные многолучевые породоразрушающие полукорпуса-лучи первой 3 и 3', второй 4 и 4' и третьей 5 и 5' ступеней и разъемный корпус с лучами опорно-направляющего фонаря, состоящий из однолучевой 21 и двухлучевой 22 частей (фиг. 2). Количество циклов демонтажных операций породоразрушающих полукорпусов-лучей определяется количеством ступеней расширителя обратного хода.
В частности, последовательность операций демонтажа первой породоразрушающей ступени 3 и 3' меньшего диаметра (фиг. 12) расширителя обратного хода проводится следующим образом. При вращении со скоростью n и осевой подачей со скоростью V штанги-проставки 1 с буровым ставом 2 бурового станка 10 (фиг. 1), скважина разбуривается до момента выхода первой породоразрушающей ступени 3 и 3' меньшего диаметра с габаритным размером  (фиг. 2) из устья пионерной скважины 8 на нижний штрек в демонтажное пространство  между устьем пионерной скважины 8 (фиг. 1) и подхватом 12 бурового станка 10, превышающее габаритный размер  первой породоразрушающей ступени 3 и 3' меньшего диаметра. Далее буровой станок 10 выключается и производится демонтаж клиновых замковых разъемных в радиальном направлении породоразрушающих полукорпусов-лучей первой 3 и 3' ступени расширителя обратного хода (фиг. 1). При этом гайки и контргайки поочередно свинчиваются с резьбовых цилиндрических хвостовиков пластинчатых клиньев 50, они вынимаются из отверстий с профилями О-образной формы и фиксируются на цепочках 67 и 67' (фиг. 12). Далее проушина 68 со сквозными соосными отверстиями 69, 70 и 69', 70' с профилями О-образной формы в крепежной полуступице 71, выполненной в виде внутреннего охватывающего профиля П-образный формы 72, конгруэнтного наружному охватываемому квадратному профилю 25 штанги-проставки 1 (фиг. 3, 12) и внутренние шипы 73 с отверстиями 74 и 74' с профилями О-образной формы в крепежной полуступице 75, выполненной в виде внутреннего охватывающего профиля П-образный формы 76, конгруэнтного охватываемому квадратному профилю 25 штанги-проставки 1, разъединяются по направлению К (фиг. 12) и поочередно демонтируются со штанги-проставки 1. Аналогичным образом демонтируются в демонтажном пространстве  вторая 4 и 4' и третья 5 и 5' породоразрушающие ступени расширителя обратного хода с габаритными размерами, соответственно,
Последовательность операций демонтажа опорно-направляющего фонаря расширителя обратного хода (фиг. 13) выглядит следующим образом.
Приводом подачи бурового станка 10 (фиг. 1, 2) опорно-направляющий фонарь с габаритным размером  опускается со скоростью осевой подачи V до момента его выхода из устья пионерной скважины 8 на нижний штрек в демонтажное пространство  между устьем пионерной скважины 8 и подхватом 12 бурового станка 10, превышающее габаритный размер  опорно-направляющего фонаря и станок выключается. Вначале производится демонтаж однолучевой части 21 с лыжей 41 разъемного корпуса с лучами опорно-направляющего фонаря (фиг. 4, 13). При этом контргайки 55 и гайки 54 (фиг. 9, 10) поочередно свинчиваются с односторонних резьбовых цилиндрических хвостовиков 53 пластинчатых клиньев 50, 50', которые вынимаются из отверстий 58, 58', 59, 59' (фиг. 13) с профилями О-образной формы проушин 20, 20' пазов 44, 44', а также из отверстий 60, 60' с профилями О-образной формы шипов с пластинчатым профилем 43, 43' и фиксируются на цепочках 77, 77' (фиг. 13). Далее внутренние охватываемые ползуны 45, 45' с трапециевидным профилем контактных поверхностей выдвигаются по направлению Л из внутренних охватывающих пазов 44, 44', имеющих внутренние центрирующие поверхности с тремя гранями 78, 79, 80 (фиг. 13) разъемного замкового соединения типа «ласточкин хвост».
Во вторую очередь демонтируется двухлучевая часть 22, 22' с двумя наружными опорными лыжами 42, 42', расположенными под углом 120° друг к другу. Внутренние центрирующие поверхности внутренних охватывающих пазов 44, 44' с тремя гранями 78, 79, 80 (фиг. 13) выдвигаются из лысок-канавок 35' и 36' (фиг. 7) наружного охватываемого профиля квадратной формы корпуса-стакана 19 по направлению Л.
После демонтажа породоразрушающих полукорпусов-лучей первой 3 и 3', второй 4 и 4', третьей 5 и 5' ступеней и опорно-направляющего фонаря расширителя обратного хода (фиг. 1, 2, 12, 13), штанга-проставка 1 с корпусом-стаканом 19 (фиг. 14) длиной  опускается в крайнее нижнее положение по направлению М вместе с буровым патроном 81, траверсой 82 и шпинделем 83 по направляющим параллелям 84 и 84', которые жестко связаны друг с другом подхватом 12. Далее штанга-проставка 1 с корпусом-стаканом 19 вынимается из бурового патрона 81 по направлению Н (фиг. 14), поворачивается в зону свободного пространства и вынимается из направляющих параллелей 84 и 84'. На этом процесс демонтажа расширителя обратного хода завершается.
Таким образом, конструктивное исполнение полезной модели позволяет повысить устойчивость опорно-направляющего фонаря путем увеличения количества опорных лыж с двух до трех в контакте со стенками скважины и уменьшить радиальное биение расширителя обратного хода при бурении восстающих скважин, за счет жесткого прижатия разъемных в радиальном направлении породоразрушающих полукорпусов-лучей ступеней расширителя обратного хода к противоположным охватываемым профилям квадратной формы штанги-проставки и корпусов-лучей опорно-направляющего фонаря к наружному охватываемому профилю квадратной формы корпуса-стакана с подшипниковым узлом.
Это позволяет сократить продолжительность, трудоемкость монтажно-демонтажных операций и повысить эксплуатационную скорость бурения восстающих скважин.