БУРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОДКИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ И СПОСОБ ПРОХОДКИ ШАХТНОГО СТВОЛА
DRILLING FACILITY FOR SHAFT DEEPENING AND METHOD OF SHAFT DEEPENING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам бурения.
Уровень техники
Системы бурения используются для проходки шахтных стволов, и обычно в таких системах используются большие единые ступени, подвешенные на тросах и перемещаемые с помощью одной или нескольких лебедок. Ступень обычно представляет собой устройство с несколькими площадками для размещения оборудования, запасов материалов или рабочих.
Процесс проходки шахтных стволов включает этапы бурения шпура, выполняемого со ступени, закладку взрывчатого заряда в шпур и затем детонацию заряда. Полученную при этом разрушенную породу удаляют с помощью системы ковшей и затем процесс повторяют. Стенку ствола часто обкладывают для укрепления, чтобы свести к минимуму риск обрушения ствола, причем этот этап также выполняется со ступени.
Ступень перемещают в различные положения вдоль ствола посредством лебедки и тросов. Этот процесс трудоемок и опасен, поэтому лебедка, блоки и тросы требуют тщательного и непрерывного наблюдения и технического обслуживания.
Другие недостатки заключаются в том, что ступень подвержена колебаниям вследствие растяжения троса, что приводит к дорогостоящему и занимающему много времени дублированию процедуры опускания на тросе. Кроме того, трудности и затраты связаны с необходимостью периодического наблюдения за состоянием тросовых систем и с ограничением по глубине для тросов по соображениям безопасности.
Раскрытие изобретения
В одном из аспектов изобретение предлагает буровое устройство, содержащее по меньшей мере две площадки, выдвижные приводные органы для обеспечения перемещения одной из площадок относительно другой, освобождаемые анкеры, связанные с соответствующими площадками и взаимодействующие со стенками шахтного ствола для фиксации устройства в неподвижном положении, при этом в процессе взаимодействия со стенкой анкеров одной из площадок анкеры другой площадки освобождены от стенки для обеспечения возможности перемещения указанной другой площадки вдоль шахтного ствола под управлением приводных органов.
В другом аспекте изобретение предлагает ступень, имеющую проемы и направляющие для ковша, используемого для подъема разработанного материала шахтного ствола, при этом ковш соединен с траверсой, снабженной постоянными направляющими средствами, которые принудительно перемещают ковш по заданному пути через площадки. Траверса ковша снабжена также временными направляющими средствами на раме, расположенными перпендикулярно основным постоянным направляющим средствам, так что траверса может перемещаться вниз через ступень с повышенными скоростями, порядка 360 фут/мин (порядка 110 м/мин), по сравнению с ползучей скоростью 120 фут/мин (порядка 37 м/мин) до тех пор, пока она не будет посажена с опорой на нижней площадке.
Преимущество решения состоит в том, что после ввода ступени в шахтный ствол, как правило, с помощью тросов и лебедок ее последующие перемещения вверх и вниз по стволу обеспечиваются гидравлическими средствами и анкерными средствами, так что ступень становится самоходной.
Краткое описание чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будет подробно описан пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений. На чертежах:
фиг.1 изображает буровое устройство в процессе работы внутри шахтного
ствола,
фиг.2 изображает буровое устройство на виде сбоку,
фиг.3 изображает буровое устройство на виде спереди,
фиг.4а изображает компоненты площадки для оборудования,
фиг.4b изображает в перспективе компоненты площадки для оборудования,
фиг.4с изображает площадку для оборудования на виде сверху,
фиг.4d изображает верхнюю площадку на виде сверху,
фиг.4е изображает площадку ступени на виде сверху,
фиг.5 изображает компоненты ступени в шахтном стволе,
фиг.6 изображает нижнюю площадку,
фиг.7 изображает траверсу в опорном положении,
фиг.8 изображает нижнюю площадку ступени с буровой кареткой,
фиг.9 изображает анкерную лапу,
фиг.10 изображает колодец для прохода ковша,
фиг.11 изображает на виде сбоку стрелу-манипулятор,
фиг.12а изображает буровое устройство в процессе работы,
фиг.12b представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.12с представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.12d представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.13а представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.13b представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.14а представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.14b представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.15 представляет другой вид устройства в процессе работы,
фиг.16 изображает в разрезе буровое устройство по фиг.1,
фиг.17 изображает альтернативный вариант устройства по фиг.16,
фиг.18 изображает в увеличенном виде компонент, используемый в буровом устройстве по фиг.16.
Осуществление изобретения
На фиг.1-10 показано буровое устройство 10 в предпочтительном примере выполнения. Буровое устройство 10 используется для разработки в грунте открытой выемки с поверхности земли. В общем случае буровое устройство 10 работает внутри шахтного ствола 12, который имеет усиленные стенки 14 для сведения до минимума возможности обрушения. Стенки 14 усилены фрикционными стабилизаторами породы, которые включают болты, сжимающиеся и передающие на стенку 14 давление в случае поперечного сдвига породы. Кроме того, стенки 14 облицованы бетоном для повышения устойчивости. Буровое устройство 10 содержит ступень 15 с рядом площадок, таких как площадки 16, 18, 20, 22, 24 и 26. Ступень 15 имеет верхнюю секцию 15а с площадкой 16 для оборудования и нижнюю секцию 15b с верхней площадкой 18 и другими площадками 20, 22, 24 и 26. Площадки 16-26 образованы компонентами из конструкционной стали или других материалов, обладающих соответствующей прочностью и долговечностью, и несут обслуживающее оборудование, такое как источники энергии, а также землеройное оборудование. После выбора места расположения предполагаемого шахтного ствола 12 и формирования его устья ступень 15 опускают в шахтный ствол с помощью блоков, лебедок и тросов, так что она остается подвешенной с дневной поверхности до ее посадки внутри шахтного ствола 12. Ступень 15 фиксируется внутри шахтного ствола 12 с помощью выдвижных посадочных или анкерных средств 28, которые взаимодействуют с карманами 30, расположенными на определенном расстоянии друг от друга по глубине шахтного ствола 12, как это будет описано более подробно ниже со ссылкой на фиг.18.
Верхняя секция ступени 15 содержит конструктивное кольцо, поддерживающее площадку 16 для оборудования. Площадка 16 для оборудования образует платформу для размещения запасов, таких как бетон, сталь для обсадки шахтного ствола 12, или рабочего персонала, занятого в проходке шахтного ствола. Нижняя секция 15b ступени выполнена в виде цилиндрической рамы с площадками 18-26, отстоящими друг от друга на определенных расстояниях. Комплект гидроцилиндров, в типовом случае гидроцилиндров 34, содержит гидроцилиндры, разнесенные по окружности и проходящие между верхней секцией 15а и нижней секцией 15b. Цилиндры выполнены телескопическими и управляют относительными перемещениями площадки 16 для оборудования и верхней площадки 18. Анкерные средства 28 предусмотрены на расстоянии друг от друга на площадке 16 для оборудования и верхней площадке 18, как показано на фиг.18. Каждое из анкерных средств 28 содержит лапу 100, шарнирно укрепленную с помощью пальца 102 на соответствующей площадке 16, 18. Звено 104 проходит от лапы 100 до цилиндра 106 управления лапой. Выдвижение и втягивание штока цилиндра 106 обеспечивает шарнирный поворот лапы 100. В своем выдвинутом положении лапа 100 выступает за площадку 16, 18 и входит в карман 110, образованный в стенке 14 шахтного ствола 12.
В каждый момент времени ступень 15 закреплена посадочными лапами 100 площадки для оборудования или верхней площадки. Ход цилиндров 34 позволяет перемещать нижнюю секцию 15b ступени от нулевого уровня относительно площадки 16 для оборудования до расстояния 60 футов (примерно 20 метров) от нее. Путем последовательных ходов ступень 15 «шагает» вверх и вниз по шахтному стволу 12 для обеспечения последовательной проходки ствола.
В положении покоя оба комплекта анкерных средств 28 выдвинуты и входят в соответствующие посадочные карманы в стенке 14 шахтного ствола для надежного позиционирования ступени 15. Для опускания нижней секции 15b ступени лапы 100 верхней площадки 18 убираются во втянутое положение с выходом из карманов 30 и освобождением от стенки 14. При использовании телескопических гидроцилиндров 34 нижнюю секцию 15b ступени перемещают относительно неподвижной площадки 16 для оборудования. Подобным же образом площадка 16 для оборудования может перемещаться относительно нижней секции 15b ступени путем удержания нижней секции 15b в зафиксированном положении посредством взаимодействия анкерных лап 100 верхней площадки с посадочными карманами 30, в то время как анкерные лапы 100 площадки для оборудования убираются. Выгодным образом ступень 15 может «шагать» вверх и вниз с использованием анкерных лап 100 и телескопических гидроцилиндров 34.
Отсутствие тросов способствует меньшим помехам и меньшему загромождению на площадках 16-26, создавая большее удобство перемещения рабочего персонала. Другое преимущество раздельных площадок состоит в отсутствии необходимости удалять всю ступень 15 от места взрыва, так как только секцию 15b ступени нужно удалить на достаточное расстояние от места взрыва, а площадка 16 для оборудования остается неподвижной. Очевидно, что более эффективным является перемещение секции ступени 15 относительно площадки 16 для оборудования при проведении буровых/взрывных работ и работ по удалению разработанного грунта.
Как видно на фиг.4с, 7 и 10, ступень 15 сконструирована для размещения на ней самого различного землеройного оборудования. Площадки 16-26 сконструированы таким образом, что допускают проход оборудования через ступень 15 по мере необходимости, а каждая площадка может быть сконструирована для размещения конкретной части оборудования или для выполнения конкретной функции. Соответственно на каждой площадке имеются два колодца 37 для ковшей, допускающие проход ковшей через ступень 15. Как показано на чертежах, конструкция содержит траверсы 38, формирующие направляющие средства для принудительного направления ковша 32, несущего разработанный материал, по предварительно определенному и предсказуемому пути вверх и вниз по шахтному стволу (см. фиг.4b). Траверсы 38 содержат постоянные направляющие башмаки 40 и постоянные направляющие 42. Постоянные направляющие 42 в типовом случае выполнены из профильных элементов из древесины или конструкционной стали, таких как пустотелые конструктивные секции, и прикреплены к опорам из конструкционной стали. По существу перпендикулярно постоянным направляющим башмакам 40 установлены временные направляющие роликовые башмаки 44, взаимодействующие с временными направляющими 46. Таким образом, траверсы 38 могут переводиться между постоянными направляющими 42 и временными направляющими 46. Выгодным образом при использовании временных направляющих 46 траверсы 38 могут опускаться через ступень 15 с повышенными скоростями, такими как 360 фут/мин (около 110 м/мин), по сравнению с ползучей скоростью 120 фут/мин (около 37 м/мин) до тех пор, пока траверсы не будут посажены на нижней площадке 26.
Временные направляющие 46 изготовлены из толстостенных труб с резьбой, которые закреплены на площадке 16 для оборудования и свободно свисают вниз и проходят через ковшевые колодцы 45 основной ступени 15. Временные направляющие 46 завинчены во втулки в колодце 45 на нижней площадке 26 и проходят через них. Когда ступень 15 поднята, временные направляющие 46 выступают в зону поражения при взрыве (фиг.15). Однако временные направляющие 46 расположены над бетонной опалубкой, что значительно снижает риск повреждения разлетающимися кусками породы. При повреждении временной направляющей во время взрыва она может быть легко заменена завинчиванием другой трубы.
Как было указано выше, процесс проходки шахтных стволов включает в себя этап бурения шпуров для закладки взрывчатых зарядов. Для выполнения этого этапа буровые каретки 35 опускают для бурения шпуров в дне шахтного ствола 12 и образования разреза в виде одного шпура или группы шпуров для ослабления формации или пласта (фиг.8 и 11). Затем в разрез закладывают заряды таким образом, что окружная периферия шахтного ствола 12 взрывается к центру, а не наружу, что предотвращает увеличение диаметра шахтного ствола за пределы определенной величины. Обычно число, схема и размер таких шпуров определяются квалифицированным персоналом на основе множества факторов, таких как состав скальной породы, глубина, диаметр шахтного ствола и так далее.
Как показано на фиг.11, буровая каретка 35 содержит стрелу-манипулятор 48, снабженную монтажными балками 50, которые прикреплены к нижней секции 15b ступени 15, снизу по центральной линии к двум нижним площадкам 24, 26. Направляющая конструкция 52 подачи бура перемещается гидравлическими средствами поперечно площадкам с помощью направляющих устройств скольжения, прикрепленных к балкам 50 и к направляющим конструкции 52 подачи. Стрела-манипулятор 48 может перемещаться с помощью направляющей конструкции подачи из положения в пределах нижней секции 15b ступени в положение за пределами площадки 26. Таким образом, направляющая конструкция 52 подачи перемещается вверх и вниз в направляющих устройствах скольжения при использовании роликовой цепи, звездочек и гидромотора 56. Направляющая конструкция 52 подачи бура опускается вниз, пока буровой хвостовик 54 не упрется в дно шахтного ствола. Буровой наконечник 58 и секция 60 буровой штанги завинчиваются в устройство отбора мощности привода, и производится бурение «разреза».
Для облегчения удаления взорванной породы на нижней секции 15b ступени расположены две породопогрузочные машины 36 (фиг.12а, 12b). Породопогрузочная машина 36 установлена с возможностью скольжения на верхней площадке 18 и может быть опущена за пределы нижней площадки для погрузки разработанного материала.
Далее будет описано действие бурового устройства 10 со ссылками на фиг.6-15. Как показано на фиг.12а, площадка 16 для оборудования и нижняя секция 15b ступени зафиксированы в положении максимального хода цилиндров 34, при этом нижняя площадка 26 установлена на достаточном расстоянии от дна шахтного ствола 12 для того, чтобы обеспечить возможность работы персонала, производить бурение и закладывать заряды. На фиг.12b показана породопогрузочная машина 36, опущенная для погрузки породы со дна шахтного ствола 12 в ковш 32, который затем может быть перемещен через ступень 15 вдоль шахтного ствола. После уборки породы верхнюю секцию 15а ступени и площадку 16 для оборудования опускают (фиг.12с) при втягивании лап 100 верхней площадки 16. Цилиндры опускаются для перемещения площадки 16 для оборудования к зафиксированной верхней площадке 18. Площадку 16 опускают и закрепляют анкерными средствами на определенном расстоянии от верхней площадки 18, при этом нижняя секция 15b находится в зафиксированном положении. Следует отметить, что в этом положении временные направляющие 46 выступают вниз от нижней площадки 26.
В положении по фиг.12d лапы убирают из посадочных карманов 30 и нижнюю секцию 15b ступени опускают при зафиксированном положении площадки 16 для оборудования. После окончательного позиционирования верхнюю площадку 18 закрепляют, так что нижняя секция 15b ступени фиксируется в шахтном стволе в конфигурации ступени по фиг.12а, но в более низком положении. При опущенном положении ступени с нижней площадки 26 может производиться возведение стенки 14. В положении по фиг.13а площадка 16 для оборудования и нижняя секция 15b зафиксированы, при этом опускают опалубку обсадных венцов, в том числе опорное кольцо и основную опалубку, бетон, сталь и другие материалы. В этом положении персонал может заливать бетон или наносить его набрызгиванием на стенки 14 шахтного ствола для укрепления стенок 14 и формирования посадочных карманов.
Как показано на фиг.14а, буровые каретки 35 опускают для бурения шпуров в дне шахтного ствола 12 и закладки зарядов в пробуренные шпуры. После этого при зафиксированной площадке 16 для оборудования нижнюю секцию 15b поднимают и фиксируют на расстоянии клиренса от зоны взрыва (фиг.14b) для производства взрыва посредством запала и разрыхления скальной породы, как показано на фиг.15. Далее нижнюю секцию 15b вновь опускают и начинают погрузку и удаление разработанной породы, как было описано выше. Этот процесс может повторяться несколько раз в зависимости от желаемых результатов по разработке шахтного ствола или производительности по материалу.
Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема охраны, определяемого формулой изобретения.