СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН
WELL DEVICE TO FORM DIRECTED CRACKS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.
Известно распорное устройство по патенту РФ №2236585, кл. E21C 37/10, опубл. в БИ №26, 2004 г., включающее трубчатую оболочку с торцевыми элементами. Трубчатая оболочка выполнена из продольных металлических полос, которые установлены внахлест и жестко скреплены на концах. Трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом. В одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец надето кольцо с внешней резьбой, на которое навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукоятками.
В этом устройстве отсутствует возможность подачи в формируемую трещину пластичного вещества. Поэтому оно способно формировать трещины сравнительно малых размеров, ограниченных усилием распора и величиной раздвижения боковых поверхностей, что обуславливает его относительно низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2383735, кл. E21C 37/00, E21B 43/26, опубл. в БИ №7, 2010 г., включающее трубчатую оболочку, заполненную пластичным веществом. В одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукояткой. В трубчатой оболочке выполнены продольные прорези, а между ее внутренней поверхностью и пластичным веществом установлена трубка с продольными прорезями таким образом, что продольные прорези трубчатой оболочки и трубки совпадают в плоскости формирования трещины и не совпадают в других местах, при этом на трубчатую оболочку надета эластичная оболочка.
Это устройство позволяет подавать пластичное вещество только в статическом режиме. При этом оно должно обеспечивать герметизацию скважины при максимальном давлении, необходимом для образования начальной трещины, что связано с известными трудностями, обусловленными большими нагрузками на узлы нагнетания и герметизирующие элементы. Кроме этого, при статическом режиме нагнетания на ориентацию начальной трещины существенное влияние оказывают различные неоднородности и плоскости ослабления в породном массиве. Поэтому устройство обладает сравнительно низкой эффективностью.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет снижения нагрузки на составляющие его конструктивные элементы и снижения влияния структуры породного массива на ориентацию создаваемой трещины.
Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубчатую оболочку с продольными прорезями, заполненную пластичным веществом, стакан, навинченный на ее конец и имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт, и эластичную оболочку, надетую на трубчатую оболочку, согласно техническому решению винт выполнен в виде втулки с внешней резьбой, в которую вставлен стержень с возможностью ограниченного относительно нее продольного перемещения, при этом в эластичной оболочке выполнены продольные прорези, совпадающие с продольными прорезями трубчатой оболочки, а втулка с внешней резьбой и стержень связаны между собой таким образом, что исключают возможность вращения друг относительно друга.
Такое техническое решение позволяет при образовании начальной трещины воздействовать на стенки скважины одновременно статическим и динамическим усилиями. Статическое усилие придавливает боковую поверхность устройства к стенкам скважины, тем самым герметизируя ее, и создает в намеченной области начальное напряжение, меньшее, чем прочность горной породы на растяжение. Динамическое усилие возникает в момент приложения к свободному концу стержня ударной нагрузки. От этого в пластичном веществе в месте его контакта с торцом стержня создается импульс давления, который совместно со статическим усилием через прорези трубчатой и эластичной оболочек воздействуют на стенки скважины с образованием начальной трещины в породном массиве в плоскости расположения прорезей. Импульс давления действует только в области, непосредственно прилегающей к месту контакта торца стержня и пластичного вещества. Затем с удалением от указанного места он резко затухает (в пластичной среде) и поэтому практически не создает дополнительные нагрузки на другие (кроме торца стержня) конструктивные элементы устройства. Начальная трещина концентрирует по границе напряжение. Поэтому дальнейшее ее развитие происходит при существенно меньшем давлении, чем при ее возникновении. По этой же причине (концентрации напряжений на границе) начальная трещина нейтрализует влияние на плоскость разрыва горной породы структурных особенностей породного массива. Выполнение в эластичной оболочке продольных прорезей, совпадающих с продольными прорезями трубчатой оболочки, позволяет эластичную оболочку использовать многократно. Исключение возможности вращения втулки с внешней резьбой и стержня друг относительно друга обеспечивает вращение втулки с внешней резьбой при вращении стержня. Таким образом, предлагаемое техническое решение, благодаря возможности одновременного воздействия на стенки скважины статическим и динамическим усилиями, повышает эффективность устройства за счет снижения нагрузки на составляющие его конструктивные элементы и снижения влияния структуры породного массива на ориентацию создаваемой трещины.
Целесообразно на выходящем из втулки конце стержня со стороны пластичного вещества выполнить ступенчатое утолщение, перекрывающее торец втулки. Это предохраняет втулку от динамического воздействия импульса давления, возникающего при ударной нагрузке на стержень, что повышает надежность и, следовательно, эффективность работы устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами (фиг.1, 2).
На фиг.1 показан общий вид скважинного устройства для образования направленных трещин, продольный разрез; на фиг.2 - повернутый на 90° разрез А-А на фиг.1 при создании трещины.
Скважинное устройство для образования направленных трещин (фиг.1, 2) состоит из трубчатой оболочки в виде стакана 1 с продольными прорезями 2 (далее - прорези 2) и резьбой 3 на конце (фиг.1). Трубчатая оболочка заполнена пластичным веществом 4. На резьбу 3 навинчен стакан 5, имеющий центральное отверстие (на фиг.1 не обозначено) с резьбой 6, куда ввинчен винт в виде втулки 7 с внешней резьбой 8. Во втулку 7 вставлен стержень 9 с возможностью ограниченного относительно нее продольного перемещения. На трубчатую оболочку в виде стакана 1 (далее - стакан 1) надета эластичная оболочка 10 (далее - оболочка 10) с продольными прорезями (на фиг.1 не обозначены), совпадающими с прорезями 2. Втулка 7 и стержень 9 связаны между собой таким образом, что исключают возможность вращения друг относительно друга. Для этого поперечные сечения взаимодействующих частей стержня 9 и отверстия втулки 7 выполнены в виде квадратов 11 (фиг.2). На выходящем из втулки 7 конце стержня 9 со стороны пластичного вещества 4 выполнено ступенчатое утолщение 12 (далее - утолщение 12), перекрывающее торец втулки 7. На противоположном утолщению 12 конце стержня 9 посредством резьбы 13 навинчена головка 14 под ключ до упора в торец стержня 9. Устройство подано в скважину 15 для сформирования в ее стенках трещины 16.
Отметим, что трещина 16 на фиг.1 не показана для наглядности.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство со стороны дна стакана 1 подают в скважину 15 (фиг.1) до упора стакана 1 в забой либо упора стакана 5 в устье. С помощью головки 14 и стержня 9 вращают втулку 7 в направлении ее вхождения в стакан 1, от чего утолщение 12 воздействует на пластичное вещество 4 и повышает в нем давление. При этом боковые поверхности стакана 1 раздвигаются и прижимают оболочку 10 к горной породе, от чего скважина 15 герметизируется и давление в ней повышается. Вращение втулки 7 прекращают при достижении давления в пластичном веществе 4 заданной величины, что оценивается по моменту вращения головки 14. Затем через головку 14 на стержень 9 воздействуют ударной нагрузкой, например, при помощи кувалды, что создает импульс давления в пластичном веществе 4 в месте его контакта с утолщением 12. Под действием импульса давления пластичное вещество 4 проявляет свойство твердого тела - в данном случае оно воздействует на горную породу через прорези 2 и прорези оболочки 10 подобно клину, ориентированному вдоль оси скважины 15. В результате совместного воздействия статического и импульсного давлений в стенках скважины 15 возникает начальная трещина 16 в плоскости расположения прорезей 2. После этого начальную трещину 16 развивают до нужных размеров подачей в нее пластичного вещества 4 вращением втулки 7 в направлении вхождения ее в стакан 1. После образования трещины 16 нужных размеров, вращением втулки 7 в направлении ее выхода из стакана 1 сбрасывают давление в пластичном веществе 4, и устройство извлекают из скважины 15.
Работа устройства основана на использовании закономерностей взаимодействия среды и внедряющегося в нее пластичного вещества 4, нагнетаемого при давлении как постоянном, так и меняющемся в виде импульса. При постоянном давлении пластичное вещество 4 в большой степени проявляет свойство жидкости. Давление передается на значительное расстояние, практически распространяется по всему объему стакана 1, от чего наблюдается эффект гидравлического усиления. Эту особенность целесообразно использовать для развития имеющихся трещин. В этом случае горная порода, прочность которой на растяжение в среднем примерно в десять раз меньше ее прочности на сжатие, разрушается растягивающими усилиями. Давление, необходимое для развития трещины 16, падает с увеличением ее размеров. Трещина 16 на своей границе концентрирует напряжения, существенно облегчающие разрушение горной породы. Однако для образования трещины 16 (начала разрушения горной породы) требуется давление, равное прочности горной породы. Прочность горных пород, например гранитов и их аналогов, только на растяжение может достигать 30 и более МПа. Такое давление обуславливает большие нагрузки на узлы и герметизирующие элементы устройства и повышает вероятность разрыва горной породы в местах нахождения неоднородностей на всем протяжении прорезей 2. Отметим, что давление, необходимое на создание трещины 16, может в десять и более раз превышать давление, достаточное на ее развитие. При импульсном повышении давления пластичное вещество 4 во время действия импульса в большей мере проявляет свойство твердого легкодеформируемого тела (например, из свинца), способного передавать усилие контактирующим с ним поверхностям, в том числе ориентированным под прямым углом к направлению действия ударной нагрузки. В предлагаемом устройстве это обуславливает передачу ударной нагрузки от стержня 9 (расширения 12) стенкам скважины 15 (через прорези 2 и прорези оболочки 10). Из-за малого расстояния зоны возникновения импульса давления до горной породы, равного суммарной толщине стенок стакана 1 и оболочки 10, в стенках скважины 15 вблизи утолщения 12 создаются высокие напряжения, образующие начальную трещину 16. При этом зона влияния ударной нагрузки на давление в пластичном веществе 4 ограничивается областью, непосредственно прилегающей к расширению 12. Далее энергия импульса давления, имеющего малую длительность, рассредоточивается по всему объему пластичного вещества 4, и поэтому он быстро и на сравнительно малом расстоянии от источника затухает.
В качестве пластичного вещества 4 предполагается использовать смесь глины и отработанного машинного масла. Устройство легко механизировать, например, путем вращения головки 14 гайковертом.