УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована для бурения взрывных скважин с продувкой воздухом в мерзлых массивах, сложенных породами повышенной влажности на карьерах и приисках при открытом и подземном способах разработки полезных ископаемых, при проведении строительных работ по прокладке трубопроводов и кабелей под автомобильными и железнодорожными магистралями.
Известно буровое долото (SU №1776285, МПК Е21В 10/60, опубликовано 15.11.1992), в котором часть продувочного потока, поступающего по центральному каналу долота от компрессора, по боковым каналам в корпусе, отводится к забою через вихревые трубки с сопловыми вводами, чем достигается подача охлажденного воздуха на контакт режущих кромок породоразрушающих элементов с забоем.
Общими признаками заявляемого устройства с аналогом является, наличие породоразрушающего органа выполненного в виде шарошки, установленной на цапфах секций корпуса, а также вихревых трубок, предназначенных для охлаждения продувочного воздуха.
Недостатком данного устройства является незащищенность сопел вихревых трубок от обмерзания и засорения мелкими фракциями продуктов разрушения при проходке водоносных горизонтов уступа карьера, что в свою очередь приводит к зашламовыванию скважины и снижению эффективности проходки скважины.
Известен способ бурения горных пород и устройство для его осуществления (RU №2315165, МПК Е21В 7/00, опубликовано 20.01.2008) заключающийся в бурении кольцевым забоем, вращением породоразрушающего инструмента с его охлаждением и очисткой забоя от шлама потоком газа. Породоразрушающий инструмент охлаждают углекислотой в твердом состоянии (сухой лед), а очистку забоя осуществляют испаряющимся углекислым газом через затрубное пространство.
Общим признаком заявляемой полезной модели с аналогом является наличие шарошечного породоразрушающего органа, имеющего фрезерованные или вставные твердосплавные зубья.
Недостатком данного устройства является, ограниченное количество выделяемого углекислого газа, что в свою очередь сдерживает интенсивность разрушения породы на забое, то есть снижает возможную производительность устройства. Кроме того, в виду чрезвычайной неоднородности горных пород по глубине скважины усложняется соблюдение требований по поддержанию синхронности испарения углекислоты и заполнения керном колонкового набора. Выполнение операций по заправке колонковой трубы углекислотой в твердом состоянии, отрыв и извлечение керна из колонковой трубы влечет значительные потери времени и снижение производительности установки. В виду часто меняющихся физико-механических свойств переслаивающихся пород мерзлого массива транспортирующая способность ленточной спирали может оказаться недостаточной, что приведет к зашламовыванию скважины.
В качестве прототипа принят способ эвакуации бурового шлама из скважины и устройство для его осуществления (RU №2281378, МПК Е21В 10/44, Е21В 49/00, опубликовано 10.08.2006), включающий пневмо-эжекционную систему эвакуации бурового шлама из скважины, которая сочетает продувку забоя, шнеко-пневматическую очистку забоя и затрубного пространства скважины за счет того, что воздушно-шламовый поток в затрубном пространстве приобретает винтообразное движение путем его закручивания спиральным шнеком пневмо-эжекционного эвакуатора.
Общими признаками заявляемой полезной модели с прототипом являются, наличие центрального продувочного канала в буровом ставе, конфузорного участка для разделения потока для подачи в призабойную зону и затрубное пространство и возможность использования серийного бурового инструмента без изменения конструкции.
Недостатком прототипа является наличие шнековой спирали в призабойной части бурового става, которая создает дополнительные сопротивления транспортированию воздушно-шламового потока, что в свою очередь сопровождается необходимостью повышения давления в потоке продувочного воздуха и как, следствие, существенным снижением эффекта эжекции в затрубном пространстве скважины, ухудшается транспортировка продуктов разрушения забоя из скважины, увеличивается загрузка привода компрессора, что ведет к увеличению расхода электроэнергии и затрат на бурение. Кроме того, интенсивный износ шнека за счет трения периферийной части спирали о стенки скважины требует его частой замены, что сопровождается дополнительными простоями бурового станка и снижением его производительности.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи эффективной очистки скважины от частиц буровой мелочи.
Технический результат полезной модели заключается в создании температурного режима в скважине, при котором продукты разрушения мерзлой породы не будут подвергаться оттаиванию, и будут эффективно удаляться из скважины воздушным потоком.
Технический результат достигается тем, что устройство для бурения и очистки взрывных скважин, содержащее буровой став, состоящий из верхней и нижней штанг, соединенных замковой муфтой, делитель воздушного потока с размещенными в нем эжекционными каналами и рассекатель воздушного потока, установленные в конусном участке бурового става, буровое долото с центральным и наклонными каналами, по которым осуществляют подачу воздуха для очистки забоя и призабойного пространства скважины от продуктов разрушения горных пород.
Отличием от прототипа является то, что центральный и эжекционные каналы выполнены с соотношением их поперечных сечений 3:2, а выходные отверстия эжекционных каналов расположены на расстоянии 0,8-1,2 м от нижнего края бурового долота.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».
Выполнение центрального и эжекционных каналов с соотношением их поперечных сечений 3:2, обеспечивает создание условий для изохорического расширения воздуха, сопровождающегося падением его давления и температуры, что в свою очередь обеспечивает необходимую скорость воздушного потока, истекающего из эжекционных каналов, а также из центрального и наклонных каналов бурового долота для создания условий, обеспечивающих переход частиц буровой мелочи во взвешенное состояние и их бесперебойную транспортировку из призабойного и затрубного пространства скважины, а так же необходимую температуру воздушному потоку с целью предотвращения оттаивания мерзлых частиц буровой мелочи и образования сальников вокруг бурового става. Экспериментально установлено, что при выполнении центрального и эжекционных каналов с соотношением их поперечных сечений менее, чем 3:2 происходит зашламовывание скважины частицами буровой мелочи. При выполнении центрального и эжекционных каналов с соотношением их поперечных сечений более, чем 3:2 имеют место излишние энергозатраты, не способствующие улучшению очистки скважины от продуктов разрушения горных пород.
За счет того, что выходные отверстия эжекционных каналов расположены на расстоянии 0,8-1,2 м от нижнего края бурового долота достигается оптимальное значение скорости движения воздушного потока, при котором происходит переход частиц буровой мелочи во взвешенное состояние.
Экспериментально установлено, что расположение выходных отверстий эжекционных каналов на расстоянии более чем 0,8-1,2 м от нижнего края бурового долота приводит к уменьшению скорости движения воздушного потока и его будет недостаточно для перехода частиц буровой мелочи во взвешенное состояние. Расположение выходных отверстий эжекционных каналов на расстоянии менее чем 0,8-1,2 м от нижнего края бурового долота приводит к образованию вихревого движения воздушного потока, что неблагоприятно сказывается на качестве транспортирования продуктов разрушения в призабойной зоне скважины.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 - показан общий вид устройства, на фиг.2 - конусный участок бурового става.
Устройство состоит из бурового става выполненного из верхней 1 и нижней 2 штанг с конусным участком 3 и буровым долотом 4 с центральным и наклонными каналами (на чертеже не показаны), делителя воздушного потока 5, установленного в конусном участке 3 бурового става, с размещенными в нем эжекционными каналами 6, замковой муфты 7, соединяющей верхнюю 1 и нижнюю 2 штанги. В верхней штанге 1 выполнен центральный продувочный канал 8 по которому осуществляют подачу воздушного потока. Зазор между стенками скважины и верхней 1 и нижней 2 штангами образует затрубное пространство 9. Зазор между буровым долотом 4 и стенками скважины образует призабойную зону 10. В конусном участке 3 бурового става расположен также рассекатель воздушного потока 11 с выполненным в нем проходным отверстием 12.
Устройство работает следующим образом.
k
1
2
Поток сжатого воздуха с расходом Q (фиг.1 и фиг.2) от компрессора бурового станка поступает по центральному продувочному каналу 8 верхней штанги 1 в конусный участок 3 бурового става, где разделяется на два потока для подачи к забою через центральный и наклонные каналы бурового долота с расходом Q и для подачи через эжекционные каналы 6 в затрубное пространство 9 скважины с расходом Q. Соотношение расходов воздуха в потоках достигается соотношением поперечных сечений центрального и эжекционных каналов для подачи воздуха к забою и в затрубное пространство скважины.
1
2
1
2
В призабойной зоне 10 скважины поток Q приводит частицы буровой мелочи во взвешенное состояние, обеспечивая их подвижность, при этом воздушно-шламовый поток устремляется в затрубное пространство 9 скважины. Через эжекционные каналы 6 поток воздуха Q устремляется в конусный участок 3 затрубного пространства 9, снижая концентрацию частиц разрушенной на забое породы. Далее в затрубном пространстве 9 от конического участка 3 до устья скважины транспортировка шлама осуществляется воздушным потоком с суммарным расходом Q+Q.
Использование полезной модели позволяет обеспечить эффективную очистку взрывных скважин от частиц буровой мелочи, уменьшить загрузку привода компрессора, что в свою очередь ведет к снижению расхода электроэнергии и затрат на бурение.