Устройство для ориентированного разрыва горных пород
ROCK ORIENTED CUTTING DEVICE

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для формирования в породных массивах сплошных трещин нужных размеров, повышающих эффективность воздействия на породный массив с целью, например, создания условий, облегчающих обрушение кровли в выработанное пространство.
Известно устройство для ориентированного гидроразрыва горных пород по патенту РФ №2441149, кл. Е21В 43/26, опубл. 27.01.2012 г., бюл. №3, включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, на концах которого установлены шланги. На корпус надета втулка из эластичного материала с радиальными отверстиями. Радиальные отверстия в корпусе и эластичной втулке не совпадают. На свободном от корпуса конце нижнего шланга установлена заглушка.
Общим у аналога с предлагаемым устройством является наличие полого корпуса с радиальными отверстиями и двух герметизирующих элементов.
Это устройство предназначено для гидроразрыва горной породы через скважину в заданной плоскости при условии, что в стенках скважины прорезана соответствующая инициирующая полость. Его использование связано с известными трудностями совмещения инициирующей полости с пространством между герметизирующими элементами. Кроме этого, устройство не способно работать в зонах нарушения стенок скважины, вызванных высокими напряжениями в породном массиве. Все это обуславливает его относительно низкую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для ориентированного разрыва горных пород по патенту РФ №2512053, кл. Е21В 43/26, опубл. 10.04.2014 г., бюл. №10, включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями. На концах корпуса установлены шланги. На корпус надета втулка из эластичного материала с радиальными отверстиями. Радиальные отверстия на корпусе и указанной втулке не совпадают. На свободном от корпуса конце нижнего шланга установлена заглушка. Шланги и корпус с надетой на него втулкой из эластичного материала размещены в колонне втулок со скошенными вовнутрь торцами. На колонну втулок надета эластичная оболочка, на которой установлен рукав из проницаемого для жидкости материала и заполнен сыпучим веществом, отвердевающим при взаимодействии с жидкостью.
Общим у прототипа с предлагаемым устройством является наличие полого корпуса с радиальными отверстиями, втулки со скошенным вовнутрь торцом и рукава из проницаемого для жидкости материала, заполненного сыпучим веществом, отвердевающим при взаимодействии с жидкостью.
В этом устройстве отсутствует возможность продольного раздвижения частей полого цилиндрического корпуса относительно радиальных отверстий (плоскости разрыва горной породы). Поэтому существенная часть растягивающего горную породу усилия, создаваемого давлением рабочей жидкости в плоскости, ортогональной оси скважины, компенсируется нераздвижным корпусом и не передается стенкам скважины. Кроме того, корпус из-за его сильной механической связи со стенками скважины (через шланги, втулки, эластичную оболочку и указанный рукав) проявляет свойство арматуры, препятствующей разрыву горной породы поперек скважины. В результате для разрыва горной породы при условии необходимости создания трещины поперек скважины с большим раскрытием это устройство обладает сравнительно низкой эффективностью.
Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности устройства за счет увеличения растягивающего усилия в плоскости, ортогональной оси скважины, и исключения его влияния на усилие разрыва горной породы.
Проблема решается тем, что устройство для ориентированного разрыва горных пород, включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, втулку со скошенным вовнутрь торцом, рукав из проницаемого для жидкости материала, заполненный сыпучим веществом, отвердевающим при взаимодействии с жидкостью, согласно техническому решению оно снабжено вторым рукавом, при этом полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями выполнен в виде стакана, который со стороны, противоположной его дну, вставлен с возможностью продольного перемещения во втулку до радиальных отверстий, а втулка со стороны, свободной от указанного корпуса, скреплена с колонной труб для подачи рабочей жидкости, при этом один из указанных рукавов намотан на втулку, а другой - на свободный от втулки конец корпуса до радиальных отверстий.
Такое  изобретение обеспечивает возможность скреплять со стенками скважины втулку и вставленный в нее с возможностью продольного перемещения полый цилиндрический корпус в виде стакана раздельно и по обе стороны плоскости разрыва горной породы. Поэтому устройство не препятствует разрыву горной породы и не уменьшает площадь, на которую действует давление рабочей жидкости. В результате создается максимально возможное (для данного давления и диаметра скважины) растягивающее горную породу усилие и беспрепятственное со стороны устройства раскрытие формируемой трещины разрыва. Второй рукав позволяет скреплять указанный корпус со стенками скважины отдельно от втулки. Выполнение указанного корпуса в виде стакана исключает возможность проникновения рабочей жидкости за пределы участка установки устройства. Намотка одного рукава на втулку, а второго на свободный от втулки конец стакана до радиальных отверстий обеспечивает возможность разнонаправленного перемещения втулки и корпуса вдоль скважины. При этом из-за такой намотки рукавов и выполнения торца втулки скошенным вовнутрь на уровне радиальных отверстий образуется щель, которую затем используют для инициирования разрыва горной породы в заданной плоскости. Таким образом, повышается эффективность устройства за счет увеличения растягивающего усилия в плоскости, ортогональной оси скважины, и исключения его влияния на усилие разрыва горной породы.
Целесообразно указанный корпус со стороны его дна, на уровне радиальных отверстий, выполнить со ступенчатым цилиндрическим утолщением. Такое утолщение фиксирует исходную величину вхождения указанного корпуса во втулку, располагая тем самым радиальные отверстия в области нахождения скоса торца втулки. Это автоматически совмещает радиальные отверстия с полостью, в которую затем подают рабочую жидкость для разрыва горной породы, что снижает трудоемкость установки устройства в скважине и, следовательно, повышает эффективность его эксплуатации.
Целесообразно на втулке и указанном корпусе по обе стороны участков намотки упомянутых рукавов выполнить кольцевые выступы. Это исключает сползание упомянутых рукавов за пределы участков их намотки, что упрощает изготовление и транспортирование устройства, тем самым повышая эффективность его эксплуатации.
Целесообразно втулку намагнитить. Это исключает выпадение указанного корпуса из втулки при подаче устройства в нисходящие скважины, что расширяет область его применения и, следовательно, эффективность работы.
Целесообразно втулку скрепить с колонной труб для подачи рабочей жидкости резьбовым соединением, направление резьбы которого противоположно направлению резьбы для соединения между собой труб в колонну. Это исключает при выкручивании из втулки указанной колонны труб раскручивание составляющих ее труб, что увеличивает надежность работы устройства, повышая его эффективность.
Сущность изобретения поясняется примером конструктивного исполнения устройства для ориентированного разрыва горных пород и чертежом, на котором показан его общий вид в продольном разрезе.
Устройство для ориентированного разрыва горных пород (см. чертеж) включает полый цилиндрический корпус в виде стакана 1 с радиальными отверстиями 2 (далее - отверстия 2). Стакан 1 со стороны, противоположной его дну, вставлен с возможностью продольного перемещения во втулку 3 со скошенным внутрь торцом (далее - втулка 3) до отверстий 2. Втулка 3 со стороны, свободной от стакана 1, скреплена с колонной 4 труб для подачи рабочей жидкости (далее - колонна 4). Устройство имеет два рукава 5 и 6 из проницаемого для жидкости материала, заполненных сыпучим веществом, отвердевающим при взаимодействии с жидкость. Рукав 5 намотан на втулку 3, а рукав 6 на свободный от втулки 3 конец стакана 1 до отверстий 2. Стакан 1 со стороны его дна, на уровне отверстий 2, может быть выполнен со ступенчатым цилиндрическим утолщением 7 (далее - утолщение 7). На втулке 3 и стакане 1 по обе стороны участков намотки рукавов 5 и 6 могут быть выполнены кольцевые выступы 8 (далее - выступы 8). Втулка 3 может быть намагничена. Втулка 3 с колонной 4 может быть скреплена резьбовым соединением 9, направление резьбы которого противоположно направлению резьбы для соединения между собой труб в колонну 4. Устройство подано в восстающую скважину 10 (далее - скважина 10) для проведения в плоскости 11 разрыва горной породы из полости 12, образованной скошенным вовнутрь торцом втулки 3 и утолщением 7 с выступом 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Рукава 5 и 6 пропитывают жидкостью, взаимодействующей с сыпучим веществом, например опусканием устройства в емкость с водой. Затем устройство подают в скважину 10 на заданную глубину и удерживают его до отвердения смеси сыпучего вещества и жидкости в рукавах 5 и 6, отчего стакан 1 и втулка 3 скрепляются через них со стенками скважины 10. По колонне 4 подают рабочую жидкость под давлением, которая через втулку 3, стакан 1, отверстия 2 поступает в полость 12. Давление рабочей жидкости создает усилие, воздействующее на стакан 1 и втулку 3 в противоположных направлениях. Поэтому в плоскости 11, относительно которой стакан 1 и втулка 3 скреплены со стенками скважины 10 по разные ее стороны, возникают растягивающие напряжения, приводящие к разрыву горной породы с образованием трещины (не показана). Рабочую жидкость подают до тех пор, пока указанная трещина не достигнет нужных размеров. После этого прекращают подачу рабочей жидкости, колонну 4 выкручивают из втулки 3 и извлекают из скважины 10.
Устройство разработано для проведения в восстающих скважинах поперечных разрывов породных массивов, что необходимо при реализации гидродинамической стратификации труднообрушающихся кровель в технологиях отработки пологих угольных пластов механизированными комплексами. Для гидродинамической стратификации кровли вдоль вентиляционного штрека бурят ряд скважин, из которых, начиная от их забоя, формируют последовательно несколько (три, четыре) протяженных поперечных трещин, уменьшающих значения прочностных характеристик кровли. Так как трещины формируют от забоя к устью скважин, извлекать устройства, с помощью которых создавали предыдущие трещины, из скважин для проведения последующих разрывов горной породы не требуется. Стоимость устройств по сравнению со снижением себестоимости добычи угля за счет их использования не существенна. Поэтому целесообразно считать их одноразовыми. Вместе с этим при необходимости их можно относительно легко извлечь из скважины путем вырезания по рукавам 5 и 6 колонковой коронкой (трубой с алмазным кольцом на торце).
Особое внимание следует уделять герметизации скважины 10 и прочности связи с ее стенками стакана 1 и втулки 3, что обеспечивается рукавами 6 и 5. На чертеже показаны зазоры между витков рукавов 5 и 6 для наглядности. Фактически между стенками скважины 10 и стаканом 1, а также между стенками скважины 10 и втулкой 3 образуются непроницаемые для рабочей жидкости сплошные пробки из плотно прижатых друг к другу витков рукавов 5 и 6, надежно скрепляющие горную породу со стаканом 1 и втулкой 3. Достигается это добавлением в сыпучее вещество расширяющегося компонента и выбором длин участков намотки рукавов 5 и 6.
Устройство предполагается использовать для разрыва горной породы через восстающие скважины 10. Вместе с этим его можно использовать и для нисходящих скважин 10, например, в технологиях выщелачивания меди или урана. Это достигается тем, что втулка 3 намагничена и поэтому она исключает выпадение из нее стакана 1 с намотанным на него рукавом 6 под действием собственного веса.