УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
DEVICE FOR THERMAL-MECHANICAL DRILL OF HARD FORMATIONS

Предлагаемое изобретение относится к камнедобывающей и камнеобрабатывающей промышленности.
Известна установка для изготовления гранитных заготовок, валов бумагоделательных машин. Авторское свидетельство СССР №734003, кл. В28D 1/14, 1983.
Установка содержит копер с порталом, несущим отклоняющие блоки запасованным через них тросом, вращатель с кольцевым дробовым либо алмазным инструментом и тросовую лебедку, оснащенную тяжелой взаимодействующей с выполненными на портале наклонными направляющими для вертикальной установки блока камня. Тележка снабжена винтами для крепления и центрирования камня. Для перевода тележки в вертикальное и горизонтальное положение служит тяговая лебедка, трос которой приклеплен к тележке.
После установки породоразрушающего инструмента в рабочее положение над блоком камня и центрирования последнего бурильная труба с породоразрушающим инструментом опускается на гранитный блок и производится выбуривание цилиндрической заготовки вала бумагоделательной машины.
После обработки блока на всю длину вала породоразрушающий инструмент поднимают в верхнее положение, открывают кузов тележки и с помощью крана извлекают полученную заготовку вместе с выбуренным блоком.
Недостатком этой установки является низкая производительность, обусловленная низкой механической скорости бурения за счет использования в качестве породоразрушающего инструмента алмазной буровой коронки.
Известна установка для изготовления цилиндрических заготовок из блока камня - патент RU №2058899, кл. 6 B28D 114, содержащая подвижное средство для размещения блока, установленное в направляющих с возможностью возвратно-поступательного перемещения, буровой снаряд с алмазным породоразрушающим инструментом, гидроцилиндр со штоком и поршнем, спускоподъемный механизм, буровую лебедку, таль, шток гидроцилиндра, колонковую трубу.
Недостатком этой установки является также низкая производительность, обусловленная низкой механической скоростью бурения за счет использования в качестве породоразрушающего инструмента алмазной буровой коронки.
Известен термомеханический породоразрушающий инструмент- патент RU №2 247 217 С2 Е21В 10/46, 7/14.
Термомеханический породоразрушающий инструмент включает корпус, фрикционные элементы, разупрочняющие нагревом приповерхностный слой породы и термостойкие резцы, снимающие этот слой, при этом фрикционные элементы и термостойкие резцы неподвижно закреплены на одном корпусе, при этом резцы установлены с опережением фрикционных элементов на величину, определяемую из соотношения  где δ - величина опережения резцов фрикционных элементов мм; ν - проектная механическая скорость бурения; n - число оборотов инструмента за 1 сек, об/сек; k - число резцов на одной линии резания,
Недостатком является то, что разупрочнение прослойки горной породы осуществляется трением при больших скоростях вращения породоразрушающего инструмента, что влечет за собой преждевременный износ бурильных штанг при трении их о стенки скважины, износ фрикционных элементов и резцов.
Наиболее близким аналогом изобретения, взятым в качестве прототипа, является установка электродугового плазмобура, патент RU №2100602 С1 кл. 6 Е21С 37/18, Е21 Е21В 7/15, содержащая буровую колонку, соединенную с источником нагрева разрушаемой породы, причем источник нагрева выполнен в виде плазмотрона, соединенного с системой подачи плазмообразующего газа и системой охлаждения плазмотрона, содержащего корпус, не менее двух плоскообразных сопел, расположенных с пересекающимися межэлектродными промежутками и объединенных центральным каналом плазмотрона, не менее трех электродов, соединенных с одним или несколькими источниками электропитания, устройство вращения или колебания плазмотрона, устройство отсасывания разрушенной породы, сопла подачи охлаждающей породу среды, закрепленные у основания буровой колонки и имеющие систему каналов, устройство поступательной подачи плазмотрона, газоанализатор, датчик которого установлен у основания буровой коронки.
Недостатком установки электродугового плазмобура является отсутствие породоразрушающих элементов для механического разрушения горной породы и нагрев ее до температуры плавления. Бурение скважин плавлением скальных горных пород с удалением избытка расплава с забоя с переводом его за счет охлаждения в твердый шлам, выносом последнего из устья скважины является достаточно сложным техническим решением, поскольку даже раздробленные части расплава имеют значительный вес и, кроме того, при плавлении горной породы будут оплавляться стенки скважины, при этом ствол скважины будет иметь каверны, образующиеся за счет плавления различных включений, температура плавления которых значительно отличается от других составляющих горную породу.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. расширение возможностей известного решения, а именно эффективного бурения твердых горных пород с удалением разупрочненой прослойки горной породы с забоя скважины, не доводя ее до плавления.
Задача решается тем, что устройство термомеханического бурения твердых горных пород, содержащее буровую колонку, плазмотрон, систему подачи плазмообразующего газа и воды, систему охлаждения плазмотрона, корпус, сопла, согласно изобретению для бурения твердых горных пород снабжено колонковой трубой, соединенной в верхней части с бурильной штангой, на которой установлены токосъемник для подачи электроэнергии к плазмотрону и вертлюг для подачи сжатого воздуха для очистки забоя скважины, охлаждения плазмотрона и буровой коронки, при этом нижняя часть колонковой трубы соединена с цилиндрической съемной буровой коронкой, на которой установлены резцы, выполненные из термостойких материалов, например из сиалона, причем на наружной поверхности колонковой трубы установлены система подачи водовоздушной смеси и система подачи электроэнергии и плазмообразующей смеси газа и воды в плазмотрон и соединены в нижней части с цилиндрической буровой коронкой, а в верхней части соединены с двумя емкостями плазмообразующей смеси газа и воды, первая из них жестко закреплена с бурильной штангой, а вторая емкость соединена с первой емкостью посредством подшипников с устройством, обеспечивающих их герметизацию, при этом подача газа и воды в первую емкость осуществляется через штуцера и сообщающиеся отверстий на боковых стенках первой емкости.
При этом плазмотроны с электродами и с системой охлаждения размещены на одной линии резания между термостойкими резцами, и число их пропорционально диаметру проектируемой скважины, причем устройство установлено на буровом станке, оснащенном электродвигателем постоянного тока и размещенном на платформе самоходной буровой установке с источником электроэнергией.
Устройство термомеханического бурения твердых горных пород поясняются чертежами, где на фиг.1, показана схема устройства, на фиг.2 показана схема размещения элементов, разупрочняющих и разрушающих забой скальных горных пород, на фиг.3 показана схема размещения на торцевой части цилиндрической коронке элементов разрушения забоя скважины, на фиг.4 показана общая схема самоходной буровой установки.
Устройство термомеханического бурения твердых горных пород 21 состоит из колонковой трубы 19, соединенной в верхней части с бурильной штангой 12, на которой установлены токосъемник 13 для подачи электроэнергии к электродам плазмотрона 18 и вертлюг 15 для подачи сжатого воздуха к коронке 2 в качестве очистного агента и охлаждения ее. Нижняя часть колонковой трубы 19 соединена с цилиндрической съемной коронкой 2, на которой установлены термостойкие резцы 17, при этом на наружной поверхности колонковой трубы 19 установлены система подачи водовоздушной смеси 1 и система подачи электроэнергии и плазмообразующей смеси газа и воды 4 в плазмотрон 18 и соединены в нижней части с цилиндрической коронкой 2, а в верхней части соединены с двумя емкостями 6 и 7 плазмообразующей смеси газа и воды.
Подача газа и воды в емкость 6, жестко закрепленную с бурильной штангой 12, вращающейся с колонковой трубой 19, осуществляется из емкости 7 через отверстия 10, и штуцера 8, 9, при этом плазмотроны 18 с электродами 20 и системой охлаждения 1 размещены на одной линии резания с интервалами не менее 200 мм между термостойкими резцами 17 и число интервалов пропорционально диаметру проектируемой скважины. При этом устройство 21 установлено на буровом станке 22 (фиг.4), оснащенном электродвигателем постоянного тока 23 и размещенном на платформе 24 самоходной буровой установке 25, с источником электроэнергией 25.
Устройство термомеханического бурения твердых горных пород работает следующим образом.
Собирается устройство 21, в состав которого входит колонковая труба 19 с бурильной штангой 12, на которой установлены токосъемник 13 для подачи электроэнергии к электродам 20 плазмотронов 18 и вертлюг 15 для подачи сжатого воздуха к коронке 2, оснащенной термостойкими резцами 17, система подачи водовоздушной смеси 1 и система подачи плазмообразующей смеси газа и воды 4 в плазмотрон 18 из емкости 6, вращающейся с колонковой трубой 19, и невращающейся емкости 7 посредством герметичных подшипников 11, штуцера 8, 9 для подвода газа и воды, буровой станок 22 с электродвигателем постоянного тока 23, установленные на платформе самоходной буровой установке 26 с источником электроэнергии 25. После постановки устройства на забой скважины буровым станком 22 к плазмотронам 18 и электродам 20 подается горючая газообразующая смесь из емкостей 6 и 7 по плазмообразующей системе 4. После подачи плазмообразующей смеси к электродам 20 плазмотронов 18 подается электроэнергия, плазмообразующая смесь воспламеняется, одновременно на торцевую часть забоя подается водовоздушная смесь из емкостей 6 и 7 по системе подачи водовоздушной смеси 1. При вращении устройства 21 буровым станком 22 с заданным числом оборотов и интенсивном воздействии плазменного факела на горную породу происходит нагрев ее до разупрочнения. Разупрочнение горной породы происходит за счет нагрева и термических напряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности и возникающих на границах зерен полиминеральных пород за счет различий в модулях упругости и коэффициентах объемного расширения, при этом разупрочненный приповерхностный слой породы свободно снимается термостойкими резцами 17, а продукты разрушения удаляются с забоя скважины сжатым воздухом, транспортируемым по вертлюгу 15, бурильной штанге 12 и колонковой трубе 19 на забой скважины, одновременно охлаждая плазмотроны 18.
Предложенное устройство может найти экономически целесообразное практическое применение для бурения твердых горных пород не только малых, но и больших диаметров скважин с выбуриванием гранитных валов, используемых в камнедобывающей и бумагоделательной промышленностях.
Высокая скорость при термомеханическом бурении существенно снижает материальные затраты, исключает при этом использование дорогостоящих алмазных буровых коронок.