СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ ТРЕЩИН
BOREHOLE DEVICE FOR GENERATING DIRECTED RUPTURES

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 скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2230185, кл. Е21В 43/26, Е21С 37/04, опубл. в БИ №16, 2004 г., включающее трубу, установленный на конце трубы распорный элемент, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно распорного элемента. Распорный элемент выполнен в виде витой пружины с контактирующими между собой витками, один конец которой соединен с трубой неподвижно. Часть витков пружины имеет диаметр, больший диаметра скважины.
Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не способно формировать трещины вдоль скважины. Оно имеет сравнительно высокую трудоемкость эксплуатации из-за необходимости его вкручивания в скважину на всю длину до забоя.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является распорное устройство по патенту РФ №2236585, кл. Е21С 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 при отделении горной породы от массива либо разрушения сравнительно больших блоков природного камня для роста начальной трещины, возникающей в результате распора стенок скважины (шпура), необходимо увеличивать усилие распора. Кроме этого, из-за удаления фронта растущей трещины от места приложения нагрузки (скважины) возникают изгибающие усилия, искривляющие ее поверхности, что в ряде случаев недопустимо, например при добыче блочного камня. Устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, обусловленную необходимостью изготовления множества полос, их укладки и надежного крепления на концах. В результате устройство оказывается сравнительно малоэффективным.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности устройства за счет распора не только стенок скважины, но и поверхностей формируемой трещины подачей в нее пластичного вещества под давлением, а также за счет увеличения надежности работы путем упрощения его конструкции.
Задача решается тем, что в скважинном устройстве для образования направленных трещин, включающем трубчатую оболочку, заполненную пластичным веществом, при этом в одном ее конце установлена заглушка, а на другой ее конец навинчен стакан, имеющий центральное отверстие с резьбой, куда ввинчен винт с рукояткой, согласно техническому решению 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.
Такое техническое решение обеспечивает после образования начальной трещины, обусловленной распором стенок скважины, нагнетание в формируемую трещину пластичного вещества. Происходит это из-за того, что продольные прорези трубчатой оболочки и трубки совпадают в плоскости формирования трещины, а эластичная оболочка разрывается при образовании начальной трещины. При этом площадь контакта пластичного вещества и разрушаемого объекта увеличивается, от чего возрастает усилие разрыва. Вместе с этим давление пластичного вещества, необходимое для поддержания процесса разрушения горной породы, падает с ростом трещины. Поэтому в отличие от прототипа момент вращения винта или усилие на его рукоятках снижается по мере разрушения объекта. Пластичное вещество проявляет свойство адаптирующегося к параметрам формируемой трещины клина. Фронт пластичного вещества следует за фронтом трещины, из-за чего изгибающие силы, способствующие искривлению ее поверхностей, практически не возникают. Несовпадение прорезей трубчатой оболочки и трубки в местах, через которые не проходит плоскость формирования трещины, обеспечивает возможность развития формируемой трещины только в заданной плоскости. Эластичная оболочка исключает попадание пластичного вещества в зазор между устройством и стенками скважины, из-за чего развитие естественных трещин, находящихся вне плоскости формирования трещины, становится практически невозможным. Выполнение трубчатой оболочки и трубки с продольными прорезями упрощает изготовление устройства из-за исключения операций по укладке полос внахлест и жесткого их крепления на концах, как это требуется в прототипе, а также уменьшает количество деталей (полос в прототипе больше двух), что упрощает конструкцию устройства. При этом за счет несовпадения прорезей трубчатой оболочки и трубки сохраняется способность раздвижения устройства и в тех местах, через которые не проходит плоскость формируемой трещины. Таким образом, благодаря подаче в формируемую трещину пластичного вещества под давлением и упрощению конструкции повышается эффективность устройства.
Целесообразно эластичную оболочку выполнить в виде липкой эластичной ленты, навитой на поверхность трубчатой оболочки. Это существенно упрощает ее замену после формирования трещины (для дальнейшей эксплуатации 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 - разрез А-А на фиг.1 после образования начальной трещины в увеличенном масштабе.
Скважинное устройство для образования направленных трещин (фиг.1, 2) состоит из трубчатой оболочки 1 (далее - трубы 1) с продольными прорезями 2 (далее - прорези 2), резьбой 3 на одном конце (фиг.1) и заглушкой 4 на другом конце. В трубе 1 установлена трубка 5 с продольными прорезями 6 (далее - прорези 6) таким образом, что прорези 2 трубы 1 и прорези 6 трубки 5 совпадают в плоскости формирования трещины и не совпадают в других местах. Трубка 5 заполнена пластичным веществом 7. На резьбу 3 навинчен стакан 8, имеющий центральное отверстие (на фиг.1 не показано) с резьбой 9, куда ввинчен винт 10 с рукояткой 11. На трубу 1 надета эластичная оболочка 12 (далее - оболочка 12). Устройство подано в скважину 13, в стенках которой образована начальная трещина 14 (фиг.2). Оболочка 12 выполнена в виде липкой эластичной ленты (на фиг.1 и 2 не показана), навитой на поверхность трубы 1.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство со стороны заглушки 4 подают в скважину 13 (фиг.1) до упора в забой. С помощью рукоятки 11 вращают винт 10 в направлении его вхождения в трубу 5. Винт 10 внедряется в пластичное вещество 7 и повышает в нем давление. Давление от пластичного вещества 7 передается через совпадающие прорези 2 и 6 и эластичную оболочку 12 стенкам скважины 13 по линии предполагаемого разрыва горной породы. Оно также воздействует на внутреннюю поверхность трубки 5, от чего она, труба 1 и оболочка 12 расширяются. При этом оболочка 12 прижимается к стенкам скважины 13 и герметизирует ее. В результате в стенках скважины 13 возникает неравномерное напряженное состояние горной породы. Максимальное напряжение концентрируется по линии совпадения прорезей 2 и 6 (по этой линии давление не расходуется на создание усилия для раздвижения трубы 1 и трубки 5). Дальнейшее повышение давления пластичного вещества 7 от внедрения в него винта 10 приводит к возникновению начальной трещины 14 (фиг.2) по линии совпадения прорезей 2 и 6. После этого пластичное вещество 7 прорывает оболочку 12, проникает в трещину 14 и развивает ее. Винт 10 вращают до образования трещины 14 нужных размеров либо разделения разрушаемого объекта на отдельные части. Затем устройство извлекают из скважины 13.
Основное преимущество предлагаемого устройства в сравнении с известными техническими решениями состоит в том, что после подачи его в скважину 13 выполняется только одна операция - вращение винта 10 рукояткой 11. При этом все необходимые условия для направленного разрушения горной породы (герметизация скважины 13, создание требуемого напряженного состояния в горной породе, снижение влияния изгибающих сил) выполняются автоматически. Отметим, что устройство легко механизировать, например, путем вращения винта 10 гайковертом.