УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДАХ

Полезная модель относится к горному делу, в частности к области буровзрывных работ, а именно к устройствам для рассредоточения заряда взрывчатого вещества воздушными промежутками, и может быть использована в различных отраслях промышленности, применяющих взрывные работы в массивах горных пород.
Известно, что изменяя конструкцию скважинного заряда, можно регулировать степень дробления породы, при этом рассредоточение заряда способствует более качественному ее дроблению. В настоящее время наиболее распространенными материалами для рассредоточения заряда являются воздух, вода и порода. На практике наиболее эффективным является рассредоточение зарядов путем создания воздушных промежутков. Воздушные промежутки изменяют характер взрыва, позволяют избежать излишнего измельчения породы. Создавая воздушные промежутки, можно снизить плотность применяемых взрывчатых веществ, пиковое давление взрыва на границах заряда, тем самым избежать излишнего измельчения породы. Несмотря на обилие конструкций устройств для создания воздушных промежутков в скважинных зарядах, большинство из них имеет ряд недостатков, в частности неточность сопряжения устройства и диаметра скважины, в результате чего взрывчатое вещество частично или полностью заполняет создаваемый воздушный промежуток, что ведет к перерасходу взрывчатого вещества. Поэтому актуальной остается задача разработки устройства для создания воздушных промежутков в скважинных зарядах, конструкция которого направлена на устранение указанных недостатков.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является устройство для создания воздушных промежутков в скважинных зарядах, описанное в патенте Казахстана № 1890, содержащее скважинный клапан, состоящий из конусообразного гибкого элемента, разделенного радиальными разрезами на лепестки, имеющие по меньшей мере одно радиальное ребро жесткости, кольцевого жесткого основания, сопряженного с гибким элементом, при этом радиальное ребро жесткости лепестка проходит от кромки лепестка до места соединения гибкого элемента с основанием, и втулки, выполненной на жестком основании, держатель клапана, на одном конце которого выполнен замок для его фиксации внутри канала втулки, и опору, выполненную с возможностью крепления ко второму концу  держателя.
К недостаткам вышеописанного решения можно отнести возможность деформирования клапана и просыпания взрывчатого вещества через разрезы в воздушный промежуток, что снижает эффективность взрыва.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка устройства для создания воздушных промежутков в скважинных зарядах, конструкция которого позволит обеспечить реализацию технического результата, заключающегося в свободном прохождении устройства в вертикальные и наклонные скважины, а также в скважины малых диаметров, что, в свою очередь, обеспечит полное (герметичное) перекрытие ствола скважины, т.е. надежное разделение заряда взрывчатого вещества и создаваемого устройством воздушного промежутка, и, таким образом, улучшение эффективности взрывания, а также расширение области применения устройства.
Поставленная задача решается тем, что разработано устройство для создания воздушных промежутков в скважинных зарядах, содержащее скважинный клапан, состоящий из конусообразного гибкого элемента, разделенного радиальными разрезами на лепестки, имеющие по меньшей мере одно радиальное ребро жесткости, кольцевого жесткого основания, сопряженного с гибким элементом, при этом радиальное ребро жесткости лепестка проходит от кромки лепестка до места соединения гибкого элемента с основанием, и втулки, выполненной на жестком основании, держатель клапана, на одном конце которого выполнен замок для его фиксации внутри канала втулки, и опору, выполненную с возможностью крепления ко второму концу  держателя, при этом радиальное ребро жесткости лепестка имеет дугообразную форму и выполнено на внешней поверхности лепестка.
Выполнение ребер жесткости лепестка дугообразными и выполненными на внешней поверхности лепестка позволяет не терять лепесткам гибкость, при этом обеспечивается необходимая жесткость, которая позволяет поддерживать конусообразную форму гибкого элемента, и, таким образом, позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в полном перекрытии ствола скважины даже при уменьшении её диаметра, т.е. надежное разделение заряда взрывчатого вещества и создаваемого устройством воздушного промежутка, и, таким образом, улучшение эффективности взрывания, а также расширение области применения устройства (например, заявляемое устройство может применяться для диаметров скважин, находящихся в диапазоне от 0,155 до 0,26 м). Внешняя поверхность лепестка – это поверхность, обращенная к стволу скважины, а внутренняя поверхность лепестка – поверхность, обращенная к втулке.
Предпочтительно радиальные разрезы имеют дугообразную форму. Таким образом, при опускании устройства в скважину лепестки гибкого элемента накладываются друг на друга внахлест, и клапан принимает правильную форму, которая позволяет лепесткам плотно прилегать к стенкам скважины, тем самым обеспечивая еще более надежное и герметичное перекрытие ствола скважины для предотвращения просыпания взрывчатого вещества и обеспечения наличия воздушных промежутков, необходимых для эффективного взрывания скважинных зарядов. Предпочтительно количество радиальных разрезов находится в диапазоне 6 - 8 штук.
Предпочтительно лепесток имеет по меньшей мере три радиальных ребра жесткости. Указанное количество ребер жесткости, а также их форма обеспечивают изделию наиболее оптимальную жесткость и защиту от нежелательного изгиба гибкого элемента в обратную сторону. Также предпочтительно толщина ребер жесткости составляет 0,001 - 0.0015 м по всей их длине.
В еще одном предпочтительном варианте реализации заявляемой полезной модели соотношение ширины жесткого основания (b) к ширине гибкого элемента (a) находится в диапазоне 1/6 – 1/2. Под шириной гибкого элемента (a) в данном случае понимаем расстояние от кромки лепестка до места соединения с жестким основанием, а под шириной жесткого основания (b) – расстояние от места соединения с гибким элементом до места соединения с втулкой. Данное соотношение является оптимальным для поддержания правильной формы клапана. Существует возможность регулирования ширины гибкого элемента для использования устройства для скважин разного диаметра, при этом при сохранении данного соотношения надежность защиты конструкции от нежелательного изгиба будет сохранена. Ширина гибкого элемента регулируется при необходимости обрезным станком.
Целесообразна такая реализация держателя, при которой он выполнен в виде полого цилиндра. При данной реализации держателя крепление к клапану через втулку происходит путем насаживания клапана на держатель со стороны внешней поверхности жесткого основания и защелкивания замка держателя внутри канала втулки.
В одном из предпочтительных вариантов реализации заявляемой полезной модели держатель выполнен в виде полого цилиндра с закрепленной гибкой подвеской на свободном конце. При данной реализации держателя крепление к клапану через втулку происходит путем насаживания клапана на держатель со стороны внутренней поверхности жесткого основания и защелкивания замка держателя внутри канала втулки.
Предпочтительно на свободном конце держателя выполнена по меньшей мере одна пара сквозных отверстий. Указанные отверстия используют для крепления гибкой подвески к держателю.
Целесообразным является выполнение гибкой подвески из полиамидной нити. Полиамидная (капроновая) нить характеризуется достаточно высокой прочностью и является оптимальной для выполнения функции подвески для держателя.
В другом предпочтительном варианте реализации заявляемой полезной модели опора выполнена съемной. Выполнение опоры съемной позволяет выбрать наиболее подходящую ее конструкцию в соответствии с типом скважины, в которой будет устанавливаться устройство, при этом такое устройство занимает меньше места при его транспортировке.
Также целесообразным является выполнение опоры в виде полого цилиндра с намоткой в по меньшей мере центральной части. Полый цилиндр является удобным элементом для установки на устье скважины и конструктивно подходит для варианта реализации держателя с гибкой подвеской. Намотка на опоре позволяет увеличить глубину, на которую может быть опущено устройство, в случае, если длины гибкой подвески недостаточно для опускания заряда на необходимую глубину.
Предпочтительно намотка выполнена из полиамидной нити.
Также предпочтительно выполнение гибкой подвески из пары полиамидных нитей, при этом каждая нить крепится к одному из концов полого цилиндра, расположенного на устье скважины, что создает дополнительную центровку устройства в скважине, препятствуя переворачиванию устройства, и позволяет устройству надежно перекрывать ствол скважины.
Предпочтительным также является выполнение опоры в виде элемента с круглым основанием, содержащим в центральной части цилиндрический элемент крепления к держателю. При этом диаметр цилиндрического элемента соответствует диаметру держателя таким образом, чтобы его крепление к держателю было надежным и исключало самопроизвольное выпадение из держателя.
Предпочтительно диаметр круглого основания находится в диапазоне 0,03 – 0,07 м.
Целесообразно выполнение на круглом основании радиальных вырезов трапециевидной формы.
При этом вырезы выполнены таким образом, что меньшее основание трапеции расположено ближе к центру круглого основания, а именно – ближе к цилиндрическому элементу, а большее основание трапеции – ближе к кромке круглого основания. Наличие таких вырезов позволяет при опускании опоры до упора в слой взрывчатого вещества обеспечить устройству оптимальную устойчивость. Это обуславливается тем, что при установке устройства под давлением собственного веса устройства опора погрузится на некоторую глубину в слой взрывчатого вещества, и небольшая часть взрывчатого вещества будет выступать через вырезы, тем самым позволяя опоре разместиться во взрывчатом веществе как можно надежнее. Помимо этого, такое выполнение круглого основания опоры позволяет применять устройство в слабо обводненных скважинах.
Целесообразным является выполнение клапана в виде усеченного конуса, сужающегося в направлении дна скважины. Данная форма является наиболее подходящей для размещения в скважинах, так как расширение клапана в направлении от дна скважины обеспечивает наиболее полное прилегание его к стенкам скважины и тем самым не дает заряду просыпаться в воздушный промежуток.
Предпочтительно клапан выполнен из гибкого материала, что позволяет наиболее плотно и надежно прилегать клапану к стенке скважины и предотвращает просыпание заряда взрывчатого вещества в воздушный промежуток.
В одном из предпочтительных вариантов реализации заявляемой полезной модели втулка выполнена в форме усеченного конуса, расширяющегося в направлении дна скважины. Встречная конусность втулки и клапана придает дополнительную гибкость устройству.
В другом предпочтительном варианте реализации заявляемой полезной модели значение угла, под которым пересекаются плоскости, в которых лежат соседние ребра жесткости лепестка, и плоскости, в которых лежит ребро жесткости лепестка и радиальный разрез, находится в диапазоне 25°-35°.
Предпочтительно значение длины радиальных разрезов находится в диапазоне 0,05 – 0,08 мм.
Предпочтительно значение длины радиальных дуг разрезов находится в диапазоне 0,05 – 0,08 мм.
В одном из предпочтительных вариантов реализации заявляемой полезной модели значение внутреннего диаметра втулки находится в диапазоне0,03 – 0,07 м.
В еще одном предпочтительном варианте реализации заявляемой полезной модели значение внешнего диаметра втулки находится в диапазоне 0,04 – 0,08 м.
В другом предпочтительном варианте реализации заявляемой полезной модели значение диаметра жесткого основания находится в диапазоне0,08 – 0,11 м.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью следующих графических материалов.
Фиг. 1 – общий вид устройства в собранном виде (вариант 1).
Фиг. 2 – общий вид устройства в собранном виде (вариант 2).
Фиг. 3 – вид сверху клапана.
Фиг. 4 – поперечный разрез клапана.
Фиг. 5 – вид снизу клапана.
Фиг. 6 – общий вид клапана.
Фиг. 7 – общий вид держателя (согласно варианту 1 устройства).
Фиг. 8 – общий вид держателя (согласно варианту 2 устройства).
Фиг. 9 – общий вид опоры (согласно варианту 2 устройства).
Фиг. 10 – вид сверху опоры (вариант 1) (согласно варианту 2 устройства).
Фиг. 11 – вид сверху опоры (вариант 2) (согласно варианту 2 устройства).
На фиг. 1 представлен общий вид устройства в собранном виде (вариант 1), содержащего скважинный клапан 1, состоящий из конусообразного гибкого элемента 2, разделенного радиальными разрезами 3 дугообразной формы на лепестки 4, имеющие радиальные ребра 5 жесткости, выполненные на внешней поверхности лепестка 4, кольцевого жесткого основания (на фиг. не показано) и втулки 6; держатель 7 клапана 1 в виде полого цилиндра с закрепленной гибкой подвеской 8 и опору 9, выполненную в виде полого цилиндра с намоткой 10.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства в собранном виде (вариант 2), содержащего скважинный клапан 1, состоящий из конусообразного гибкого элемента 2, разделенного радиальными разрезами 3 дугообразной формы на лепестки 4, имеющие радиальные ребра 5 жесткости, выполненные на внешней поверхности лепестка 4, кольцевого жесткого основания (на фиг. не показано) и втулки 6; держатель 7 клапана 1 в виде полого цилиндра и опору 9 в виде элемента с круглым основанием 11.
На фиг. 3 представлен вид сверху клапана 1, состоящего из конусообразного гибкого элемента 2, разделенного радиальными разрезами 3 дугообразной формы на лепестки 4, кольцевого жесткого основания 12, сопряженного с гибким элементом 2, и втулки 6, выполненной на жестком основании 12. При этом a – ширина гибкого элемента 2, а b – ширина жесткого основания 12.
На фиг. 4 представлен поперечный разрез клапана 1, состоящего из конусообразного гибкого элемента 2 с радиальными разрезами 3 дугообразной формы и втулки 6, выполненной на жестком основании 12.
На фиг. 5 представлен вид снизу клапана 1, состоящего из конусообразного гибкого элемента 2, разделенного радиальными разрезами 3 дугообразной формы на лепестки 4, кольцевого жесткого основания 12, сопряженного с гибким элементом 2, и втулки 6, выполненной на жестком основании 12. Лепесток 4 имеет радиальные ребра жесткости 5 дугообразной формы, выполненные на внешней поверхности лепестка 4 и проходящие от кромки лепестка 4 до места соединения гибкого элемента 2 с основанием 12.
На фиг. 6 представлен общий вид клапана 1, состоящего из конусообразного гибкого элемента 2 с радиальными разрезами 3 дугообразной формы и радиальными ребрами 5 жесткости дугообразной формы, выполненными на внешней поверхности лепестка 4, и втулки 6, выполненной на жестком основании 12 (на фигуре не показано).
На фиг. 7 представлен общий вид держателя 7 (вариант 1), на одном конце которого выполнен замок 13 для его фиксации внутри канала втулки 6, а на свободном конце выполнена пара сквозных отверстий 14.
На фиг. 8 представлен общий вид держателя 7 (вариант 2), на одном конце которого выполнен замок 13 для его фиксации внутри канала втулки 6, а свободный конец предназначен для крепления к опоре 9.
На фиг. 9 представлен общий вид опоры 9 (согласно варианту 2 устройства), выполненной в виде элемента с круглым основанием 11, содержащего в центральной части цилиндрический элемент крепления 15 к держателю 7.
На фиг. 10 представлен вид сверху опоры 9 (вариант 1) (согласно варианту 2 устройства), выполненной в виде элемента с круглым основанием 11, содержащего в центральной части цилиндрический элемент крепления 15 к держателю 7.
На фиг. 11 представлен вид сверху опоры 9 (вариант 2) (согласно варианту 2 устройства), выполненной в виде элемента с круглым основанием 11, содержащего в центральной части цилиндрический элемент крепления 15 к держателю 7. При этом на круглом основании 11 выполнены радиальные вырезы 16 трапециевидной формы.
Заявляемая полезная модель реализуется следующим образом.
В первую очередь в нижней части скважины размещают необходимое по проекту количество взрывчатого вещества, а затем опускают в скважину устройство для создания воздушных промежутков. В случае если устройство имеет держатель 7 клапана 1 в виде полого цилиндра и опору 9 в виде элемента с круглым основанием 11, то его опускают до упора опоры 9 в слой взрывчатого вещества. Опору 9 в виде элемента с круглым основанием с трапециевидными радиальными вырезами 16 используют в случае применения устройства в слабо обводненных скважинах. В случае если используют держатель 7 в виде полого цилиндра с закрепленной гибкой подвеской 8, выполненной в виде пары полиамидных нитей, скважинный клапан 1 опускают на расчетную глубину, после чего другие концы гибкой подвески 8 прикрепляют к установленной на устье скважины опоре 9, выполненной в виде полого цилиндра с намоткой 10.
После установки в скважине заявляемого устройства снова подают взрывчатое вещество. Под действием потока падающей массы взрывчатого вещества конусообразный гибкий элемент 2 раскрывается за счет разрезов 3 дугообразной формы и/или запаса поверхности и перекрывает скважину. Ребра жесткости 5 дугообразной формы, проходящие от кромки лепестка до места соединения гибкого элемента 2 с основанием 12, обеспечивают сохранение формы клапана 1. Обеспечение воздушного промежутка также осуществляют регулированием ширины гибкого элемента 2 в соответствии с диаметром скважины.
Таким образом, разработано устройство для создания воздушных промежутков в скважинных зарядах, конструкция которого обеспечивает реализацию технического результата, заключающегося в свободном прохождении устройства в вертикальные и наклонные скважины, а также в скважины малых диаметров, что, в свою очередь, обеспечивает полное (герметичное) перекрытие ствола скважины, т.е. надежное разделение заряда взрывчатого вещества и создаваемого устройством воздушного промежутка, и, таким образом, улучшение эффективности взрывания, а также расширение области применения устройства.