УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Полезная модель относится к горнодобывающей промышленности, в частности касается устройств, предназначенных для подземной гидравлической разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Более конкретно, полезная модель может быть использована при скважинной гидродобыче твердых полезных ископаемых, когда твердое полезное ископаемое переводится на месте залегания в гидросмесь. Полезная модель, в частности, может быть использована при разработке глубокозалегающих слабосцементированных и самообрушающихся руд.
В основе принципа скважинной гидродобычи (СГД) сцементированных (связных) руд лежит применение гидравлической энергии, которая подводится через технологическую колонну добычной установки к продуктивному пласту и используется для разрушения горных пород в призабойной зоне, а также служит для приготовления гидросмеси (пульпы) и выдачи разрушенного материала на поверхность. Для добычи сцементированных руд были разработаны технические средства для принудительного их обрушения в условиях затопленных камер.
Устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых включает в себя в качестве основных узлов гидромониторные стволы и пульповыдачной механизм с подъемно-транспортной частью. Гидромониторный ствол является узлом устройства для СГД твердых полезных ископаемых, предназначенным для гидравлического разрушения пород с использованием высоконапорной струи рабочего агента. Характерной чертой гидромониторного ствола является использование специальной сменной насадки, которая предназначена для перевода материала продуктивного пласта в гидросмесь, и в которой потенциальная энергия избыточного давления воды в насадке преобразуется в кинетическую энергию струи, истекающей из насадки. Гидромониторная струя, попадая на забой, разрушает его и смешивает руду с водой, образуя пульпу. Для равномерной разработки пласта во всех направлениях гидромониторный ствол с насадкой может вращаться вокруг вертикальной оси устройства.
Анализ научно-технической и патентной документации позволяет сделать вывод о том, что известен ряд разнообразных конструкций гидродобычных устройств для СГД твердых полезных ископаемых (см., например RU, 2365755, RU, 2278975, RU, 1094964, RU, 1460278, US 3797590; US, 4035025; US, 3917326; US, 3951457). В целом, гидромониторные устройства для СГД - это устройства, состоящие из отдельных функциональных блоков, что позволяет их быстро трансформировать применительно к реальным горно-геологическим условиям отрабатываемых залежей. Основные конструктивные особенности известных устройств следующие. Они имеют, по крайней мере, два гидромониторных ствола. Один из них (центральный) обеспечивает процессы доизмельчения руды на осевом забое, пульпоприготовление и доставку пульпы к пульпо-приемной колонне. В известных устройствах гидромониторный ствол снабжается несколькими гидромониторными насадками или телескопически выдвигающимся патрубком с насадкой. Например, документ SU, 406014 раскрывает конструкцию гидромониторного устройства, содержащего центральную насадку и вращающийся вокруг конца ствола корпус с боковыми насадками.
Патент RU, 2294435 раскрывает конструкцию гидромониторного устройства, содержащего серию гидромониторных насадок, одна из которых размещена по центральной оси (центральная насадка), а три другие - на дополнительном гидромониторном стволе. Наличие в известном устройстве серии гидромониторных насадок приводит к усложнению конструкции устройства, нерациональному расходу энергии рабочего агента на потери напора во внутренних клапанах и дополнительных насадках, что с одной стороны приводит к большим неоправданным затратам на изготовление и регулировку устройства, а с другой - снижает эффективность разрушения руды в забое при уменьшении энергии струи.
По этой причине решается задача разработки такой конструкции устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, которая позволила бы повысить эффективность использования энергии рабочего агента путем уменьшения гидравлических потерь давления рабочего агента, а также снизить стоимость изготовления устройства и повысить его надежность. Решается также проблема снижения потерь напора рабочего агента в запорных клапанах.
Поставленная задача реализуется тем, что устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых содержит два гидромеханически связанных блока, где первый блок включает пульповыдачную колонну, внутри которой расположена верхняя секция напорной колонны, при этом нижняя секция напорной колонны жестко соединена с пульпоприемной колонной, имеющей с пульповыдачной колонной телескопическое соединение, а второй блок включает два гидромеханически связанных гидромониторных ствола и два шарнирных цилиндрических механизма, при этом первый гидромониторный ствол соединен соосно с нижней секцией напорной колонны с помощью первого шарнирного цилиндрического механизма, а второй гидромониторный ствол соединен с первым гидромониторным стволом со смещением относительно оси первого ствола с помощью второго шарнирного цилиндрического механизма с осью вращения, перпендикулярной оси вращения первого шарнирного механизма, при этом ось второго ствола перпендикулярна оси вращения второго шарнирного механизма, кроме того, каждый гидромониторный ствол снабжен одной насадкой.
Целесообразно, что каждый шарнирный цилиндрический механизм имеет сквозной канал для прохода рабочего агента, а каждый гидромониторный ствол снабжен запорным гидравлически управляемым клапаном с регулирующим механизмом, установленным снаружи ствола, при этом клапан первого гидромониторного ствола выполнен нормально открытым, а клапан второго гидромониторного ствола выполнен нормально закрытым.
Кроме того, первый шарнирный цилиндрический механизм имеет в своем составе фрикционную шайбу с регулируемым пружинным механизмом поджатия, обеспечивающую изменение момента сопротивления вращению гидромониторного блока на шарнире в зависимости от степени сжатия пружины.
Предпочтительно, что на первом гидромониторном стволе установлен механический ограничитель угла поворота второго гидромониторного ствола, закрепленного на втором шарнирном цилиндрическом механизме, а угол поворота второго гидромониторного ствола в плоскости, перпендикулярной оси вращения второго шарнирного цилиндрического механизма, не превышает 100° относительно вертикальной оси устройства.
При этом второй гидромониторный ствол снабжен одной насадкой, установленной под острым углом к оси второго гидромониторного ствола в осевой плоскости ствола, а внутренний диаметр насадки второго гидромониторного ствола больше внутреннего диаметра насадки первого гидромониторного ствола не менее чем в 1,5 раза.
Сущность полезной модели поясняется неограничивающими примерами ее реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - изображает общий вид устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, согласно данной полезной модели.
фиг.2 - изображает вид вертикального сечения устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, согласно данной полезной модели, по шарнирным цилиндрическим механизмам.
Фиг.1 изображает общий вид устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, содержащий как нижние секции узлов первого блока (далее условно называемый «напорно-подъемный»), так и второй блок (далее условно называемый «гидромониторный») в рабочем положении при повернутом втором гидромониторном стволе на угол 90° относительно вертикальной оси устройства. Верхняя секция первого блока на фиг.1 не показана.
Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1 - пульповыдачная колонна; 2 - пульпоприемная колонна; 3 - входные отверстия; 4 - нижняя секция напорной колонны; 5 - первый гидромониторный ствол; 6 - второй гидромониторный ствол; 7 - шарнирный цилиндрический механизм с вертикальной осью вращения; 8 - фрикционная шайба; 9 - шарнирный цилиндрический механизм с горизонтальной осью вращения; 10 - ограничитель; 11 - запорный гидравлически управляемый клапан второго гидромониторного ствола; 12 - насадка первого гидромониторного ствола; 13 - насадка второго гидромониторного ствола; 14 - запорный гидравлически управляемый клапан первого гидромониторного ствола.
Сущность полезной модели состоит в том, что она содержит два гидромеханически связанных блока, первый из которых (напорно-подъемный) включает пульповыдачную, напорную и пульпоприемную колонны. Второй блок устройства (гидромониторный) включает два гидромеханически связанных гидромониторных ствола со сменными насадками, оборудованные гидравлически управляемыми запорными клапанами, и два шарнирных цилиндрических механизма, один из которых обеспечивает вращение гидромониторного блока вокруг вертикальной оси, а второй обеспечивает поворот второго гидромониторного ствола в плоскости, перпендикулярной оси вращения второго шарнирного механизма на угол, не более 100° относительно вертикальной оси устройства.
Устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, согласно данной полезной модели, работает следующим образом.
Пульповыдачную колонну 1 устанавливают в добычной скважине над кровлей продуктивного горизонта. Внутрь пульповыдачной колонны 1 (см. фиг.1) в скважину опускают напорную колонну, при этом нижняя секция напорной колонны 4, жестко соединенная с пульпоприемной колонной 2, выдвигается из пульповыдачной колонны 1 на всю мощность отрабатываемого рудного горизонта таким образом, чтобы гидромониторный блок находился в очистной камере скважины. Верхняя секция напорной колонны (на чертеже не показана) на поверхности соединена с манифольдом добычной установки. Напорная колонна предназначена для подачи рабочего агента под высоким давлением на гидромониторный блок. Пульпоприемная колонна 2 служит для всасывания через входные отверстия 3 гидросмеси, образующейся в очистной выемке скважины в процессе гидродобычи, и подъема гидросмеси до пульповыдачной колонны 1. Затем гидросмесь по пульповыдачной колонне 1 поднимается на поверхность эрлифтом.
Первый гидромониторный ствол 5 (так называемый «центральный» ствол) предназначен для формирования направленной гидромониторной струи, необходимой для доизмельчения рудной массы на забое очистной камеры, приготовления гидросмеси и отрыву ее от забоя камеры. Первый гидромониторный ствол 5 имеет одну насадку 12, установленную соосно данному стволу 5, имеющую внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра насадки 13 второго гидромониторного ствола 6 не менее чем в 1,5 раза. Насадки 12 и 13 являются сменными, так что в устройстве для скважинной гидродобычи могут использоваться насадки разного диаметра и разной формы в зависимости от требуемых условий технологического процесса.
Второй гидромониторный ствол 6 (так называемый «боковой» ствол) предназначен для формирования направленной гидромониторной струи, необходимой для отбойки руды в стенках камеры, а также для транспортирования отбитой руды к центральному забою. Вывод второго гидромониторного ствола 6 в рабочее положение до ограничителя 10 обеспечивается шарнирным цилиндрическим механизмом с горизонтальной осью вращения 9 за счет тангенциальной составляющей реактивной силы струи, истекающей из насадки 13 второго гидромониторного ствола 6 (см. фиг.2).
Сменная насадка 13 второго гидромониторного ствола 6 установлена под острым углом к оси данного гидромониторного ствола в осевой вертикальной плоскости. Второй гидромониторный ствол 6 при расширении камеры может быть удлинен за счет вставок необходимой длины.
Вращение гидромониторного блока на шарнирном цилиндрическом механизме с вертикальной осью вращения 7 обеспечивается за счет радиальной составляющей реактивной силы струи, истекающей из насадки 13 второго гидромониторного ствола 6, создающей крутящий момент на блоке гидромониторов за счет смещения второго гидромониторного ствола 6 относительно первого гидромониторного ствола 5. Частота вращения гидромониторного блока изменяется в зависимости от скорости и массы истекающей струи из насадки 13 и момента сопротивления вращению на шарнирном механизме с вертикальной осью вращения 7.
В свою очередь шарнирный цилиндрический механизм с вертикальной осью вращения 7 имеет сквозной канал для прохода рабочего агента и снабжен фрикционной шайбой 8 с регулируемым пружинным механизмом поджатия (см. фиг.2), обеспечивающей изменение момента сопротивления вращению гидромониторного блока на шарнире в зависимости от степени сжатия пружины.
Шарнирный цилиндрический механизм с горизонтальной осью вращения 9 также имеет сквозной канал для прохода рабочего агента и обеспечивает поворот второго гидромониторного ствола 6 на угол не более чем 100° в плоскости, перпендикулярной оси вращения упомянутого шарнирного цилиндрического механизма относительно вертикальной оси устройства. Кроме того, на первом гидромониторном стволе 5 установлен механический ограничитель угла поворота второго гидромониторного ствола, закрепленный на шарнирном цилиндрическом механизме с горизонтальной осью вращения 9.
Дистанционное управление работой гидромониторного блока в очистной камере скважины осуществляется с помощью запорных гидравлически управляемых клапанов 11 и 14, каждый из которых снабжен регулирующим механизмом, реагирующим на изменение гидравлического давления в гидромониторном блоке. При этом регулирующий механизм пружинного типа вынесен за пределы канала ствола, что уменьшает гидравлические потери давления рабочего агента, подаваемого к насадке ствола.
Запорный гидравлически управляемый клапан 14 первого (центрального) гидромониторного ствола нормально открыт для прохода рабочего агента, а запорный гидравлически управляемый клапан 11 второго (бокового) гидромониторного ствола 6 нормально закрыт, что позволяет организовать последовательный технологический процесс в очистной камере скважины, начиная при малом давлении рабочего агента в гидромониторном блоке очистку забоя с использованием одного - первого гидромониторного ствола 5. Затем, повышая давление до величины, превышающей пороговое значение, соответствующее установкам регулирующего механизма запорного гидравлически управляемого клапана 11 второго ствола, открывают упомянутый клапан 11 и начинают одновременную отбойку руды со стенок скважины-камеры вторым гидромониторным стволом 6. При необходимости, увеличивая подачу рабочего агента и повышая гидравлическое давление в гидромониторном блоке, можно закрыть запорный гидравлически управляемый клапан 14 первого ствола и производить только отбойку руды со стенок скважины вторым гидромониторным стволом 6. Уменьшая давление в гидромониторном блоке можно вернуть гидромониторный блок в любое предыдущее рабочее положение в соответствии с ходом процесса гидродобычи.
Данная полезная модель улучшенные эксплуатационные характеристики за счет уменьшения общего количества гидромониторных насадок при одновременном обеспечении необходимых функциональных возможностей устройства; упрощения конструкций гидромониторных стволов; рационального режима управления работой устройства в скважине; а также позволяет снизить эксплуатационные затраты на добычу полезного ископаемого за счет упрощения конструкции устройства и повышения надежности его работы.