УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯЖАНИЯ ВОССТАЮЩИХ СКВАЖИН И СПОСОБ ЗАРЯЖАНИЯ
DEVICE FOR CHARGING RISING WELLS AND METHOD OF CHARGING

Изобретение относится к области горного дела и строительства, в частности к способам заряжания восстающих скважин водосодержащими взрывчатым веществом (ВсВВ) и может использоваться при ведении буровзрывных работ (БВР) в подземных условиях.
Известен способ заряжания обводненных восходящих скважин по патенту РФ на изобретение №2362970 (приоритет 13.02.2008 г., МПК F42D 1/08 (2006.01), опубл. 27.07.2009 Бюл. №21, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Научно-техническая фирма "ВЗРЫВТЕХНОЛОГИЯ" (RU)), включающий подачу полимерной оболочки в скважину и ее фиксацию, подачу взрывчатого вещества. При реализации способа применяется стопорный элемент диаметром больше диаметра скважины, выполненный в виде упругого диска или упругих пластин, диаметр описанной окружности которых больше диаметра скважины, который прочно скрепляется с «чубом» водонепроницаемого полимерного рукава диаметром больше диаметра скважины и длиной не менее глубины скважины. Зарядный шланг со средством взрывания на его конце вставляется внутрь водонепроницаемого полимерного рукава, подготовленная таким образом сборка доставляется к забою скважины и фиксируется стопорным элементом, взрывчатое вещество подается от забоя скважины по зарядному шлангу пневматическим способом.
Недостатком известного способа заряжания восстающих является низкая надежность заряжания, обусловленная тем, что в производственных условиях при пневматическом заряжании происходит высыпание ВВ из восстающей скважины, в результате чего в процессе заряжания трудноосуществим контроль плотности заряжания. Кроме этого, известный способ применяется для зарядки гранулированных ВВ, заряжание ВсВВ данным способом не предусмотрено.
Известен способ заряжания восстающих взрывных скважин (патент РФ на ИЗ №2607483, приоритет 18.12.2015 г., МПК F42D 1/08 (2006.01), E21F 16/00 (2006.01), E02D 19/06 (2006.01), опубл. 10.01.2017 г., БИ №1, патентообладатель Добрынин Александр Артурович (RU)), включающий расположение боевика в верхней части скважины с последующим заполнением скважины ВВ и формированием, или нет, забойки ниже ВВ. В верхней части скважины над боевиком создается дренажная полость, путем расположения в скважине заглушки с дренажной трубкой, при этом нижний конец трубки, после формирования заряда, располагается ниже заряда.
Недостатком известного способа заряжания восстающих является низкая надежность заряжания, обусловленная тем, что дренажная полость создаются только в верхней части скважины над боевиком, путем расположения в скважине заглушки с дренажной трубкой, но в основном дренирование воды в скважину осуществляется со стенок по всей ее длине. Даже при условии образования депрессионной кривой поверхности между верхними частями (дренажными полостями) скважин значительная часть воды будет поступать через ее стенки. Также применение дополнительных одноразовых элементов устройства увеличивает стоимость проведения взрывных работ.
Известно устройство для заряжания восходящих скважин эмульсионными ВВ (ЭВВ) (патент РФ на ПМ №127897, приоритет 10.12.2012 г., МПК F42D 1/08 (2006.01), опубл. 10.05.2013 г. БИ №13), реализующее способ, включающий размещение промежуточного детонатора со средствами инициирования в скважине при помощи жесткой трубки малого диаметра, установку цилиндрического запорного элемента, вклиненного в устье скважины, имеющего продольные сквозные каналы для подачи взрывчатого вещества, отвода сжатого воздуха из заполняемой скважины и вывода линейных средств инициирования. Запорный элемент дополнительно оснащен контейнером с размещенным в нем изолирующим полимерным рукавом в гофрированном состоянии и снабженным трубкой подачи сжатого воздуха для развертывания изолирующего полимерного рукава выворачиванием по длине скважины, и напорной камерой подачи эмульсионного взрывчатого вещества с шаровым клапаном и ответным узлом для быстросъемного соединения с зарядным шлангом подачи эмульсионного взрывчатого вещества. При этом диаметр контейнера с размещенным в нем изолирующим полимерным рукавом меньше диаметра скважины, а диаметр изолирующего полимерного рукава на 10-15% превышает диаметр скважины.
Недостатком при использовании известного устройства, реализующего способ заряжания восстающих скважин, является низкая надежность заряжания, обусловленная тем, что при заряжании глубоких скважин возможен дифферент плотности заряжаемого ЭВВ в результате которого процесс детонации может быть нестабильным. Устройство является одноразовым. Кроме этого, выпрямление рукава на всю длину при помощи сжатого воздуха может быть неосуществимо из-за прорывав связи с неровностью стенок скважины. Также при формировании колонки заряда снизу-вверх путем нагнетания ЭВВ в скважину образуется выталкивающая сила, направленная в сторону запорного элемента, что требует дополнительного его закрепления в устье скважины. Это потребует переустановки устройства и приведет к увеличению трудоемкости работ и себестоимости производства БВР.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению в части способа является способ заряжания восстающих скважин при помощи рукава для патрона взрывчатого вещества, реализуемый при работе устройства по патенту РФ на ПМ №154389 (приоритет 05.05.2015, МПК F42D 1/10 (2006.01), опубл. 20.08.2015 БИ №23, патентообладатель ИП Маслов Илья Юрьевич (RU)), заключающийся в подаче в скважину зарядного шланга с водонепроницаемой и герметичной с одного конца трубообразной оболочки с размещением внутри нее промежуточного детонатора со средством инициирования и шланга от зарядного устройства, подающего в оболочку промышленные ВВ для образования патрона взрывчатого вещества, при этом заполнение рукава промышленным ВВ осуществляется по мере извлечения зарядного шланга из заряжаемой скважины с заданной скоростью при помощи специального зарядного оборудования.
Недостатком данного способа заряжания восстающих скважин является низкая надежность заряжания, обусловленная тем, что  равномерность заряжания при формировании колонки заряда ВВ, влияющая на стабильное протекание детонации по всей его длине, зависит от количества подаваемого ВВ и скорости извлечения зарядного шланга из заряжаемой скважины, при этом количество подаваемого ВВ за единицу времени должно соответствовать скорости формирования колонки восстающего скважинного заряда ВВ с заданной плотностью, что реализовать в промышленных условиях весьма проблематично. Кроме этого, сложность исполнения данного рукава, высокие требования к материалу и одноразовое использование данного устройства характеризуют его высокую стоимость, что в свою очередь повышает себестоимость БВР.
Наиболее близким техническим решением в части устройства является устройство для заполнения скважины суспензионной или пластичной массой по патенту US 3541797 (приоритет 26.08.1968, опубл. 24.11.1970, патентообладатель AFRICAN EXPLOSIVES AND CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED), которое содержит трубчатый элемент, имеющий открытое отверстие с входным отверстием для подачи указанной массы и выходным отверстием на его противоположном конце, по меньшей мере, один плоский гибкий кольцевой элемент, смонтированный на трубчатом элементе, размером больше, чем скважина и приспособленный для непрерывного кругового контакта с указанной скважиной, указанный элемент отгибается назад при контакте со скважиной, когда указанный элемент перемещается в указанное отверстие и выходит из него, причем указанный элемент служит в качестве барьера для массы, загружаемой в указанную скважину через указанное выходное отверстие так, что указанный трубчатый элемент перемещается из указанной скважины под воздействием указанной выгруженной массы на указанный элемент при заполнения скважины и гибкого шланга, соединяющего впускной конец трубчатого элемента для подачи средства загрузки суспензионной или пластичной массы.
Недостатком данного устройства является низкая надежность заряжания, обусловленная тем, что нет возможности регулирования распирания устройства в направлении, перпендикулярном оси скважины, которое обеспечивает необходимую плотность заряжания влияющую на стабильное протекание детонации по всей длине заряда. Кроме того, устройство не содержит элемента, удерживающего ВсВВ в полости восстающей скважине после его заряжания, что не обеспечивает препятствие вытеканию ВсВВ из восстающей скважины. Также, с учетом высокой вязкости ВсВВ, возможно его налипание на устройство, что понижает производительность труда.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение равномерности формирования колонки заряда с заданной плотностью заряжания и удержания ВсВВ в полости восстающей скважины, что приводит к повышению качества заряжания восходящей скважины и увеличению производительности труда.
Технический результат достигается за счет того, что в способ заряжания восстающих скважин, включающем введение в скважину при помощи зарядного шланга зарядного приспособления с промежуточным детонатором, подсоединенным к средству инициирования, подачу ВсВВ или его компонентов с одновременным перемещением зарядного шланга, удержание ВсВВ, предварительно определяют параметры перемещения зарядного приспособления, а удержание ВсВВ в скважине производят при помощи удерживающего элемента, установленного с возможностью перемещения вдоль оси скважины. Определение параметров перемещения зарядного приспособления производят моделированием процесса заряжания экспериментальной скважины с подбором положения динамических упоров заряжающего приспособления, обеспечивающего распирание в направлении, перпендикулярном оси скважины, подачей ВсВВ или его компонентов, измерением плотности заряжания, повторной регулировкой. В применяемом при осуществлении способа устройстве для заряжания, включающем зарядный шланг, зарядное приспособление, удерживающий элемент, зарядное приспособление выполнено в виде размещенной в корпусе опорной пластины с прикрепленной к ней крестовиной, снабженной направляющими колесами и регулируемыми динамическими упорами, при этом к опорной пластине болтами присоединен прижимной элемент, снабженный эластичной манжетой с радиальными прорезями по ее краю и технологическим отверстием для средства  инициирования, а удерживающий элемент расположен на зарядной насадке. Удерживающий элемент выполнен гибким из полимерного материала и снабжен двумя технологическими отверстиями с краю и в центре, при этом его диаметр больше диаметра скважины.
Заявляемый способ поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 изображено зарядное приспособления с промежуточным детонатором и СИ;
на фиг. 2 изображен общий вид зарядной насадки;
на фиг. 3 изображен общий вид зарядного приспособления;
на фиг. 4 изображена принципиальная схема формирования колонки заряда;
на фиг. 5 изображен способ заряжания восстающей скважины ВсВВ.
на фиг. 6 изображен способ заряжания восстающей скважины ВсВВ в рукав;
на фиг. 7 изображена схема регулировки зарядного приспособления.
Перечень позиций, приведенных в описании изобретения:
1 - жесткий зарядный шланг;
2 - резьбовое или другое известное соединение;
3 - зарядное приспособление;
4 - промежуточный детонатор;
5 - средство инициирования (СИ);
6 - зарядная насадка;
7 - опорная пластина;
8 - крестовина;
9 - направляющие колеса;
10 - регулируемые динамические упоры;
11 - прижимной элемент;
12 - болты;
13 - эластичная манжета;
14 - радиальные прорези;
15 - технологическое отверстие на манжете для СИ;
16 - технологическое цилиндрическое отверстие;
17 - зарядный патрубок;
18 - удерживающий элемент;
19 - ВсВВ;
20 - восстающая скважина;
21 - технологическое отверстие на удерживающем элементе для СИ;
22 - технологическое отверстие для зарядного патрубка;
23 - рукав;
24 - гофр;
25 - узел/завязки;
26 - экспериментальная восстающая скважина.
Устройство выполнено следующим образом. К жесткому зарядному шлангу 1 резьбовым или другим известным соединением 2 прикреплено зарядное приспособление 3, на котором располагают промежуточный детонатор 4, подсоединенный к СИ 5, при этом зарядное приспособление 3 (фиг. 2а) содержит зарядную насадку 6, корпус которой выполнен из нержавеющей стали или плотного полимерного материала Зарядная насадка 6 состоит из опорной пластины 7 с крестовиной 8, по краям которой прикреплены направляющие колеса 9 при помощи регулируемых динамических упоров 10. К опорной пластине 7 (фиг. 2б) при помощи прижимного элемента 11 болтами 12 крепится эластичная манжета 13 с радиальными прорезями 14 по ее краю и технологическим отверстием 15 для СИ 5.
Зарядная насадка 6 в центре имеет технологическое цилиндрическое отверстие 16, со стороны крестовины 8 оно служит для подсоединения зарядного шланга 1 при помощи резьбового или другого известного соединения 2, а с другой оно переходит в выходное отверстие, снабженное выступающей трубкой (зарядным патрубком) 17.
Сверху зарядной насадки 6 (фиг. 3) установлен удерживающий элемент 18 из полимерного материала, обеспечивающего удержание заряда ВсВВ 19 в скважине 20 (фиг. 4) и его расширение по ее оси при газогенерации эмульсионного взрывчатого вещества. В удерживающем элементе 18 выполнено технологическое отверстие 21 для расположения СИ 5 и технологическое отверстие 22 для зарядного патрубка 17.
Зарядная насадка 6 с удерживающим элементом 18 составляют зарядное приспособление 3.
При применении зарядного приспособления 3 диаметр опорной пластины 7 должен обеспечивать зазор между ней и стенкой скважины 20 для нормальной работы манжеты 13. Диаметр манжеты 13 должен быть больше диаметра скважины 20 и зависит от гибкости и плотности применяемого материала, как и его толщина, что необходимо для обеспечения плотного, но плавного движения зарядного приспособления 3 по скважине 20. Прижимной элемент 11 выполнен из нержавеющей стали диаметром, равным диаметру опорной пластины 7, диаметр удерживающего элемента 18 должен быть больше диаметра скважины 20 и обеспечивать удержание заряда в скважине и его расширение по оси скважины при газогенерации эмульсионного взрывчатого вещества, а диаметр его центрального технологического отверстия 22 должен обеспечивать беспрепятственное его надевание и съем с зарядного патрубка 17.
Направляющие колеса 9 (фиг. 4а) снабжены регулируемыми динамическими упорами 10, действующими по известному физическому принципу, и прижимаются к стенкам скважины 20 с распирающей силой Fр, позволяющей удерживать зарядное приспособление 3 в полости скважины 20 и обеспечивать движение (V) приспособления 3 (фиг. 4б) под действием выталкивающей силы Fв; возникающей от нагнетания ВсВВ или его компонентов в полость скважины 20.
Способ с применением разработанного устройства осуществляется следующим образом. Зарядное приспособление 3 (фиг. 5а) с размещенным на нем промежуточным детонатором 4, подсоединенным к СИ 5, при помощи жесткого зарядного шланга 1 подают в забой восстающей скважины 20. Затем (фиг. 5б) подают ВсВВ или его компоненты через жесткий зарядный шланг 1 в полость скважины 20, после заполнения нагнетаемым ВсВВ 19 (фиг. 5в) всего свободного пространства между ее забоем, стенками и зарядным приспособлением 3 образовывается давление, создающее выталкивающую силу Fв, которое приводит в движение зарядное приспособление 3, при этом за счет вязкости ВсВВ 19 промежуточный детонатор 4 находится на установленном уровне в заряде. Скорость движения зарядного приспособления 3 и, соответственно, скорость заряжания зависит от скорости подачи ВсВВ или его компонентов. Регулируемые динамические упоры 10 действуют по известному физическому принципу - прижимаются к стенкам скважины 20 с распирающей силой Fp, позволяющей удерживать зарядное приспособление 3 в полости скважины 20 и обеспечивать движение (V) приспособления 3 (фиг. 4б) под действием выталкивающей силы FB, возникающей от нагнетания ВсВВ или его компонентов в полость скважины 20.
После того как необходимая длина колонки заряда сформирована, прекращают подачу ВсВВ или его компонентов (фиг. 5г) и вынимают зарядную насадку 6 с зарядным шлангом 1 из полости скважины 20, при этом, за счет прилипания к ВсВВ 19, удерживающий элемент 18 остается в полости скважины 20.
При необходимости установки нескольких промежуточных детонаторов 4 приведенную операцию повторяют.
Предлагаемый способ может быть также реализован при заряжании восстающей скважины в рукав следующим образом.
Зарядное приспособление 3 (фиг. 6) с размещенным на ней промежуточным детонатором 4 подсоединенным к СИ 5, продевают внутрь рукава 23, который для удобства может быть собран в гофр 24 и с одной стороны сшит или завязан при помощи узла/завязок 25, при этом диаметр рукава 23 должен быть больше диаметра восстающей скважины 20. Затем при помощи подсоединенного зарядного шланга 1, зарядное приспособление 3 с надетым на него рукавом 23 подают в забой восстающей скважины 20. Все остальные операции по заряжанию производят в соответствии с вышеприведенным предлагаемым способом.
Перед непосредственным (промышленным) применением зарядного устройства необходимо произвести моделирование процесса заряжания экспериментальной скважины с подбором положения динамических упоров заряжающего приспособления, обеспечивающего распирание в направлении, перпендикулярном оси скважины. Для этого в пробуренную восходящую экспериментальную скважину 26 (фиг. 7) известной длины вводят зарядный шланг 1 с зарядным приспособлением 3 и при помощи регулировки динамических упоров 10 добиваются плотного, но равномерного перемещения зарядного приспособления в экспериментальной скважине 26. После этого подают ВсВВ или его компоненты и производят зарядку, затем известными способами определяют плотность заряжания и при необходимости производят повторную регулировку динамическими упорами 10. Если плотность заряжания получилась выше заданной, то при помощи регулируемых динамических упоров 10 уменьшают Fp, если плотность ниже, то Fp увеличивают.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность заряжания восстающих скважин за счет сокращения времени заряжания, обеспечения необходимой плотности по всей длине заряда, простоты и надежности способа заряжания, также зарядное приспособление имеет многоразовое использование, что приводит к снижению затрат на буровзрывные работы.