Устройство для гидроимпульсного воздействия на горный массив

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке месторождений полезных ископаемых для гидрообработки выбросоопасных пластов. Цель изобретения - повышение эффективности гидрообработки путем гидроимпульсного воздействия .потоком рабочей жидкости на забой и стенки скважины. Устройство содержит гидрозатвор, клапан с подпружиненным штоком и дросселем, выполненным в виде труб различного диаметра, концентрически расположенных одна в другой. Вторцовой части гидрозатвора установлен автономный источник пульсаций, состоящий из вибрирующего элемента (ВЭ) с виброисточнйком (ВИ) внутри него. В торцовой части ВЭ смонтирована съемная эластичная манжета выпуклой формы в виде тупикового отражателя гидравлических волн. ВИ укреплен в ВЭ с помощью гибких связей и подключен изолированно от потока рабочей жидкости. Для этого через внутреннюю полость гидрозатвора пропущены два трубопровода (ТП) для подачи рабочего и отвода отработанного ВИ агента, ТП выполнен прямолинейным или в виде змеевика-спирали. Прочность на сжатие материалов, из которых выполнены ТП и ВИ, Должна превышать 30 МПа, а допустимое давление жидкости, подаваемой в герм'етизатор; составляет величинуРж= [

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (н)5 Е 21 F 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

i tî ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ÊHT СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4820808/03 (22) 05.03.90 (46} 23.02,92. Бюл. N: 7 (71) Институт геотехнической механики AH

УССР (72) B,HËîòóðàåâ, С.П,Минеев, И.И,Балинченко и Л.Ф.Горягин (53) 622.832 (088.8) (56) Оборудование и приборы для комплексного обеспыливания угольных шахт, разрезов и обогатительных . фабрик.

Каталог-справочник. — M.: ЦНИЭИуголь, 1975, с. 17 — 19.

Авторское свидетельство СССР

N . 947438, кл. Е 21 F 5/00, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОИМПУЛЬСH0I O ВОЗ ЕЙСТВИ W I OPHI IA MACCX8 (57) Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке месторождений полезных ископаемых для гидрообработки выбросоопасных пластов, Цель изобретения — повышение эффективности гидрообработки путем гидроимпульсного воздействия потоком рабочей жидкости на забой и стенки скважины. Устройство содержит гидрозатвор, клапан с подпружиненным штоком и дросселем, выполненным в виде труб различного диаметра; концентрически расположенных одна в другой. 8

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке месторождений полезных ископаемых для гидрообработки выбросоопасных пластов.

Цель изобретения — повышение эффективности гидроабработки путем гидроим„„ЯЯ„„1714161 А1 торцовой части гидрозатвора установлен автономный источник пульсаций, состоящий из вибрирующего элемента (ВЭ) с виброисточником (ВИ) внутри него. В торцовой части ВЭ смонтирована съемная эластичная манжета выпуклой формы в аиде тупикового отражателя гидравлических волн. ВИ укреплен в 83 с помощью гибких связей и подключен изолированно от потока рабочей жидкости. Для этого через внутреннюю полость гидрозатвора пропущены два трубопровода (ТЩ для подачи рабочего и отвода отработанного ВИ агента, ТП.выполнен прямолинейным или в виде змеевика-спирали.

Прочность на сжатие материалов, из которых выполнены Tfl и ВИ, должна превышать

30 МПа, а допустимое давление жидкости, з, подаваемой в герметизатор, составляет величину

P)g = fcrp) (dд+д ): 0,42(п) .. (б + 2 д) — (Pp d }: (d + 2 д) где jоР j- предел прочности материала ТП; б — внутренний диаметр ТП; д — толщина стенок ТП; P p — давление агента, питающе-. го ВИ; (п) — коэффициент запаса прочности конструкции. 5 з.п.ф-лы, 8 ил. пульсного воздействия потоком рабочей жидкости на забой и стенки скважины, На фиг. 1 приведено устройство, общий вид; на фиг. 2 — узел I на фиг. 1; на фиг. 3— узел I на фиг. 1; на фиг. 4 — схема виброформирующего элемента; на фиг, 5 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 6 — разрез Б-Б на фиг. 1;

1714161 на фиг. 7 — разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 8— схема расчета прочности стенок виброисточника.

Устройство состоит из виброформирую. щего элемента.1 и гидрозатвора 2, внутри . которого расположены два трубопровода для отработанного рабочего агента 3 и подачи нового 4. Гидрозатвор 2 состоит из упругорасширяющего рукава 5 с внутренней металлической оплеткой 6, обжатого с двух сторон передовой 7 и задней 8 втулками и крышками 9. В заднюю втулку 8 гидрозатвора 2 ввинчивается переходный узел с обратным клапаном 10 и проточками в его теле для трубопроводов 3, 4, подходящих нейосредственно к виброисточнику 1 1 виброформирующего элемента 1.

Виброформирующий элемент 1 состоит из виброисточника 11, установленного B корпусе 12. Виброисточник 11 удерживается в корпусе 12 виброформирующего элемента 1 с помощью упругоэластичной манжеты 13 и упругих связей 14. В торцовой части виброисточника 11 устанавливается съемный тупиковый отражатель 15. Последний закрепляется с помощью выступа t6, расположенного в торцовой части виброисточника. Выступ 16 плотно входит в специальную полость, расположенную в отражателе 16. С противоположной части отражателя расположена тупиковая сферическая полость 17 с радиусом сферы R, В торце корпуса 12 виброформирующего элемента предусмотрено уменьшение сечения корпуса 18 с диаметром. соответствующим диаметру сферы (2R) отражателя. На отражателе 15 гидравлических волн (фиг. 3) предусмотрены проточки (каналы) 19 для прохода виброактивированной жидкости через зону отражателя 15 и сопла в забой скважины, Необходимость наличия отражателя в торце виброформирующего элемента обусловлена необходимостью повышения КПД работы гидропульсационного потока по воздействию на забой не только за счет действия прямых волн виброактивированной жидкости, но и наложения на поток отраженных волн. сфокусированных в отражателе 15, волн, ранее рассеянных от поверхности забоя, боков и различных неровностей обрабатываемой скважины. В теле упругоэластичной манжеты 13 предусмотрены ряд (например, восемь) отверстий 20 (фиг. 4), Манжета 13 предусмотрена для фиксации виброисточника 11 в теле виброформирующего элемента, Упругие связи 14, например, в виде четырех резиновых подвесок предусмотрены в основном для исключения возможности соударения при вибрации корпуса виброисточника 11 с корпусом 12 виброформирующего элемента.

Вопросы установки и запрессовки трубопроводов 3, 4 в теле втулки являются весь5 ма важными, поскольку давление жидкости, поступающей по герметизатору 2, достигает величин 25-30 МПа. Запрессовка трубопровода в теле втулки показана на фиг.5. В теле втулки 7 выполнено отверстие C двумя диа10 метрами - меньшим отверстий 21 (превышающих диаметр трубопровода 4 для возможности его введения s это отверстие) и большим отверстий 22, В отверстия 21 и

22 устанавливается упорная манжета 23. С

15 внутренней стенки втулки 7 в отверстие 22 вводится вторая упорная манжета 24. Между манжетами 23 и 24 установлены промежуточные манжеты 25, Затем осуществляется заделка стыков между тела20 ми втулки 7 трубопровода 4, например, запайкой 26.

Исследования и анализ работы гидрозатворов при нагнетании жидкости в пласт показали, что длина гидрозатвора может

25 укорачиваться йа 10 — 15 см, а в некоторых случаях до 25-30 см, т.е. в принципе может произойти укорачивание при работе (а затем соответственно удлинение) до 107 длины гидрозатвора, Последнее может

30 привести к сгибу, а затем к разгерметизации трубопроводов, проложенных в теле гидрозатвора, Конфигурацию трубопроводов принимают в виде змеевика-спирали с запасом хода до 0,1 длины гидрозатвора либо прямо35 линейной, но с упаковкой телескопических манжетных муфт. Первое предложение более простое, но при существующих внутренних диаметрах гидрозатвора и необходимых диаметрах трубопроводов не всегда воз40 можно их разместить в виде змеевика, так, например, внутренний диаметр гидрозатво- ра фирмы "Таурас" равен 20-24 мм, а диаметр трубопроводов, например, для пневмовибратора не менее 8-10 мм.

45 Телескопическая муфта состоит из двух участков каждого трубопровода 27 и 28. Зти участкй трубопровода 29 за счет утонения диаметра на одном из них свободно входят друг в друга. На конце участка трубопровода

50 28 установлен патрубок ЗО, в теле которого имеются специальные канавки для укладки в них специального уплотнительного кольца

31. Для герметизации участков трубопровода от проникновения в них жидкости из гид55 розатвора предусмотрен подвижный 32 и неподвижные ЗЗ, 34 фланцы с уплотнительными кольцами 35-37. В теле подвижного

32 и неподвижного 34 фланцев имеются полуканайки, в которые устанавливают уплотнение 35.

1714161 ф (4) 25 (и) 1 +0,1 Ьер, 30

45 сР d+2д г

Рж — Ртр

4 (игр) 1,73 (и) б+2дг б

55 (7) или

0,42(п)Фр) (8) Между патрубком 30 и утоненным участком трубопровода 29 устанавливается сальниковое уплотнение 38. Уплотнения 31, 35, 36 и 37 служат для создания герметичности между фланцами и патрубком 30 при его перемещении вдоль фланцев 32, 34 по оси трубопровода. А,уплотнение 38 служит для плотности контакта при сдвижении участков трубопровода 27, 28. Патрубок 30 предусмотрен и выполнен с точным выполнением всех размеров при высоком классе обработки материала. Фланец 33 монолитно (цельно) соединен с патрубком 30, а фланец 34 — с участком трубопровода 27, 28. Стягивание и плотное зажатие неподвижного и подвижного фланцев 32, 34 с уп= лотнением 35 производится с помощью хомута 39, Смена уплотнений осуществляется путем снятия хомута 39 и затем снятия подвижного фланца 32, после чего производят удаление изношенных уплотнений и их замену.

На фиг, 7 телескопическая манжетная муфта показана в сжатом состоянии, Запас хода муфты равен I, определяемой выражением где бгер — длина герметизатора, м.

Разность диаметров корпуса виброформирующего элемента 1 и виброисточника 11 выбирается из следующих .соображений.

Зазор между стенками корпусов (О - д) 0.5 должен быть больше максимальной амплитуды колебания виброисточника (А). Возможны случайные отклонения колебания корпуса виброисточника (особенно, при случайном вхождении всей системы с учетом массива в зарезонансный режим), которые реально могут достигнуть величины

1,5-2,5. Тогда величина зазора между стенками корпуса виброисточника и внутренними стенками. корпуса,виброформирующего элемента не должна быть меньше величины (D- d) >(3-5) A (2).

Прочность стенок трубопроводов 3 и 4, . а также стенок виброисточника 11 должна превышать усилие сжатия давящей жидкости. Для расчета стенок используют расчетную схему, представленную на фиг. 8. Пусть в скважине расположен корпус 12 виброформирующего элемента, внутри которого расположен виброисточник 11. В дальнейшем будем именовать стенки корпуса 12 наружного и стенки корпуСа внутреннего виброисточника (трубопровода) 11; Изнутри на стенки корпуса виброиеточника 11 действует давление текучего агента Ртр. Снаружи на стенки виброисточника 11, давит давление жидкости в герметизаторе Рж. Посколь5 ку давление в скважине приблизительно равно давлению в герметизаторе, считают, что на стенки корпуса 12 снаружи давит, как и изнутри, равное давление Р®. Радиальные напряжения 0, возникающие в стенках

10 внутреннего корпуса виброисточника 11, будут составлять

Р Я вЂ” Рг Я

a —, (3} где t > и гг — соответственно внутренний и наружный радиус трубопровода;

Р1 и Рг — внутреннее и наружное давление на стенки трубопровода.

Допустимые напряжения s стенках корпуса не должны превышать величины (3) а с учетом необходимого запаса прочности где (п) — предел прочности материала

Сведя выражения (3) и (5) (ор) (п) 173 (6)

Р R— - Рг Я

Введя в зависимость (6) значения и обозначения для виброформирующего элемента или трубопровода (фиг. 8), получают выражение б+2д

P — P <, Рг — P p,, г1 — о/2; гг—

1714161 противоположном движению потока жидкости из устройства. При попадании этих волн в сопла устройства они попадают на тупиковый отражатель 15, где фокусируются в ту-

5 пиковой сферической полости 17, отражаются и направляются в забой скважины, накладываясь на основной поток жидкости. Отраженная волна повышает виброактивность потока жидкости, амплитуду

10 его колебаний и тем самым повышает эффективность нагнетания жидкости в скважине, (9) 15

20 о =003 м; д=0005м; Ртр=10 Па; (n) = 5; (ор)= 3 10 Па.

Подставляя указанные значения парэ- 25 метров устройства в выражение (9), получают допустимое значение подачи жидкости в герметизатор (Рж). Оно равно P® 540 МПа (400 атм), Устройство работает следующим абра- 30 зом.

Текущий агент, например, сжатый воздух, из пневмомагистрали под давлением (0.6 МПа) поступает по трубопроводу 4 к виброисточнику 11, который в результате 35 включается в работу. Отработанный воздух по трубопроводу 3 отводится от виброисточника 11 и сбрасывается в атмосферу. Устройство устанавливается в скважину на необходимую глубину, К втулке герметиэа- 40 тора подается по трубам жидкость от насосной установки, например УНИ, которая

-поступает, проходя обратный клапан 10, в корпус 12 виброформирующего элемента 1, проходя отверстие в теле манжеты 13 и ка- 45 налы 19 в теле отражателя в забой скважины. Образуется подпор и повышается давление жидкости в забое и теле гермети-, затора.

За счет расширения упругорасширяю- 50 щего рукава 5 гидрозатвор 2 распирается в скважине, При работе виброисточника 11 поток жидкости виброактивируется, в результате этого воздействие гидропульсациoHHol потока на горный массив 55 осуществляется более эффективно за счет воздействия гидроволн со скелетом горного массива. Волны взаимодействия с забоем и стенками скважины отражаются и частично направляются, в том числе и в направлении, Таким образом, для определения устойчивости стенок виброисточника и трубопроводов необходимо решение уравнения (8) относительно толщины стенок (д), прочности материала ((apj ) и необходимого запаса ((nj), а также параметров устройства (Рж, Ртр, о).

Допустимое давление жидкости нагнетания P® будет равно (Гт), д+у,„г

0,42 (п1 (d +2(5) (d +2 с)) Выполняют примерный проверочный расчет возможного давления нагнетания жидкости (Р ) для следующих параметров устройства:

Формула изобретения

1. Устройство для гидроимпульсного воздействия нэ горный массив, включающее гидрозатвор с клапаном, подпружиненным штоком и дросселем, выполненным в аиде труб различного диаметра, концентрически расположенных одна.в другой, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности гидрообработки путем гид-. роимпульсного воздействия потоком рабочей жидкости на забой и стенки скважины, устройство снабжено автономным источником пульсаций, установленным в торцовой части гидрозатвора и состоящим из виброф О рми рующего элемента с виброисточником внутри него, в торцовой части виброформирующего элемента установлена съемная эластичная манжета выпуклой формы в виде тупикового отражателя гидравлических волн, следующих от забоя скважины, при этом виброисточник укреплен в вибро.формирующем элементе с помощью не менее двух гибких связей различной жесткости, а тупиковый отражатель выполнен диаметром, превышающим диаметр выходного отверстия виброформирующего элемента, и укреплен на торце виброисточника, причем через внутреннюю полость те- ла гидрозатвора пропущены два трубопровода для подачи рабочего и отвода отработанного виброисточником агентов.

2. Устройствопо и. 1, отл и ча ю щеес я тем, что длина трубопроводов для подачи рабочего и отвода отработанного агентов принята не менее чем 0,1 превышающей длину.гидрозатвора, а конфигурация их выполнена в виде змеевика — спирали,.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем. что трубопроводы для подачи рабочего и отвода отработанного агентов выполнены прямолинейными с телескопическими манжетными муфтами, имеющими рабочий запас хода не менее 0,1 длины гидрозатворэ.

4. Устройство поп.1, отл ич а ю щеес я тем, что указанные трубопроводы размещены в гидрозатворе в круговых каналах

1714161 (О- сЮ) «Р-5) ° д, различных диаметров в передовой втулке гидрозатвора и укреплены при помощи упорных манжет, а зазоры между трубопроводом и втулкой заделаны, при этом трубопровод подачи рабочего агента снабжен специальным переходником для подключения к сети, питающей виброисточник, а другой трубопровод имеет свободный выход.

5. Устройство по пп. 1-4, о т л и ч а ющ е е с я тем, что трубопроводы и корпус виброисточника выполнены из материала, прочность на сжатие которого превышает величину 30 Mlle.

6. Устройство по пп. 1-5, о т л и ч а ю. щ е е с я тем, что виброисточник установлен в корпусе виброформирующего элемента на

P.л Юфану цирадя кия и ладачи, сжютою. 6озбуха реэиноэластичной манжете с отверстиями для протока жидкости и на упругих связях в виде резиновых подвесок, при этом величина зазора между виброисточником и стенка5 ми корпуса виброформирующего элемента не должна быть менее величины

10 где 0 — внутренний диаметр корпуса виброформирующего элемента; б — диаметр виброисточника;

А — максимальная амплитуда колебаний виброисточ ника.

1714161

1714161

Составитель Б.Терентьев

Техред M.Moðãåíòàë Корректор О.Кравцова

Редактор А.Мотыль

Заказ 672 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 . — Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101