Устройство для образования скважин в грунте

 

Сущность изобретения: генератор выполнен в виде емкости для размещения рабочего тела, нагревательного элемента и источника для подачи теплоносителя. Емкость установлена внутри корпуса. Нагревательный элемент расположен внутри емкости. Опорное приспособление выполнено в виде упорной плиты. Приспосбление для запуска устройства выполнено в виде втулки с расположенной по ее периметру кольцевой выемкой для разрыва втулки и нормально закрытого клапана. Втулка расположена между сопловым аппаратом и упорной плитой и закреплена на них своими торцами. Нагревательный элемент закреплен на упорной плите и установлен с возможностью выхода через сопло соплового аппарата при запуске устройства. Внутренняя полость емкости сообщена с соплом соплового аппарата и через клапан сообщена с окружающей средой. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к устройствам для образования выработок в грунте, и может быть использовано при бестраншейной прокладке трубопроводов под препятствиями.

Известно устройство для образования скважин в грунте, включающее корпус, рабочий орган, силовой механизм для заглубления рабочего органа и основание с опорными приспособлением [1] С помощью этого устройства для образования скважин в грунте реализуется метод статического продавливания трубы путем приложения к последней осевого усилия. Под действием усилия труба внедряется в грунтовый массив забойным концом, снабженным рабочим органом в виде кольцевого наконечника, и образует в массиве скважину с одновременной обсадкой ее трубой.

Известное устройство характеризуется низкой производительностью из-за цикличности проводимых работ и большого объема вспомогательных работ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для образования скважин в грунте, содержащее полый корпус, рабочий орган, генератор для выработки рабочего агента, расположенный на заднем торце корпуса сопловой аппарат с соплом для истечения рабочего агента, приспособление для запуска устройства и основание с опорным приспособлением [2] Применение этого устройства для образования скважин в грунте позволяет значительно повысить скорость проходки скважины по сравнению с технологией, реализуемой с помощью известного устройства [1] Однако, использование в качестве генератора для выработки рабочего агента твердотопливного реактивного двигателя приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания. Кроме того, вывод генератора на расчетный режим работы, а следовательно и разгон устройства до необходимой начальной скорости погружения в грунт, требует либо значительного увеличения длины рабочего котлована, либо вывода генератора на необходимую величину силы тяги путем удержания корпуса устройства на месте при работающем генераторе. Указанные обстоятельства приводят к увеличению энергоемкости процесса образования скважины в грунте. При этом, следует отметить, что запуск известного устройства затруднен из-за сложности определения момента выхода генератора на расчетный режим. Этот недостаток не позволяет обеспечить надежный запуск устройства и, следовательно, безопасность обслуживающего персонала.

Задача изобретения создание устройства для образования скважин в грунте, которое обеспечивает низкую энергоемкость процесса образования скважины в грунте и одновременно высокую надежность запуска устройства.

Задача решается тем, что в устройстве для образования скважин в грунте, которое содержит полый корпус, рабочий орган, генератор для выработки рабочего агента, закрепленный на заднем торце корпуса сопловой аппарат с соплом для истечения рабочего агента, приспособление для запуска устройства и основание с опорным приспособлением, генератор для выработки рабочего агента выполнен в виде установленной во внутренней полости корпуса емкости для размещения рабочего тела, расположенного во внутренней полости емкости нагревательного элемента и соединенного с нагревательным элементом источника для подачи теплоносителя, а опорное приспособление выполнено в виде соединенной с основанием упорной плиты, при этом приспособление для запуска устройства выполнено в виде размещенной между сопловым аппаратом и упорной плитой и закрепленной своими торцами соответственно на сопловом аппарате и на упорной плите втулки с расположенной по ее периметру кольцевой выемкой для разрыва втулки при достижении рабочего давления во внутренней полости емкости и нормально закрытого клапана, а нагревательный элемент закреплен на упорной плите и установлен с возможностью выхода через сопло соплового аппарата при запуске устройства, причем внутренняя полость емкости сообщена с соплом соплового аппарата и через клапан сообщена с окружающей средой.

Кроме того, тем, что упорная плита имеет канал для сообщения внутренней полости емкости для размещения рабочего тела с окружающей средой, при этом клапан посредством магистрали сообщен с входом указанного канала в упорной плите.

Кроме того, тем, что клапан выполнен с дистанционным управлением.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено устройство для образования скважин в грунте.

Устройство для образования скважин в грунте содержит размещенное на дне рабочего котлована 1 основание 2 с направляющими для установки корпуса 3 устройства. Направляющие могут быть выполнены в виде опор 4 или охватывающего корпуса 3 кожуха (не показан). Опорное приспособление выполнено в виде соединенной с основанием 2 упорной плиты 5. При выполнении направляющих основания 2 в виде кожуха последний может быть жестко соединен с упорной плитой 5. При этом корпус 3 размещают во внутренней полости кожуха с возможностью осевого перемещения относительно основания 2.

Генератор для выработки рабочего агента выполнен в виде размещенной во внутренней полости корпуса 3 емкости 6 для размещения рабочего тела, например, воды, установленного во внутренней полости емкости 6 нагревательного элемента 7 и соединенного с нагревательным элементом 7 источника 8 для подачи теплоносителя. При этом нагревательный элемент 7 закреплен одним своим концом на упорной плите 5 и установлен с возможностью его выхода через сопло 9 для истечения рабочего агента соплового аппарата 10, т.е. максимальный размер нагревательного элемента 7 в поперечном сечении меньше критического сечения сопла 9. Сопло 9 может быть выполнено, например, в виде сопла Лаваля, которое обеспечивает истечение рабочего агента из соплового аппарата 10 со сверхзвуковой скоростью.

Нагревательный элемент 7 может быть выполнен в виде электрической спирали (не показана). В этом случае источник 8 для подачи теплоносителя целесообразно выполнить в виде источника электрического тока, например, передвижной электростанции, которая посредством проводов 11 соединен с электрической спиралью.

Нагревательный элемент 7 может быть выполнен в виде трубчатого теплообменника (не показан). В этом случае источник 8 для подачи теплоносителя может быть выполнен в виде генератора для выработки высокотемпературного теплоносителя, например, масла или перегретого пара, который посредством трубопроводов 11 сообщен с теплообменником по замкнутому контуру.

Нагревательный элемент 7 может быть выполнен в виде трубки (не показана) с открытым передним концом для подачи высокотемпературного теплоносителя, например, перегретого пара во внутреннюю полость емкости 6. В этом случае целесообразно источник 8 для подачи теплоносителя выполнить в виде генератора (не показан) для выработки высокотемпературного теплоносителя, выход которого посредством трубопровода сообщен с внутренней полостью трубки. При таком конструктивном выполнении генератора для выработки рабочего агента нагревательный элемент 7 может быть выполнен с дополнительной трубкой (не показана) для отвода рабочего тела из внутренней полости емкости 6. При этом внутренняя полость дополнительной трубки с открытым концом посредством дополнительного трубопровода сообщена с входом генератора для выработки высокотемпературного теплоносителя. На выходе генератора, или в трубопроводе, который соединяет основную трубку с генератором, или во внутренней полости основной трубки может быть установлен клапан (не показан) для предотвращения попадания рабочего тела во внутреннюю полость генератора для выработки высокотемпературного теплоносителя, например, в виде обратного клапана. Наиболее целесообразным представляется выполнение в этом случае генератора для выработки высокотемпературного теплоносителя в виде парогазогенератора.

Источник 8 для подачи теплоносителя может быть размещен вне рабочего котлована или установлен в рабочем котловане 1, например на основании 2 (не показано).

Емкость 6 для размещения рабочего тела установлена во внутренней полости корпуса 3 и может быть сообщена с окружающей средой через сопло 9 соплового аппарата 10. Следует отметить, что емкость 6 может быть образована и непосредственно стенками корпуса 3 устройства, в котором может быть выполнено отверстие 12 для заправки емкости 6 рабочим телом. После заправки отверстие 12 может быть закрыто пробкой.

На переднем торце корпуса 3 размещен рабочий орган 13, который может быть выполнен, например, в виде наконечника конусной формы или в виде термогазодинамического рабочего органа (не показан). При производстве работ по образованию скважины в грунте с одновременной обсадкой ее обсадной трубой или при бестраншейной прокладке трубопровода под препятствием функции рабочего органа 13 может выполнять непосредственно обсадная труба или прокладываемый трубопровод (не показаны), которые также размещаются на переднем торце корпуса 3.

Приспособление для запуска устройства выполнено в виде расположенной между сопловым аппаратом 10 и упорной плитой 5 втулки 14 с расположенной по ее периметру кольцевой выемкой 15 для разрыва втулки 14 при достижении рабочего давления во внутренней полости емкости 6 и нормально закрытого клапана 16. Клапан 16 может быть выполнен с дистанционным управлением, которое обеспечивает открытие запорного органа клапана 16 с пульта управления (не показан). Втулка 14 посредством разъемного соединения жестко соединена своими торцами соответственно с торцом соплового аппарата 10 и с упорной плитой 5. Для улучшения условий соединения втулки 4 с упорной плитой 5 и сопловым аппаратом 10 втулка 14 может быть выполнена с расположенными на ее торцах присоединительными фланцами 17, а сопловой аппарат 10 может быть выполнен с присоединительным фланцем 18. Между присоединительными фланцами 17 втулки 14 и упорной плитой 5 и присоединительным фланцем 18 соплового аппарата 10 могут быть установлены уплотнительные элементы 19, которые обеспечивают снижение утечек рабочего тела в местах соединения упорной плиты 5 и соплового аппарата 10 с втулкой 14. Внутренняя полость емкости 6 для размещения рабочего тела сообщена через клапан 16 с окружающей средой. Для этого во втулке 14 может быть выполнен радиальный канал (не показан), на выходе которого установлен клапан 16. Предпочтительно для этой цели выполнить упорную плиту 5 с каналом 20 для сообщения внутренней полости емкости 6 с окружающей средой, вход которого посредством магистрали 21 сообщен с клапаном 16. На выходе канала 20 может быть установлен патрубок 22, один конец которого закреплен на упорной плите 5, а открытый конец которого целесообразно разместить во внутренней полости втулки 14.

Упорная плита 5 может быть выполнена с дополнительными каналами 23 для размещения проводов 11, соединяющих источник электрического тока с электрической спиралью, или для размещения трубопроводов 11, соединяющих теплообменник с генератором для выработки высокотемпературного теплоносителя, или для размещения соответствующих трубопроводов, соединяющих выход и вход генератора для выработки высокотемпературного теплоносителя с внутренней полостью основной трубки и с внутренней полостью дополнительной трубки.

Устройство для образования скважин в грунте работает следующим образом.

В предварительно обустроенном рабочем котловане 1 с помощью грузоподъемного механизма (не показан) устанавливают основание 2 и упорную плиту 5. Соединение упорной плиты 5 с основанием 2 может быть осуществлено или непосредственно в рабочем котловане 1 или на поверхности перед их спуском в рабочий котлован 1. Затем с помощью грузоподъемного механизма на направляющие основания 2 устанавливают корпус 3 устройства, перемещают корпус 3 по направляющим основания 2 в осевом направлении к упорной плите 5 и вводят нагревательный элемент 7 через сопло 9 соплового аппарата 10 во внутреннюю полость емкости 6. Предварительно фланец 17 втулки 14 присоединяют к присоединительному фланцу 18 соплового аппарата 10. После размещения нагревательного элемента 7 во внутренней полости емкости 6 второй фланец 17 втулки 14 соединяют с упорной плитой 5. В случае необходимости между стыкуемыми поверхностями устанавливают уплотнительные элементы 19, например, в виде прокладок из упругого термостойкого материала. Следует отметить, что присоединение втулки 14 к сопловому аппарату 10 может быть осуществлено и на поверхности, т.е. перед спуском устройства в рабочий котлован 1.

После соединения соплового аппарата 10 с упорной плитой 5 осуществляют заполнение внутренней полости емкости 6 через отверстия 12 рабочим телом. После заполнения емкости 6 рабочим телом отверстие 12 закрывают пробкой.

Следует отметить, что в случае выполнения устройства для образования скважин в грунте с направляющими основания 2 в виде охватывающего корпус 3 кожуха, в последнем могут быть выполнены монтажные люки для обеспечения возможности проведения работ по сборке и заправке устройства. После производства указанных работ монтажные люки закрывают крышками.

Затем с пульта управления включают источник 8 для подачи теплоносителя. При выполнении источника 8 в виде источника электрического тока электрический ток проходит через нагревательный элемент 7 электрическую спираль, которая нагревается и начинает нагревать окружающее ее рабочее тело. При выполнении нагревательного элемента 7 в виде трубчатого теплообменника вырабатываемый источником 8 генератором высокотемпературный теплоноситель по одному из трубопроводов 11 поступает в теплообменник, отдает тепло рабочему телу и по другому трубопроводу 11 возвращается в генератор для нагрева и последующей повторной подачи в теплообменник по замкнутому контуру. При выполнении нагревательного элемента 7 в виде трубки для подачи высокотемпературного теплоносителя во внутреннюю полость емкости 6 высокотемпературный теплоноситель, в качестве которого используется преимущественно вырабатываемый парогенератором перегретый пар, поступает по трубке во внутреннюю полость емкости 6 и осуществляет нагрев размещенного в ней рабочего тела. По дополнительной трубке осуществляется частичный отвод рабочего тела из внутренней полости емкости 6 в генератор для выработки высокотемпературного теплоносителя. Поступившее в генератор по дополнительной трубке рабочее тело подвергается в нем нагреву и преобразуется в перегретый пар, который опять направляется во внутреннюю полость емкости 6 через основную трубку. Обратный клапан предотвращает попадание рабочего тела в генератор по основной трубке.

Нагрев рабочего тела в замкнутой емкости, которая образована стенками емкости 6, стенками соплового аппарата 10, внутренней поверхностью втулки 14 и упорной плитой 5, осуществляют до 300 -400^оС, в зависимости от длины образуемой в грунте скважины и физико-механических свойств грунта, в котором осуществляется проходка. При изохорном нагреве рабочего тела в вышеуказанной замкнутой емкости повышается давление и рабочее тело вода переходит в состояние парогазовой смеси рабочего агента. Увеличение давления во внутренней полости вышеуказанной замкнутой емкости приводит к появлению механических напряжений во всех узлах устройства, образующих вышеуказанную замкнутую емкость, т. е. рабочее тело воздействует на стенки емкости 6, стенки соплового аппарата 10, стенки втулки 14, упорную плиту 5 и на детали, соединяющие указанные узлы между собой. Следует отметить, что контроль за величиной давления, а также при необходимости за температурой рабочего тела, осуществляют с помощью соответствующих датчиков (не показаны), которые размещены во внутренней полости емкости 6 и показывающие узлы которых расположены на пульте управления.

Затем осуществляют запуск устройства. Для этого открывают клапан 16 и тем самым сообщают внутреннюю полость емкости 6 с окружающей средой. При понижении давления во внутренней полости емкости 6 процесс парообразования интенсифицируется и происходит резкое (скачкообразное) повышение давления рабочего агента во внутренней полости емкости 6. При повышении давления рабочего агента в полости емкости 6 происходит разрыв втулки 14 по ослабленному ее сечению, т.е. по кольцевой выемке 15. После разрыва втулки 14 происходит отделение соплового аппарата 10 от упорной плиты 5. Следует отметить, что поскольку втулка 14 равномерно нагружена растягивающими усилиями по ее периметру, то появляется возможность обеспечения надежного запуска устройства. Для повышения безопасности работ по запуску устройства открытие клапана 16 может быть осуществлено дистанционно с пульта управления.

После отделения соплового аппарата 10 от упорной плиты 5 внутренняя полость емкости 6 сообщается через сопло 9 соплового аппарата 10 с окружающей средой и происходит истечение струи рабочего агента через сопло 9 из внутренней полости емкости 6. При истечении рабочего агента из сопла 9 соплового аппарата 10 возникает реактивная сила, действие которой направлено в сторону, противоположную направлению истечения рабочего агента. Под действием реактивной силы корпус 3 устройства начинает перемещаться по опорам 4 основания 2. После разгона устройства до расчетной скорости рабочий орган 13 внедряется в грунтовый массив и происходит перемещение в грунтовом массиве корпуса 3 совместно с рабочим органом 13. При перемещении устройства в грунтовом массиве за ним образуется скважина.

После образования скважины в грунте остатки втулки 14 отсоединяют от присоединительного фланца 18 соплового аппарата 10 и от упорной плиты 5 и для образования следующей скважины используют новую втулку 14, которую монтируют описанным выше образом.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ, включающее полый корпус, рабочий орган, генератор для выработки рабочего агента, размещенный на заднем торце корпуса сопловой аппарат с соплом для истечения рабочего агента, приспособление для запуска устройства и основание с опорным приспособлением, отличающееся тем, что генератор для выработки рабочего агента выполнен в виде установленной во внутренней полости корпуса емкости для размещения рабочего тела, расположенного во внутренней полости емкости нагревательного элемента и соединенного с нагревательным элементом источника для подачи теплоносителя, а опорное приспособление выполнено в виде соединенной с основанием упорной плиты, при этом приспособление для запуска устройства выполнено в виде размещенной между сопловым аппаратом и упорной плитой и закрепленной своими торцами соответственно на сопловом аппарате и на упорной плите втулки с расположенной по ее периметру кольцевой выемкой для разрыва втулки по достижении рабочего давления во внутренней полости емкости и нормально закрытого клапана, а нагревательный элемент закреплен на упорной плите и установлен с возможностью выхода через сопло при запуске устройства, причем внутренняя полость емкости сообщена с соплом и через клапан сообщена с окружающей средой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упорная плита выполнена с каналом для сообщения внутренней полости емкости с окружающей средой, при этом клапан посредством магистрали сообщен с входом указанного канала в упорной плите.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что клапан выполнен с дистанционным управлением.

РИСУНКИ

Рисунок 1