Герметизатор шпура

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для перекрытия зазора между стенкой шпура и трубой при нагнетании жидкости в трещиноватый массив горных пород. Герметизатор шпура включает трубу с обратными клапанами, насаженный на нее эластичный шланговидный герметизирующий элемент, охваченный снаружи на обоих концах обжимными элементами, снабженными выступающими язычками, расположенными вдоль герметизирующего элемента навстречу друг другу по его периметру, выступающие концы язычков выполнены заданной длины, расширяющимися на концах, с перекрытием друг друга в поперечном сечении. Применение язычков с выступающими расширяющимися концами, заданной длины расширяет область применения герметизатора шпура по давлению нагнетания. 7 ил.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к устройствам для подачи скрепляющего состава в шпур при упрочнении трещиноватых массивов горных пород.

Известен герметизатор шпуров (пакер), содержащий трубу с клапаном, герметизирующий элемент и защитную оболочку, выполненную из растягиваемой мелкоячеистой проволочной сетки [1].

Недостатком известного герметизатора является его ограниченная область применения по давлению нагнетания, так как для предотвращения выдавливания материала герметизирующего элемента в радиальный зазор между герметизатором и стенкой шпура использована мелкоячеистая проволочная сетка, изготовление которой возможно только из тонкой проволоки. Упрочнение массивов горных пород производится нагнетанием скрепляющего состава давлением до 20 МПа, при котором мелкоячеистая сетка из тонкой проволоки не может быть использована из-за низкой ее прочности. Применение проволоки большего диаметра, обеспечивающей необходимую прочность сетки, влечет за собой увеличение ячеек сетки, что не обеспечивает предотвращения выдавливания материала герметизирующего элемента в радиальный зазор между герметизатором и стенкой шпура, так как давление нагнетания скрепляющего состава выше предела прочности материала герметизирующего элемента (Gb эластичной резины 8-10 МПа).

Известен герметизатор шпуров для низкого давления нагнетания [2], содержащий трубу с обратными клапанами, насаженный на нее эластичный шланговидный герметизирующий элемент, охваченный снаружи на обоих концах обжимными элементами (обоймами) с выступающими язычками, расположенными вдоль герметизирующего элемента с двух сторон навстречу друг другу равномерно по периметру, причем выступающие концы язычков выполнены с образованием между ними щелей.

Недостатком этого герметизатора шпура для низкого давления нагнетания является ограниченная область применения, так как он предназначен для нагнетания при низких давлениях, о чем говорит наличие щелей между язычками, через которые при давлениях нагнетания в процессе упрочнения массива горных пород до 20 МПа материал герметизирующего элемента может выдавливаться в радиальный зазор между герметизатором и стенкой шпура, как следствие, разрушаться и не обеспечивать герметизации шпура.

Недостатком известного герметизатора также является отсутствие заданной длины выступающих концов язычков, обеспечивающей его работоспособность, так как при длине выступающих концов язычков, равной или меньшей величины максимально возможного зазора между обжимными элементами и стенкой шпура, выступающие концы язычков могут быть продавлены вместе с материалом герметизирующего элемента в этот зазор, что приведет к прорыву стенки герметизирующего элемента, сбросу давления внутри него и разгерметизации шпура.

В основу изобретения поставлена задача создать герметизатор шпура с такими элементами конструкции и их связями, которые позволили бы расширить область применения герметизатора шпура по давлению нагнетания.

Поставленная задача решена созданием герметизатора шпура, включающего трубу с обратными клапанами, насаженный на нее эластичный шланговидный герметизирующий элемент, охваченный снаружи на обоих концах обжимными элементами, снабженными выступающими язычками, расположенными вдоль герметизирующего элемента навстречу друг другу, по его периметру, в котором выступающие концы язычков выполнены заданной длины, расширяющимися на концах, с перекрытием друг друга в поперечном сечении.

На фиг. 1 изображен герметизатор шпура, вид сбоку; на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - продольный разрез герметизатора в процессе распора герметизирующего элемента; на фиг. 4 - то же в процессе нагнетания скрепляющего состава в массив горных пород; на фиг. 5 - изображены язычки на жестком основании в виде диска, выполненные как неразъемная деталь; на фиг. 6 - то же разрез Б-Б фиг.5; на фиг. 7 - то же сечение В-В фиг.5.

Герметизатор шпура состоит из трубы 1 с обратными клапанами 2, 3 и насаженного на нее эластичного шланговидного герметизирующего элемента 4, охваченного снаружи на обоих концах обжимными элементами 5. Обжимные элементы 5 для предотвращения выдавливания материала герметизирующего элемента 4 в радиальный зазор "а" между стенкой 6 шпура 7 и обжимными элементами 5 снабжены язычками с выступающими концами 8, расположенными вдоль герметизирующего элемента 4 навстречу друг другу, имеющими заданную длину и расширяющимися на концах, например, в виде ласточкина хвоста, и перекрывающими друг друга в поперечном сечении. Язычки с выступающими концами 8 каждого обжимного элемента 5 могут быть выполнены на жестких основаниях, например, в виде дисков 9 с центральными отверстиями для трубы 1, как неразъемная деталь. Длина выступающих концов 8 язычков больше высоты обжимных элементов 5 и язычки устанавливают таким образом, чтобы их расширяющиеся концы 8 выступали из-под обжимных элементов 5 навстречу друг другу на длину "L", превышающую величину "h" максимально возможного радиального зазора "а" между стенкой 6 шпура 7 и обжимным элементом 5. Заданная таким образом длина выступающих концов 8 язычков гарантирует их постоянный контакт со стенкой 6 шпура 7 без возможности продавливания в радиальный зазор "а". Язычки с выступающими концами 8 распределены по периметру герметизирующего элемента, как правило, равномерно.

Обратный клапан 2 на трубе 1 под герметизирующим элементом 4 выполнен в виде трубки 10 из упругого материала, перекрывающей отверстия "б". Обратный клапан 3 выполнен в виде колпачка из упругого материала со сквозной беззазорной щелью "в" и фиксируется на трубе 1 с помощью обжимного кольца 11. Входной конец трубы 1 снабжен резьбой 12 для соединения с загрузочной трубой 13. Выходной конец трубы 1 герметично перекрыт мембраной 14 прорыва, которая защемлена по краям с помощью накидной гайки 15. На трубе 1 со стороны каждого торца герметизирующего элемента 4 установлены шайба 16 с осевым стопорным устройством 17, которое может быть выполнено в виде упругого разрезного кольца, установленного в поперечной канавке "г" на трубе 1.

Герметизирующий элемент 4 вокруг трубы 1 образует кольцевидную изолированную полость "д", соединенную с полостью "е" трубы 1 посредством обратного клапана 2. Для герметизации изолированной полости "д" концы герметизирующего элемента 4 между обжимными элементами 5 и трубой 1 находятся в упруго сжатом состоянии, которое обеспечено наличием шайб 16 и осевых стопорных устройств 17, так как в процессе обжатия элементов 5 они препятствуют выдавливанию материала герметизирующего элемента 4 из-под обжимных элементов 5 наружу.

Герметизатор шпура работает следующим образом. Посредством резьбы 12 герметизатор соединяют с загрузочной трубой 13 и с ее помощью вводят в шпур 7 на необходимую глубину, а затем через загрузочную трубу 13 в герметизатор нагнетают скрепляющий состав. Выход скрепляющего состава в шпур 7 из полости "е" трубы 1 герметично перекрыт мембраной 14 прорыва, защемленной по краям накидной гайкой 15, что вызывает повышение давления скрепляющего состава в полости "е" трубы 1, при этом скрепляющий состав через отверстия "б" давит изнутри на трубку 10 и отжимает ее от трубы 1. Через открывшиеся отверстия "б" скрепляющий состав поступает в полость "д" и давлением нагнетания распирает герметизирующий элемент 4.

При распоре герметизирующего элемента 4 язычки испытывают внутреннее радиальное давление, под действием которого их выступающие концы 8 из-под обжимных элементов 5 отгибаются в сторону стенки 6 шпура 7 до соприкосновения с ней. После контакта концов 8 язычков со стенкой 6 шпура 7, они полностью перекрывают зазор "а", что обеспечивается заданной длиной концов 8 язычков и их расширяющимися концами, в исходном положении в поперечном сечении перекрывающими друг друга с запасом.

Нагнетаемый в герметизатор скрепляющий состав поступает в изолированную полость "д" до тех пор, пока он ее полностью не заполнит и его давление не достигнет той величины, при которой произойдет прорыв мембраны 14. Толщина мембраны 14 подбирается таким образом, чтобы ее прорыв произошел в момент, когда давление нагнетания скрепляющего состава достигнет такой величины, при которой будет обеспечена гарантированная герметизация шпура 7 герметизирующим элементом 4. Таким образом, после обеспечения герметизации шпура 7, происходит прорыв мембраны 14, при этом резко падает давление в полости "е", и обратный клапан 2 закрывается, сохраняя давление скрепляющего состава в полости "д" и степень распора герметизирующего элемента 4.

После прорыва мембраны 14 давлением скрепляющего состава, раздвигается щель "в" и открывается обратный клапан 3, через который скрепляющий состав проходит в шпур 7. При повышении давления нагнетаемого скрепляющего состава выше давления, при котором была прорвана мембрана 14, обратный клапан 2 повторно открывается, и скрепляющий состав дополнительно поступает в полость "д", при этом давление в полости "д" повышается. После выравнивания давления нагнетания скрепляющего состава в шпуре 7 и в полости "д", обратный клапан 2 закрывается, при этом скрепляющий состав в полости "д" остается при болев высоком давлении, чем в момент закрытия обратного клапана 2 после прорыва мембраны 14, что повышает прижатие герметизирующего элемента 4 к стенке 6 шпура 7. Таким образом, при увеличении давления нагнетания скрепляющего состава автоматически увеличивается прижатие герметизирующего элемента 4 к стенке 6 шпура 7, а следовательно, увеличивается и надежность герметизации шпура 7.

После завершения процесса упрочнения массива горных пород через данный шпур 7, подача скрепляющего состава в герметизатор прекращается, при этом обратный клапан 3 за счет упругости материала закрывается. От герметизатора отсоединяют загрузочную трубу 13 и извлекают ее из шпура 7, а герметизатор остается в шпуре 7 в качестве заглушки, препятствующей вытекание из него скрепляющего состава.

Использование выступающих концов 8 язычков заданной длины и расширяющихся на концах в виде ласточкина хвоста, перекрывающих друг друга в поперечном сечении, расширяет область применения герметизатора по давлению нагнетания, так как в процессе распора герметизирующего элемента 4 выступающие концы 8 язычков перекрывают полностью зазор "а" между обжимным элементом 5 и стенкой шпура 7, предотвращая выдавливание материала герметизирующего элемента 4 в зазор "а", что позволяет в качестве герметизирующего элемента 4 применять дешевые безкордовые резиновые трубки вместо дорогостоящих упругорасширяющихся кордовых рукавов и, тем самым, повысить экономическую эффективность технологии упрочнения массива горных пород.

Конструктивное исполнение язычков на дисках 9, выполненных в виде неразъемной детали, упрощает конструкцию узлов заделки концов герметизирующего элемента 4.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Патент ФРГ N 4202926, кл. E 21 D 20/02, 1993 г.

2. Патент ФРГ N 3716784, кл. E 21 F 17/00, 1990 г.

Формула изобретения

Герметизатор шпура, включающий трубу с обратными клапанами, насаженный на нее эластичный шланговидный герметизирующий элемент, охваченный снаружи на обоих концах обжимными элементами, снабженными выступающими язычками, расположенными вдоль герметизирующего элемента навстречу друг другу по его периметру, отличающийся тем, что выступающие концы язычков выполнены заданной длины, расширяющимися на концах, с перекрытием друг друга в поперечном сечении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7