Устройство для образования направленных трещин в скважинах (варианты)

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения блоков от массива, добычи блочного камня и раскалывания негабаритов. Техническая задача - повышение эффективности работы устройства за счет возможности создавать направленные усилия на стенки скважины и надежности работы за счет упрощения конструкции. Устройство по первому варианту исполнения включает цилиндрический корпус с кольцевым выступом, снабженный ударным механизмом, установленным на торце цилиндрического корпуса, свободный конец которого выполнен заостренным и представляет собой двузубый клин с углом зуба α, V-образной режущей кромкой и двумя V-образными вертикальными пазами, противоположно выполненными по разные стороны от V-образной режущей кромки. Каждый указанный паз образован двумя плоскостями, расположенными под углом β<180° и образующими рабочие грани двузубого клина. Устройство по второму варианту исполнения включает цилиндрический корпус с кольцевым выступом на свободном конце, снабженный ударным механизмом, который установлен на торце цилиндрического корпуса. Цилиндрический корпус снабжен съемной оболочкой, выполненной в виде двух полуцилиндрических обкладок, и установлен с возможностью осевого смещения относительно полуцилиндрических обкладок, которые снабжены буртиком на наружной стороне в верхней части. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин в скважинах с целью отделения блоков от массива, добычи блочного камня и раскалывания негабаритов.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2081314, кл. Е 21 С 37/06, 37/02, опубл. в БИ №16, 1997 г., содержащее полый цилиндрический корпус с кольцевым коническим выступом, центральным каналом подвода и радиальными отверстиями для выхода рабочей жидкости, кольцевой герметизатор, установленный на корпусе, и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности. На его конце, противоположном каналу подвода рабочей жидкости, установлена камера с эллиптическим поперечным сечением, к которой подсоединена трубка. Клинья закреплены на наружной поверхности камеры в плоскости, большей оси ее поперечного сечения, а трубка пропущена через полость корпуса вдоль его оси.

Это устройство имеет относительно сложную конструкцию. На прокачку через него рабочей жидкости в виде высоковязкого флюида типа пластилина требуется дополнительное сравнительно высокое давление. Устройство способно работать только при статическом режиме нагнетания флюида, что обуславливает необходимость полной герметизации скважины и, следовательно, наличия специального герметизатора.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2168018, кл. Е 21 С 37/06, опубл. в БИ №15, 2001 г., включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом и рабочие органы в виде клиньев на наружной поверхности, при этом в корпусе выполнена, по крайней мере, одна продольная прорезь, в которой установлено кольцо из упругого материала с внешним диаметром большим, чем диаметр скважины. Устройство снабжено ударным механизмом, который установлен на его торце, а свободный конец корпуса выполнен заостренным, например, в виде конуса.

Недостатком рассматриваемого устройства является его неспособность создавать трещины в скважинах по пути наибольшего сопротивления разрыву породы, например, по диагонали блока. Это обусловлено тем, что созданные упругими кольцами устройства концентраторы напряжений (бороздки) на стенках скважины способствуют только зарождению трещины вдоль заданного направления, а дальнейшее ее развитие происходит по пути наименьшего сопротивления, как подтверждено экспериментально. Кроме того, устройство имеет сравнительно сложную конструкцию, его работа предопределяет износ упругих колец, взаимодействующих со стенками скважины. Все это обуславливает неэффективность и относительно низкую надежность работы устройства.

Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности работы устройства за счет возможности создавать направленные усилия на стенки скважины и надежности работы за счет упрощения конструкции.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом, снабженный ударным механизмом, установленным на торце цилиндрического корпуса, свободный конец которого выполнен заостренным. Согласно техническому решению заостренный конец цилиндрического корпуса представляет собой двузубый клин с углом зуба α, V-образной режущей кромкой и двумя V-образными вертикальными пазами, противоположно выполненными по разные стороны от V-образной режущей кромки. Каждый указанный паз образован двумя плоскостями, расположенными под углом β<180° и образующими рабочие грани двузубого клина.

Выполнение заостренного конца цилиндрического корпуса устройства в виде двузубого клина с углом зуба α, V-образной режущей кромкой и двумя V-образными вертикальными пазами, противоположно выполненными по разные стороны от V-образной режущей кромки, обеспечивает направленные усилия на стенки скважины и тем самым позволяет создавать ориентированные трещины в скважинах, даже по пути наибольшего сопротивления разрыву камня, без наличия концентраторов напряжений. Это позволяет повысить, в сравнении с прототипом, эффективность работы устройства, а за счет упрощения конструкции - надежность его работы.

Целесообразно при этом двузубый клин снабдить режущей пластиной, соединяющей точки противолежащих частей V-образной режущей кромки. Это дает возможность повысить прочность двузубого клина, что также повышает надежность работы устройства.

Во втором варианте исполнения предлагается устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом на свободном конце, снабженный ударным механизмом, который установлен на торце цилиндрического корпуса. Согласно техническому решению цилиндрический корпус снабжен съемной оболочкой, выполненной в виде двух полуцилиндрических обкладок, при этом корпус установлен с возможностью осевого смещения относительно полуцилиндрических обкладок, которые снабжены буртиком на наружной стороне в верхней части.

Использование в устройстве на цилиндрическом корпусе съемной оболочки, выполненной в виде двух полуцилиндрических обкладок, позволяет при его работе создавать направленные усилия на стенки скважины по нормали к секущей плоскости, проходящей через щели между обкладками и тем самым обеспечивает образование ориентированных трещин в скважинах, даже по пути наибольшего сопротивления разрыву камня, без наличия концентраторов напряжений. Это позволяет повысить, в сравнении с прототипом, эффективность работы устройства, а за счет упрощения конструкции - надежность его работы.

Целесообразно при этом свободный конец цилиндрического корпуса выполнить плоским с торца или с углом заострения не меньше 40°. Это дает возможность увеличить величину импульса давления флюида на стенки полуцилиндрических обкладок и, следовательно, понизить энергозатраты на образование трещины.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами. На фиг.1 представлено устройство для образования направленных трещин в скважинах по первому варианту исполнения, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 в период развития трещины; на фиг.3 - вид В на фиг.1; на фиг.4 - разрыв бетонного блока высоковязким флюидом (использовали пластилин) предлагаемым устройством по первому варианту исполнения, имеющим углы α=20° и β=90° (фото). На фиг.5 представлено устройство для образования направленных трещин в скважинах по второму варианту исполнения, продольный разрез; на фиг.6 - разрез А-А на фиг.5 в период развития трещины.

Устройство для образования направленных трещин в скважинах по первому варианту исполнения (фиг.1-3) состоит из цилиндрического корпуса 1 (далее - корпус 1) с кольцевым выступом (поз. не обозначен) и ударного механизма 2, установленного на торце корпуса 1. Свободный конец корпуса 1 выполнен заостренным и представляет собой двузубый клин 3 (далее - клин 3) с углом зуба α, V-образной режущей кромкой (поз. не обозначена) и двумя V-образными вертикальными пазами 4 (далее - паз 4), противоположно выполненными по разные стороны от V-образной режущей кромки. Каждый паз 4 образован двумя плоскостями, расположенными под углом β<180° и образующими рабочие грани (поз. не обозначены) клина 3. Клин 3 снабжен режущей пластиной 5, соединяющей точки противолежащих частей V-образной режущей кромки.

Устройство работает следующим образом.

После подачи устройства (фиг.1-3) со стороны клина 3 в скважину, заполненную высоковязким флюидом 6, например пластилином, включают ударный механизм 2. В качестве ударного механизма 2 в устройстве могут использоваться любые ударные машины для забивания в грунт стержневых элементов. Под действием ударных импульсов происходит внедрение клина 3 во флюид 6, который заполняет пространство, образованное гранями клина 3 и стенками скважины, при этом режущая пластина 5 полностью погружается во флюид 6. После этого энергия ударов клина 3 через флюид 6 передается и распределяется по площади стенок скважины. В результате в скважине, преимущественно на уровне клина 3, действуют импульсы давления флюида 6, результирующая которых направлена к боковым стенкам скважины по нормали к V-образной режущей кромке клина 3. При этом в породе 7 возникают растягивающие напряжения, действие которых вызывает развитие ее микродефектов. Объединяясь, они образуют зародышевую трещину 8, направленную вдоль плоскости, проходящей через V-образную режущую кромку клина 3 (фиг.2). Дальнейшее развитие трещины 8 обеспечивается вытеснением флюида 6 клином 3 из скважины в полость трещины 8. Флюид 6, обладая высокой вязкостью, движется по трещине 8 с большим сопротивлением и раздвигает ее стенки.

Экспериментальные исследования подтверждают получаемый эффект (фиг.4). Разрыв бетонного блока, по центру которого был пробурен шпур, произошел в плоскости, проходящей через диагональ блока и V-образную режущую кромку клина 3, а значит, предлагаемое устройство позволяет создавать направленные трещины в скважинах даже по пути наибольшего сопротивления разрыву камня, без наличия концентраторов напряжений.

Устройство для образования направленных трещин в скважинах по второму варианту исполнения (фиг.5, 6) состоит из цилиндрического корпуса 1 (далее - корпус 1) с кольцевым выступом (поз. не обозначен) и ударного механизма 2, установленного на торце корпуса 1. Корпус 1 имеет съемную оболочку (поз. не обозначена), состоящую из двух полуцилиндрических обкладок 9 (далее - обкладки 9), имеющих в верхней части на наружной стороне буртик 10. Свободный конец (поз. не обозначен) корпуса 1 выполнен плоским с торца или с углом заострения не меньше 40°.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от требуемого направления образования трещины 8 устанавливают обкладки 9 съемной оболочки в скважине. Затем скважину вместе с обкладками 9 заполняют флюидом 6 и подают в нее устройство со стороны свободного конца корпуса 1. Далее включают ударный механизм 2. В качестве ударного механизма 2 могут использоваться любые ударные машины для забивания в грунт стержневых элементов. Под действием ударных импульсов происходит взаимодействие корпуса 1 с флюидом 6 и передача энергии ударов во флюиде 6. В результате по площади стенок обкладок 9 распределяется ударный импульс давления флюида 6, и на стенки скважины действуют усилия, направленные по нормали к секущей плоскости, проходящей через щели (поз. не обозначены) между обкладками 9. При этом в породе 7 возникают растягивающие напряжения, действие которых вызывает развитие ее микродефектов. Объединяясь, они образуют зародышевую трещину 8, направленную вдоль щелей между обкладками 9 (фиг.6). Дальнейшее развитие трещины 8 обеспечивается вытеснением флюида 6 корпусом 1 из скважины в полость трещины 8. Флюид 6, обладая высокой вязкостью, движется по трещине 8 с большим сопротивлением и раздвигает ее стенки.

Экспериментальные исследования подтверждают получаемый эффект, а значит, предлагаемое устройство позволяет создавать направленные трещины в скважинах, даже по пути наибольшего сопротивления разрыву камня, без наличия концентраторов напряжений.

1. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом, снабженный ударным механизмом, установленным на торце цилиндрического корпуса, свободный конец которого выполнен заостренным, отличающееся тем, что заостренный конец цилиндрического корпуса представляет собой двузубый клин с углом зуба α, V-образной режущей кромкой и двумя V-образными вертикальными пазами, противоположно выполненными по разные стороны от V-образной режущей кромки, при этом каждый указанный паз образован двумя плоскостями, расположенными под углом β<180° и образующими рабочие грани двузубого клина.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двузубый клин снабжен режущей пластиной, соединяющей точки противолежащих частей V-образной режущей кромки.

3. Устройство для образования направленных трещин в скважинах, включающее цилиндрический корпус с кольцевым выступом на свободном конце, снабженный ударным механизмом, который установлен на торце цилиндрического корпуса, отличающееся тем, что цилиндрический корпус снабжен съемной оболочкой, выполненной в виде двух полуцилиндрических обкладок, при этом цилиндрический корпус установлен с возможностью осевого смещения относительно полуцилиндрических обкладок, которые снабжены буртиком на наружной стороне в верхней части.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что свободный конец цилиндрического корпуса выполнен плоским с торца или с углом заострения не меньше 40°.