устройство для термомеханического разрушения горных

пород

изобретение относится к устройству для термомеханического разрушения горных пород путем воздействия высокотемпературной закрученной пульсирующей газовой струей и абразивным материалом при проходке горных выработок и скважин большого диаметра в крепких горных породах и может быть использовано в горном деле и строительстве инженерных сооружений. известно устройство, реализующее способ термического расширения скважины путем воздействия на ее стенки высокотемпературной газовой струей, в которую вводят сыпучий абразивный материал. оно содержит соединенный с буровой штангой огнеструйный термоинструмент для формирования газовой струи и приспособление для подачи в нее сыпучего абразивного материала (а. с. ссср M 378521, мпк E 21 с 21/00, 1972). недостатком такого технического решения является то, что специально доставляемый абразивный материал от бурового станка к забою скважины значительно удорожает стоимость бурения.

известно также техническое решение (а. с. ссср JYa 824701, мпк E 21 с 23/00, 1980), в котором устройство содержит соединенный с буровой штангой огнеструйный термоинструмент для формирования высокотемпературной сверхзвуковой газовой струи и приспособление для подачи в нее, только при забуривании, сыпучего абразивного материала. огнеструйный термоинструмент выполнен в виде нескольких огнеструйных горелок, сопловые отверстия которых обращены к стенкам скважины и размещены по винтовой линии

вокруг буровой штанги. устройство снабжено также охлаждаемым кожухом с боковыми отверстиями, установленным снаружи горелок коаксиально штанге, и буровой коронкой, закрепленной на конце штанги и имеющей с торца боковые щели для пропуска продуктов разрушения, паро-, и газового потока в полость буровой штанги и соединенной со шламовой трубой, распложенной в буровой штанге и имеющей выход в пространство скважины. такое устройство способно генерировать и выбрасывать раскаленные газы и абразивный материал (продукты разрушения) со сверхзвуковой скоростью на стенки скважины под острым углом или по касательной, а газовому потоку с введенным в него абразивным материалом, сообщать вращательное движение и направлять его к забою скважины (выработки) по спирали вдоль ее стенок, которые, омывая разрушаемую поверхность, активно воздействуют на породу. одновременного воздействия интенсивных тепловых потоков, развиваемых закрученным по спирали сверхзвуковым высокотемпературным двухфазным потоком, акустических волн и частиц абразивного материала на породу оказывается достаточным, чтобы осуществить интенсивное разрушение даже труднобуримых горных пород.

существенным недостатком этого устройства является то, что при бурении содержание твердой фазы в потоке в плохотермобуримых породах может оказаться недостаточным (ниже оптимального значения), а в хорошотермобуримых - избыточным (выше оптимума). кроме того его генератор высокотемпературных, сверхзвуковых газов (огнеструйный термоинструмент) выполнен в виде нескольких огнеструйных горелок, которыми необходимо управлять согласованно, одновременно и в то же время индивидуально. выход из строя или нарушение режима одной из них нарушает работу устройства в целом. такое конструктивное исполнение усложняет управление устройством и снижает его надежность в работе. наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению является устройство, содержащее соединенный с буровой штангой термоинструмент в виде нескольких огнеструйных горелок, сопловые отверстия которых обращены к стенкам скважины и размещены по винтовой линии вокруг буровой штанги, охлаждаемый кожух с боковыми отверстиями, установленный снаружи грелок коаксиально штанге, буровую коронку, прикрепленную на конце штанги и имеющую боковые открытые с торца щели для пропуска продуктов

разрушения, пара и газа потока, шламовую трубу, приспособление для подачи в струю сыпучего абразивного материала только на время забуривания, конический вибрирующий диск, буровую штангу с закрепленными на ее конце коронкой и шламовой трубой, выступающей относительно кожуха на расстояние не менее 0,7 его радиуса, образуя между кожухом термоинструмента и коническим диском кольцевой стабилизирующий канал циклона (а. с. ссср N° 1480392, мпк E 21 б 7/14, E 21 ж 37/16, 1989). на выступающей части буровой штанги коаксиально с возможностью перемещения вдоль ее оси с совмещенными перепускными окнами распложены вибрирующая наружная труба, соединенная на концах с коническим диском и направляющим цилиндром с вибратором, и промежуточная труба, перекрывающая последовательно или одновременно входные перепускные совмещенные сквозные верхние и нижние окна штанги, шламовой и наружной вибрирующих . труб, и соединенная в верхней части с трехпозиционным переключателем. устройство обладает рядом существенных недостатков, т.к. его энергетическая часть представлена сложной многогорелочной системой и индивидуальным подводом (для каждой огнеструйной горелки) топливных компонентов и хладагента. выход из строя или нарушение режима одной из горелок (по сути являющихся самостоятельными огнеструйными горелками, которые должны работать одновременно при их индивидуальном управлении) приостанавливает работу всего устройства. увеличиваются его простои, снижается надежность и производительность. кроме того, термоинструмент, выполненный из множества самостоятельных и в то же время зависимых друг от друга огнеструйных горелок, конструктивно и в управлении сложный и громоздкий. задачей изобретения является разработка усовершенствованной конструкции устройства для термомеханического разрушения горных пород при проходке горных выработок и скважин большого диаметра в крепких горных породах. технический результат - повышение надежности, производительности и упрощение конструкции - достигается тем, что устройство термомеханического разрушения горных пород, содержит:

- приспособление только на период забуривания для подачи в струю сыпучего абразивного материала;

- буровую штангу с закрепленными на ее конце коронкой и шламовой трубой, выступающую относительно кожуха на расстояние не менее 0,7 его радиуса,

образуя между кожухом термоинструмента и коническим диском кольцевой стабилизирующий канал циклона;

- вибрирующую наружную трубу, с перепускными окнами, совмещенными со шламовой и наружной трубами, расположенную коаксиально, с возможностью перемещения вдоль оси буровой штанги, соединенную на концах с коническим диском и направляющим цилиндром с вибратором;

- и промежуточную трубу, перекрывающую последовательно или одновременно входные перепускные совмещенные сквозные верхние и нижние окна штанги, шламовой и наружной вибрирующей труб, и соединенную в верхней части с трехпозиционным переключателем.

на буровой штанге вдоль оси последовательно размещены охлаждаемый энергетический циклон, два и более сверхзвуковых охлаждаемых сопла и технологический циклон, причем сверхзвуковые охлаждаемые сопла расположены на периферии донной части энергетического циклона по винтовой линии и обращены наружу от оси буровой штанги в сторону буровой коронки под острым углом или по касательной к цилиндрической боковой стенке энергетического циклона.

на чертеже изображено устройство для термомеханического разрушения горных пород в продольном разрезе.

устройство 1 для осуществления термомеханического разрушения горных пород смонтировано на пустотелой штанге 2, которая проходит сквозь энергетический циклон 3, сопловой аппарат 4 и технологический циклон 5. в нижней выступающей из кожуха 6 части штанги 2 закреплена буровая коронка 7 с боковыми, открытыми с торца щелями 8, которые тангенциально направлены и служат для пропуска продуктов разрушения в полость шламовой трубы (не показана), соединенной с буровой коронкой 7, расположенной внутри штанги 2 и имеющей в верхней части выход (не показан) полости штанги 2. между кожухом и устройством 1 и буровой коронкой 7 на штанге 2 коаксиально установлена наружная труба 9, перемещающаяся вдоль оси устройства, внутри которой расположена трехпозиционная промежуточная труба (не показана), перекрывающая входные перепускные совмещенные окна 10 и 11 штанги 2, шламовой трубы (не показана) и наружной трубы 9. в нижней части трубы 9 жестко соединена с конусным диском 12, а в верхней -

направляющим цилиндром 13, внутри которого размещены вибраторы и трехпозиционный переключатель (не показаны) для вибрации конусного диска или переключения входных перепускных окон 10 и 11. над энергетическим циклоном 3 и на штанге 2 установлена открытая с боковых сторон кольцеобразная обойма 14, в пазу которой размещено пустотелое уплотняющее кольцо (тороид) 15 из эластично-упругого материала, заполненного сжатым воздухом. над обоймой 14 на штанге 2 надето ограничительное кольцо 16. сопловой аппарат состоит из ряда сверхзвуковых сопел 17, отверстия которых обращены к стенкам скважины по касательной или под острым углом по винтовой линии вокруг буровой штанги и соединяют камеры энергетического 3 и технологического 5 циклонов. по трубам 18, 19 и 20 подаются топливо, окислитель и хладагент. устройство 1 взаимодействует с выработкой (скважиной) 21 и забоем 22 посредством струй раскаленного газа 23, истекающего из камеры сгорания 24, и направленные под острым углом или по касательной к стенкам предварительно пройденной, но еще конической, выработки 25, которую расширяют до номинальных размеров 26. двухфазный поток 27 в виде сильно закрученного вихря устремляется к забою 22, омывает его по зазорам 28 опережающей скважины 29, ее забоя 30, попадает в шламовую трубу (не показана), по которой удаляются отработанный газ и продукты разрушения 31. на участках наиболее энергоемкого разрушения 22 и 30 возбуждается пульсация сформированного потока 27 и 32. в подогретом виде окислитель подается по шлицам 33 в камеру энергетического циклона 3. по трубопроводу 20 подается по шлицам 33 в камеру энергетического циклона 3. по трубопроводу 20 подается хладагент (вода) для охлаждения стенок 34, 35 циклонов 3 и 5 и соплового аппарата 4 и других элементов устройства. устройство работает следующим образом.

подают топливо, окислитель и хладагент в энергетический циклон 3 по трубам 18, 19, 20, зажигают топливную смесь и выводят циклон на рабочий режим, нагружая сопла 17 соплового аппарата 4. с установлением рабочего режима устройство 1 погружают в приспособление (патрубок) для забуривания (не показано), подают на время забуривания песок. после забуривания и погружения устройства 1 в выработку (скважину) 21 прекращают подачу внешнего абразивного материала и переходят на режим использования в качестве абразивного материала продуктов разрушения горных пород. буровая

штанга 2 с термическим (огнеструйным) буровым рабочим органом в виде энергетического циклона 3 с сопловым аппаратом 4, включающим несколько (два, три и более) сверхзвуковых сопел 17, направленных в технологическую циклоновую камеру 5 так, что их оси находятся под острым углом или по касательной к стенкам выработки, буровой коронкой 7, шламовой и промежуточной (не показана), внешней 9 трубами и конусным диском 12 подаются на забой 22 выработки. раскаленный газ 23 выбрасывается из сопел 17 соплового аппарата 4, поступая из камеры сгорания 24 энергетического циклона 3. сверхзвуковые струи раскаленного газа 23 направлены под острым углом или по касательной к стенкам предварительно пройденной, но еще конической, выработки 25, омывают ее боковые стенки и расширяют выработку 25 до номинальных размеров 26, насыщаясь абразивным материалом в виде частиц (шелушек) продуктов разрушения горных пород. двухфазный поток 27 далее сильно закрученным вихрем устремляется к забою 22 выработки 21, омывает его, и по зазорам 28 опережающей скважины 29, ее забоя 30 и буровой коронки 7 попадает по боковым открытым с торца коронки 7 щелям 8 в шламовую трубу (не показана), по которой удаляются отработанный газ и продукты разрушения 31 из скважины (горной выработки). между кожухом б, вибрирующим диском 12, буровой коронкой 7, забоем 22, стенкой выработки 25 и внешней трубой 9 образуется пространство технологического циклона 5, заполненное сильно закрученным сверхзвуковым высокотемпературным газом 23, постепенно насыщаемым по мере продвижения к забою продуктами разрушения, превращая его в двухфазный поток 27, интенсифицирующий процесс разрушения на основных участках - забое 22 и опережающей скважине 29. на участке расширения 25, окончательного формирования и доводки до номинальных размеров выработки 26, происходит интенсивное шелушение, аналогичное при обработке камня или расширение скважины (образование котлов), с постепенным (по мере продвижения потока к забою) ростом интенсивности процесса за счет роста содержания в потоке продуктов разрушения, и у забоя на участках наиболее энергоемкого разрушения 22, сформированный поток 27, 32 достигает максимальной производительности. одновременно внешняя труба 9 с жестко закрепленным диском 12 с помощью шарнирно соединенных вибраторов, штоков и направляющего цилиндра 13, скользя по промежуточной трубе (не показана), совершают возвратно-поступательное движение

(вибрируют), нанося механические удары по забою 30, и перекрывают выход двухфазному потоку 27 к забою 22, передовой скважине 29 и в шламовую трубу. возбуждается пульсация потока 27 и 32, что также благоприятно влияет на интенсификацию процесса разрушения. изменяя частоту пульсации и скважность импульсов потока с помощью конического вибрирующего диска 12 достигают максимальной производительности и стабильности процесса за счет оптимизации весового соотношения компонентов двухфазного потока. наиболее выгодное значение частоты и скважности импульсов устанавливают в каждом конкретном случае экспериментально. не смотря на то, что обеспечивается высокая интенсивность и стабильность процесса разрушения горных пород независимо от их термобуримости, допустимо отклонение в сторону избытка содержания твердой фазы (абразивного материала) на выходе из технологической камеры 5 устройства 1 от оптимальных значений 0,1-0,3 до меньших величин 0,05-0, 1. оптимизация соотношения компонентов осуществляется следующим образом. в случае бурения в плохотермобуримых породах, т.е. при недостаточном (ниже оптимального) содержание в потоке продуктов разрушения, коническим диском 12 перекрывается выход потоку из технологической циклонной камеры 5 к забою 22, передовой скважине 29, коронке 7 и шламовой трубе. поток изменяет направление и вынужден устремиться к открытым окнам 10, через них - в шламовую трубу. промежуточная труба (не показана) занимает нижнее положение, открыв совмещенные перепускные окна 10 наружной трубы 9, штанги 2 и шламовой трубы. двухфазный поток, изменив направление, совершает интенсивное вращение вокруг наружной трубы 9 в кольцевом стабилизирующем канале технологического циклона 5, сепарируя под действием массовых сил частицы продуктов разрушения и отбрасывая их к стенке выработки 25. продукты сгорания (газ) через окна 10 попадают в шламовую трубу. таким образом концентрация абразивного материала в двухфазном потоке растет до оптимальных весовых соотношений, например, до 0,1-0,3. в случае, когда проходка горной выработки производится по хорошо термобуримым породам, возможен значительный избыток абразивного материала в потоке.

удаление излишних продуктов разрушения из потока 27 производится следующим образом. с помощью трехпозиционного переключателя (не

показан) поднимают промежуточную трубу (не показана) и перекрывают ее стенкой верхние окна 10, одновременно открывая нижние окна 11. теперь, в момент перекрытия забоя 22 выработки диском 12, газ с продуктами разрушения круто поворачивая и вращаясь вокруг наружной трубы 9, возвращается в поток 27, а частицы под действием массовых сил, возникающих при повороте двухфазного потока (изменение направления) на начальном пути прижимаются к внешним стенкам наружной трубы 9, попадая в проемы окон 11, выбрасываются в шламовую трубу. основной поток, освобождаясь от излишков твердой фазы, направляется на забой 22 выработки 25 и в опережающую скважину 29 (конусный диск 12 находится в приподнятым состоянии).

если твердой фазы в потоке содержится в пределах оптимума, промежуточная труба (не показана) с помощью трехпозиционного переключателя (не показан), управляемого автоматикой с пульта машиниста, занимает среднее (промежуточное) положение, и окна 10 и 11 оказываются одновременно закрытыми стенкой промежуточной трубы (третья ее позиция). в этом случае весь поток 27 направляется на забой 22 выработки 25 и в опережающую скважину 29. трехпозиционным переключателем и вибраторами, расположенными в направляющем цилиндре 13, могут управлять микропроцессоры (компьютеры) (не показаны). во время работы устройства 1 датчики автоматически непрерывно следят за содержанием шлама и по результатам, с помощью компьютеров, вводятся соответствующие коррективы в режим работы вибраторов и положение трехпозиционного переключателя. таким образом, в предлагаемом устройстве энергетический циклон имеет ряд существенных преимуществ в сравнении с обычными реактивными газоструйными (термическими) горелками. это - простота и надежность, высокая удельная теплопроизводительность, способность сжигать газообразное, жидкое и пылевидное горючее за счет высокой смесообразовательной способности циклонной камеры. вследствие закономерностей движения, характеризуемых зоной повышенного давления на периферии и пониженного — в центральной части, сильно закрученный поток создает благоприятные условия для образования вторичных циркуляционных вихрей, способствующих значительной турбулизации потока и улучшению смесеобразования. следовательно, чисто аэродинамическими средствами в сочетании с геометрией циклона созданы компактные высокотешюнапряженные устройства. подача

топлива в пристенную область циклона позволяет создавать в периферийной зоне восстановительную газовую фазу с коэффициентом избытка воздуха на выходе из соплового аппарата, близким к единице, незначительное количество свободного кислорода и практически полное отсутствие окиси углерода. это обеспечивает полноту тепловыделения и высокую теплонапряженность в циклоне даже при наличии локальных зон с восстановительной газовой средой. наличие соплового аппарата в донной части энергетической циклонной камеры позволяет выбрасывать высокотемпературный, высокоскоростной газ (продукты горения) в технологическую камеру, причем газ в технологической камере претерпевает целый ряд сложных преобразований: мощное вихревое движение, пульсацию, насыщение твердой разрушаемой массой (абразивными частицами), а также струйками воды, каплями и паром, причем каждый из этих компонентов вносит свой вклад в разрушение горной породы на своем пути движения к забою выработки, попутно совершая работу по калибровке ее сечения и, в конечном итоге, становятся наиболее активным разрушающим рабочим телом. в целом, такой двухфазный поток интенсифицирует и стабилизирует процесс термомеханического разрушения горных пород любой термобуримости (состава и состояния) в наиболее трудных условиях при разрушении забоя и проходке опережающей скважины горной выработки или горной скважины.

таким образом, преимущества устройства для термомеханического разрушения горных пород в конструктивном (простота, надежность, компактность), энергетическом (высокие удельные тепловые напряжения, интенсивность и полнота сжигания даже твердого пылевидного топлива, высокий коэффициент полезного действия топки), экологическом (незначительное количество свободного кислорода, практически полное отсутствие окиси углерода) отношениях. за счет высокой полноты сгорания топлива повышается стойкость сопел, а, следовательно, и всего устройства. упрощаются контроль и управление устройства за счет наличия всего одной энергетической циклонной камеры (отсутствия огнеструйных многогорелочных систем). появляется возможность создания в широком диапазоне типоразмеров, сохраняя простоту, оперативность и эксплуатационную доступность. сам же высокотемпертурный сверхзвуковой газ, преобразуясь в мощный высокотеплонапряженный большой разрушительной силы двухфазный пульсирующий сильно закрученный поток,

направленный к забою выработки и опережающей скважины, производит высокоэффективную работу по направленному интенсивному разрушению горных пород любой термобуримости, что существенно расширяет современную область применения термомеханических устройств.