Способ разрушения горных пород ударными импульсами и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к горной, горно-строительной и строительной промышленности и может быть использовано для разрушения твердых пород при бурении взрывных и геологоразведочных скважин буровыми станками. Способ заключается в наложении на ударный импульс, возникающий от действия ударного механизма, дополнительного импульса. Дополнительный импульс формируют перемещением тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью. Формированием импульса управляют с помощью внешнего магнитного поля и изменения объема тяжелой магнитоактивной жидкости. Устройство для реализации способа содержит породоразрушающий инструмент, ударный механизм, включающий поршень с внутренней полостью, заполненной тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью. Ударный механизм снабжен размещенными в его корпусе электромагнитными обмотками. Поршень выполнен полым с возможностью изменения объема его внутренней полости и поджат пружиной. Изобретение обеспечивает повышение стойкости коронок и бурового става, а также увеличение скорости бурения. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к горной, горно-строительной и строительной промышленности и может быть использовано для разрушения твердых пород при бурении взрывных и геологоразведочных скважин буровыми станками.

Известен способ бурения с использованием буровых станков, осуществляющих вращательно-ударное бурение, в котором применяются комбинированные долота, включающие шарошки и резцы (Катанов Б.А., Сафохин М.С. Инструмент для бурения взрывных скважин на карьерах. - М.: Недра, 1989. с. 27-29). Недостатком данного способа является ограничение области применения и использования по крепости породы, а также необходимость разработки и сложность изготовления долот нового типа.

Известен способ бурения станками с электровибробурами (Иванов К.И., Латышев В. А. , Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987, с. 179-184, 262-265), работающими на основе эффекта магнитострикции, устройство для бурения включает буровой снаряд, амортизаторы, блоки питания, переходные муфты, каналы для прохода сжатого воздуха, пружины, заключенные в корпусе.

Недостатками известного способа и устройства являются значительное увеличение длины бурового снаряда, необходимость наличия кабельной секции с ртутным контактом, малые по амплитуде ударные импульсы, проходящие по буровому ставу на корпус станка, а также генерирование не оптимального по форме ударного импульса, вызывающего повышенный износ штанг и долот и наличие отраженного импульса.

Известен также способ разрушения горных пород ударными импульсами (А/с 857415, МПК Е 21 В 4/06. Опубликован БИ 31, 1981 г.), при котором в промежуточном элементе ударной машины формируются последовательные во времени ударные импульсы, причем время начала каждого последующего удара смещено относительно удара предыдущего, а заканчивается воздействие ударников одновременно.

Недостатком известного способа является невысокий срок службы породоразрушающего инструмента и бурового става, вызванный сложностью конструкции ударного механизма, имеющего большое число дополнительных ударников и ступенчатую форму переднего фронта ударного импульса.

Также известно устройство для бурения, осуществляющее ударно-вращательное бурение, в котором применяется комбинированный породоразрушающий инструмент, включающий шарошки и долота, а также ударный механизм (погружной пневмоударник), включающий поршень с каналами (Филиппов Г.С. и др. Обоснование параметров и исследования комбинированного бурового инструмента. В сб.: "Разработка и совершенствование техники и технологии для предприятий горнорудной промышленности". Изд. Гипроникель, Л., 1991, с. 25-33). Недостатком его является ограничение по долговечности (стойкости) узла крепления шарошки в лапе долота, а также сложность изготовления и необходимость разработки долот нового типа.

Известен принятый за прототип способ разрушения горных пород, осуществляемый с помощью "Устройства ударного действия для разрушения горных пород" (А/с 1153052 М., кл. Е 21 С 3/00, публ. 1985 г.). Способ заключается в том, что при разрушении горных пород на ударный импульс, возникающий от действия на породоразрушающий инструмент корпуса поршня, накладывают дополнительный импульс, создаваемый перемещением в полости поршня тяжелой жидкости.

Устройство по а.с. 1153052 содержит машину ударного действия с коронкой и поршнем, внутри которого выполнена полость, частично заполненная тяжелой жидкостью (ртутью).

Но этот способ и устройство имеют недостаток, заключающийся в неуправляемости дополнительного ударного импульса, что приводит к снижению скорости бурения и стойкости долота, к тому же использование ртути является вредным.

Техническим результатом является устранение указанных недостатков, а именно повышение скорости бурения и стойкости долота и улучшение экологичности.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе разрушения горных пород ударными импульсами осуществляется путем наложения на ударный импульс, возникающий от действия ударного механизма, дополнительного импульса, создаваемого перемещением тяжелой жидкости в полости поршня ударного механизма, согласно изобретению дополнительный импульс формируют перемещением в полости поршня тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью, причем формированием импульса управляют с помощью внешнего магнитного поля и изменения объема тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью.

Технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве для разрушения горных пород ударными импульсами, содержащем породоразрушающий инструмент, ударный механизм, включающий поршень с внутренней полостью заполненной тяжелой жидкостью, согласно изобретению ударный механизм снабжен размещенными в его корпусе электромагнитными обмотками, а поршень выполнен с возможностью изменения объема его внутренней полости и поджат пружиной со стороны породоразрушающего инструмента, причем полость поршня заполнена тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью.

Благодаря этому ударные импульсы, возникающие от действия на породоразрушающий инструмент поршня ударного механизма и порций тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью, расположенных в разных камерах полости ударника, разнесены во времени и отличаются по интенсивности. Поэтому появляется возможность в зависимости от объемов камер, которые могут изменяться с помощью передвижения перегородок, и величины заполнения камер тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью формировать ударные импульсы разной формы, создавать форму импульса, наиболее рациональную для заданного типа разрушаемой породы, в зависимости от типа породоразрушающего инструмента и бурового става, что позволяет повысить стойкость коронок и штанг (бурового става), а также увеличить скорость бурения.

Способ и устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен прямоугольный ударный импульс, на фиг. 2 - импульс оптимальной формы с экспоненциальным передним фронтом с указанием зон его формирования, на фиг. 3 - показано устройство в разрезе; на фиг. 4 - узел "А", указанный на фиг. 3 (поршень в верхнем положении); на фиг. 5 - узел "А", указанный на фиг. 3 (поршень в нижнем положении), после нанесения удара поршнем по концевой муфте породоразрушающего инструмента.

Способ предназначен для бурения крепких пород при разрушении их породоразрушающим инструментом 1. Устройство установлено на буровой колонне 2 и содержит ударный механизм (например, пневмоударник) 3 с упругим элементом, например пружиной 4 в корпусе 5, выполненный со встроенными электромагнитными обмотками 6 для генерирования электромагнитных колебаний, соединенными с силовым кабелем (не показан). Поршень 7 ударного механизма 3 выполнен полым с наполнением тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8 (например, рабочей жидкостью типа "Полюс" с наполнением металлическими частицами, которая имеет динамический коэффициент вязкости порядка 10^-3 Па•с). Поршень 7 со стороны породоразрушающего инструмента поджат пружиной 4. Поршень 7 может быть изготовлен из немагнитного металла (например, сталь 12Х18Н9). Воздухораспределительный механизм 9 с каналами 10, 11, 12 заставляет поршень 7 совершать возвратно-поступательные движения в корпусе 5.

Корпус ударного механизма 5 связан с одной стороны посредством концевой муфты 13, переходника 14 с породоразрушающим инструментом 1, а с другой стороны посредством переходной муфты 15 с буровой колонной 2. Поршень 7 имеет камеры 16, разделенные перегородками 17.

Изобретение характеризуется тем, что бурение производится при формировании не прямоугольного импульса, как это происходит при нанесении одиночного удара (фиг. 1), а импульса Л-образного вида с экспоненциальным, крутым передним фронтом и круто обрывающимся задним (фиг. 2). Это достигается тем, что на ударный импульс, передаваемый поршнем 7 породоразрушаемому инструменту 1, накладывается дополнительный импульс, создаваемый тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8 в камерах 16, взаимодействующей с электромагнитным полем, от обмоток 6 в корпусе 5 ударного механизма 3.

Устройство работает следующим образом. При бурении вертикальных скважин (шпуров) поршень 7 находится в верхнем положении, пружина 4 растянута, воздух через воздухораспределительный механизм 9 и канал 11 поступает в поршневую часть ударного механизма 3 и давит на поршень 7, тяжелая магнитоактивная жидкость с низкой вязкостью 8 в камерах 16 поршня 7 под действием сил тяжести находится внизу камер 16 поршня 7. Во время ускоренного движения поршня 7 вниз тяжелая магнитоактивная жидкость 8 под действием сил инерции уходит в верхнюю часть камер 16 поршня 7, задерживаясь магнитным полем, создаваемым обмотками 6 (фиг. 4). В результате движения поршня 7 вниз происходит сложный удар: сначала на породоразрушающий инструмент 1 (через муфту 13) действует нагрузка посредством сжатия пружины 4, потом ударяет сам поршень 7 своим корпусом, затем происходят "плавные" удары тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8 в камерах 16, причем в каждой из камер 16 (количество камер в поршне 7 может быть различным), имеющих разные объемы и степени заполнения их тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8, моменты начала ударов порцией тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 в нижней камере 16 поршня 7 (зона Б, фиг. 2), порцией тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 в средней камере 16 поршня 7 (зона В, фиг. 2) и порцией тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 в верхней камере 16 поршня 7 (зона Г, фиг. 2) разнесены во времени соответственно на величины t1, t2 и t3 относительно момента начала удара корпуса поршня 7 (зона А, фиг. 2). В целом удар характеризуется нарастающим во времени импульсом, усиливаемым действием поля обмоток 6. После удара поршень 7 идет вверх, в исходное положение под действием пружины 4, а также в результате давления снизу воздуха, поступающего по каналу 10 в корпусе 5 ударного механизма 3, канал 10 открывается при перебрасывании воздухораспределительного механизма 9. Далее цикл повторяется.

Изменение передней формы ударного импульса, необходимое при разрушении пород различной крепости, состава и трещиноватости, производится путем создания дополнительного импульса получаемого при перемещении тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью. Управление дополнительным импульсом осуществляется внешним магнитным полем обмоток 6, а также изменением активного объема тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 путем изменения объема внутренних камер 16 поршня 7 перемещением перегородок 17 и степени заполнения камер 16 тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8.

Благодаря этому ударные импульсы, возникающие от действия на породоразрушающий инструмент корпуса поршня и порций тяжелой магнитоактивной жидкости, расположенных в разных камерах поршня, разнесены во времени и отличаются по интенсивности. Поэтому в зависимости от объемов камер и степени заполнения камер тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью могут формироваться ударные импульсы разной формы. Создание рациональной формы импульса для определенной породы в зависимости от типа породоразрушающего инструмента и бурового става позволяет повысить стойкость коронок, а также увеличить скорость бурения.

Формула изобретения

1. Способ разрушения горных пород ударными импульсами, заключающийся в наложении на ударный импульс, возникающий от действия ударного механизма, дополнительного импульса, создаваемого перемещением тяжелой жидкости в полости поршня ударного механизма, отличающийся тем, что дополнительный импульс формируют перемещением в полости поршня тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью, причем формированием импульса управляют с помощью внешнего магнитного поля и изменения объема тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью.

2. Устройство для разрушения горных пород ударными импульсами, содержащее породоразрушающий инструмент, ударный механизм, включающий поршень с внутренней полостью, заполненной тяжелой жидкостью, отличающееся тем, что ударный механизм снабжен размещенными в его корпусе электромагнитными обмотками, а поршень выполнен полым с возможностью изменения объема его внутренней полости и поджат пружиной, причем полость поршня заполнена тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что полость поршня выполнена из нескольких камер переменного сечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5