Устройство для заряжания скважин с проточной водой на карьерах неводоустойчивыми вв и способ его использования

 

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к заряжанию обводненных скважин при производстве взрывных работ на карьерах. Устройство для заряжания состоит из трех основных узлов. Головки, состоящей из отрезка трубы и крышки, на которой установлены патрубки для подачи и выпуска сжатого воздуха, прочно раскрепляемой в устье скважины. Устройство для раскрепления головки представляет собой резиновый фартук, прочно прикрепленный к нижней части отрезка трубы головки. Фартук армирован гибкими, прочными продольными элементами с малой растяжимостью. Нижняя часть фартука разрезана на продольные полосы длиной, равной нескольким диаметрам скважины. Вторым узлом является рукав диаметром, большим диаметра скважины, из устойчивого к воде и ВВ гибкого материала. Нижний конец рукава герметизирован и снабжен грузом для погружения в воду. Рукав пропущен через отрезок трубы головки до дна скважины, а верхний конец его расправлен на верхнем срезе трубы и, охватывая верх трубы, герметично зажат на нем через уплотнительные прокладки крышкой головки посредством зажимов. Третьим узлом являются водоотводящие шланги из водостойкого материала с достаточной поперечной жесткостью, проходящие вдоль стенок скважины от поверхности уступа до дна скважины. При плавной подаче сжатого воздуха через патрубок рукав расправляется. Давлением воздуха нижние продольные полосы фартука прижимаются к стенкам скважины, обеспечивая раскрепление головки в устье скважины, и выдавливают воду из скважины через шланги. После удаления воды давление воздуха в рукаве сбрасывают, шланги извлекают, крышку открывают и производят заполнение рукава ВВ с установкой боевиков и засыпают забойкой верхнюю часть скважины. Затем извлекают головку. Этим заканчивается зарядка скважины. Изобретение обеспечивает повышение надежности и эффективности работ по заряжанию обводненных скважин, в том числе скважин с проточной водой. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горным работам, а точнее к открытым взрывным работам на карьерах с использованием скважинных зарядов.

Заряжание скважин с проточной водой на карьерах, а таких скважин в России около 70%, неводоустойчивыми ВВ относится к числу остро актуальных проблем. Актуальность проблемы возникла с начала широкого использования на карьерах аммиачно-селитренных ВВ для взрывных работ скважинными зарядами, поскольку эти ВВ, имея ряд преимуществ, не обладают необходимой водоустойчивостью. Решение проблемы шло в двух направлениях: в направлении придания аммиачно-селитренным ВВ достаточной водоустойчивости и в направлении разработки устройств, позволяющих заряжать обводненные скважины неводоустойчивыми ВВ.

Из многочисленного количества изобретательских предложений устройств ни одно из них не получило широкого применения из-за присущих им недостатков.

В качестве прототипа изобретению взято устройство, по авторскому свидетельству СССР № 1693316, кл. Е 21 С 37/30, 1992 г., предназначенное для осушения скважин. Совпадающими с изобретением существенными признаками прототипа являются: наличие в устройстве прототипа водоотводящих средств, которые в описании называют то рукавами, то шлангами, пропущенными от устья скважины до ее дна, наличие рукава, раздуваемого сжатым воздухам, и наличие головки с крышкой, на которой расположен патрубок для подачи сжатого воздуха, имеющей приспособление для раскрепления головки в верхней части скважины, имеющей опорный элемент, ограничивающий глубину погружения головки в скважину, причем к элементу конструкции головки герметично прикреплена верхняя часть рукава.

Существенными признаками прототипа, но не совпадающими с нашим изобретением, являются: механизм для раскрепления головки в скважине в виде распорного конуса, который при движении вверх под действием винтового привода раздвигает металлические лепестки обсадной трубы головки до упора их в стенки скважины, наличие сетчатого цилиндра, на котором закреплен нижний конец рукава, а также материал рукава, который охарактеризован как эластичный.

Основными недостатками прототипа являются следующие:

1. Надежное закрепление головки в устье скважины не обеспечено. Дело в том, что форма поперечного сечения скважины существенно отклоняется от окружности: она имеет выступы и впадины на стенках. Концы же лепестков под действием распирающего конуса движутся все время находясь на правильных окружностях. Поэтому из всех лепестков, как правило, только три первыми подойдут к выступам на стенках и упрутся в них, принимая на себя всю нагрузку, причем значительную, а остальные лепестки останутся бездействующими. Рассмотрим пример скважины диаметром 250 мм и глубиной 20 м. Оптимальное давление сжатого воздуха для нее будет примерно 4 кг/см², следовательно, усилие, выталкивающее головку из скважины, достигнет 2000 кг. Оно должно уравновешиваться силами трения лепестков о стенки скважины. Для надежности примем запас 50%, т.е. дружно рассчитывать на силу трения на одном лепестке порядка 1000 кг. Даже если принять коэффициент трения равным 0,3, то сила давления лепестка на породу достигнет 3000 кг. Поскольку площадь контакта лепестка с породой, судя по описанию и чертежу, не превосходит 1 см², то давление на породу будет примерно 3000 кг/см², что в 3 раза превышает разрушающее давление для гранита и в 6 раз для известняка и песчаника. Следовательно, произойдет разрушение выступа и лепестки будут опираться не на монолитную породу, что не обеспечит надежности закрепления головки в скважине. Надежность работы механизма улучшилась бы, если на конце лепестка предусмотреть деталь, увеличивающую площадь контакта с породой.

2. Отсутствие герметичности нижнего конца рукава не обеспечивает надежную защиту заряда неводоустойчивого ВВ от действия на него воды в скважинах с существенной проточностью, учитывая, что время пребывания заряда в скважине от момента заряжания до взрывания на практике достигает 7 и более суток.

3. На участке рукава, примыкающему к месту его прикрепления к телу распирающего конуса, возможен прорыв стенки рукава давлением сжатого воздуха, поскольку на этом участке ему противодействует только атмосферное давление.

Наше изобретение имеет своей целью устранить недостатки прототипа и решить две задачи практики взрывных работ на карьерах:

1. Используя предлагаемое устройство заряжать скважины с проточной водой на карьерах средней и малой мощности неводоустойчивыми ВВ, в том числе дешевыми, изготовляемыми на местах их потребления, ВВ типа “аммиачная селитра-дизельное топливо” (АсДТ), используя простые приемы и недорогие материалы, надежно при этом защищая заряд от воздействия воды в течение длительного времени, выходящего за пределы требований практики взрывных работ на карьерах.

2. Предлагаемое устройство применять на мощных карьерах для заряжания обводненных скважин водосодержащими аммиачно-селитренными ВВ, сенсибилизированные тротилом, и эмульсионные ВВ, упростить технологию заряжания и вместо закачивания ВВ под столб воды заряжать скважины заполнением их с поверхности уступа. При этом возникает перспектива возможности изменения состава ВВ в направлении снижения его стоимости без потери качества.

Для выполнения поставленных задач устройство составлено из следующих основных конструктивных узлов, взаимодействием которых обеспечивается достижение заданного эффекта.

Первым основным узлом является головка, устанавливаемая в устье скважины и прочно закрепляемая в нем. Головка состоит из отрезка трубы диаметром, меньшим диаметра скважины, и длиной, равной нескольким диаметрам, и крышки с патрубком для подачи сжатого воздуха. В варианте исполнения предусмотрена установка дополнительного патрубка с большим проходным сечением для выпуска сжатого воздуха. На отрезке трубы имеются опорные элементы, ограничивающие глубину погружения головки в скважину. К нижней части отрезка трубы прикреплен резиновый фартук, армированный гибкими продольными элементами с малой растяжимостью, а нижняя часть фартука разрезана на продольные полосы.

Вторым основным узлом является рукав диаметром, большим диаметра скважины, нижний конец которого герметизирован и снабжен грузом. Рукав пропущен сквозь отрезок трубы до дна скважины, а верхний конец его расправлен на верхнем срезе отрезка трубы и, охватывая его, зажат через уплотняющие прокладки крышкою головки посредством зажимов.

Третьим основным узлом являются водоотводящие шланги, пропущенные вдоль стенок скважин до дна. Верхние концы шлангов находятся на поверхности в местах, предназначенных для приема отливаемой воды. В варианте исполнения нижние концы водоотливных шлангов снабжены обратными клапанами.

Устройство действует в две стадии. В первой стадии в рукав через патрубок подают от компрессора сжатый воздух, под действием которого рукав расправляется, прижимаясь к стенке отрезка трубы, затем фартука, прижимая его продольные полосы к стенкам скважины, и, наконец, к поверхности столба воды, оказывая на него давление, под действием которого вода через шланги удаляется из скважины на поверхность. При этом торцевая часть рукава, примыкающая к столбу воды, разворачивается, пока не завершится удаление воды из скважины. При этом запираются источники проточной воды. Таким образом, на первой стадии устройство работает как средство удаления воды из скважины. Во второй стадии после выпуска сжатого воздуха из рукава и извлечения из скважины водоотводящих флангов открывают крышку головки, и через вставленную в отрезок трубы воронку производят заполнение рукава ВВ с установкой боевиков, и оставшуюся часть скважины заполняют забойкой. После извлечения из скважины головки и до момента взрыва рукав работает как средство, предохраняющее ВВ от действия воды.

Существенными признаками, отличающими головку нашего устройства от головки прототипа, является наличие в нашей головке отрезка трубы, к нижней части которого прикреплен резиновый фартук, армированный гибкими, прочными продольными элементами с малой растяжимостью, причем низ фартука разрезан на продольные полосы. Фартук выполняет две функции.

Полосы фартука, прижатые через стенку рукава давлением сжатого воздуха вплотную к неровным стенкам скважины, служат устройством, закрепляющим головку в устье скважины. Причем чем больше давление сжатого воздуха в рукаве, тем пропорционально больше сила закрепления. Вторая функция фартука заключается в том, что часть его, примыкающая к отрезку трубы, служит опорой для рукава, препятствуя его разрушению давлением сжатого воздуха.

Существенными признаками, отличающими рукав в нашем устройстве от рукава в прототипе, являются герметичность нижнего конца рукава, снабженного грузом, и иное герметичное присоединение верхней части рукава к головке устройства. К материалу нашего рукава предъявляются требования быть стойким к воде и ВВ. Рукав прототипа изготовлен из пластичного материала, а наш из гибкого материала, позволяющего образовывать на стенках рукава складки с перегибом на 180° без нарушения целости материала. Примером реальных материалов, удовлетворяющих этому требованию, может служить полиэтилен и полипропилен – широко распространенные и достаточно дешевые материалы.

Существенными признаками наших водоотводящих шлангов от соответствующих устройств прототипа является изготовление их из водостойкого материала и требования, чтобы они имели поперечную жесткость, обеспечивающую несущественное уменьшение их проходного сечения при воздействии на наружную поверхность шлангов давления в несколько кг/см², поскольку такому давлению сжатого воздуха они подвергаются в процессе работы и чтобы они имели продольную гибкость достаточную для возможности наматывания их на барабан и гладкую наружную поверхность, чтобы не повредить стенки рукава при извлечении шлангов из скважины. Примером такого изделия может служить армированный резиновый шланг.

Технический результат использования изобретения – это обеспечение решения задач, поставленных в начале раздела о сущности изобретения.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, установленное в скважину на стадии удаления из нее воды.

На фиг.2 представлен вид сечения устройства по А-А.

Ниже дается описание устройства.

Устройство состоит из трех основных узлов. Первый узел - головка, установленная в устье скважины и прочно закрепленная в ней. Головка состоит из отрезка трубы 1 диаметром, меньшим диаметра скважины, и длиной, равной нескольким диаметрам, и крышки 2 с патрубком 3 для подачи сжатого воздуха. На фиг.1 показан вариант выполнения крышки с дополнительным патрубком 4 с увеличенным проходным сечением для быстрого выпуска сжатого воздуха. К отрезку трубы прикреплены опорные элементы 5, ограничивающие глубину погружения головки в скважину. К нижней части отрезка трубы 1 прикреплен фартук резиновый 6, армированный гибкими прочными продольными элементами с малой растяжимостью, а нижняя часть фартука разрезана на продольные полосы 7, которые, прижимаясь давлением сжатого воздуха через стенки рукава 9 к стенкам скважины, выполняют функцию механизма, раскрепляющего головку в скважине, а часть фартука 8, примыкающая к нижнему срезу отрезка трубы головки, служит опорой для рукава, препятствуя его разрушению давлением сжатого воздуха.

Вторым основным узлом является рукав 9 диаметром, большим диаметра скважины, нижний конец которого герметизирован и снабжен грузом 10 для погружения нижнего конца до дна, а верхний конец его 11 расправлен на верхнем срезе отрезка трубы и, охватывая его, зажат через уплотняющие прокладки крышкой 2 посредством зажимов. Материал рукава стоек к действию воды и ВВ и обладает гибкостью, позволяющей образовывать на стенках рукава складки с перегибом на 180° без разрушения целости материала. Примерами материалов, отвечающих этим требованиям, являются распространенные в технике полиэтилен и полипропилен.

Третьим основным узлом являются водоотводящие шланги 12, пропущенные вдоль стенок скважины до самого дна, а верхние концы их выведены на наружную поверхность в места проема извлекаемой из скважины воды. Шланги имеют гладкую наружную поверхность, изготовлены из водостойкого материала, имеют поперечную жесткость, обеспечивающую несущественное уменьшение их проходного сечения при воздействии наружного давления в несколько кг/см², и продольную гибкость достаточную, чтобы иметь возможность наматывать их на барабаны. В варианте исполнения шланги снабжены на нижних концах обратными клапанами.

Примером изделия, отвечающего указанным требованиям, является резиновый армированный шланг, варианты которого широко применяются на практике.

Способ заряжания скважин с проточной водой на карьерах с использованием описанного устройства заключается в выполнении следующих последовательных действий. В начале в верхнюю часть обводненной скважины опускают отрезок трубы 1 головки устройства до соприкосновения его опорных элементов 5 с поверхностью уступа, затем в заданных местах головки между отрезком трубы и стенкой скважины опускают в скважину водоотводящие шланги 12 до самого дна. После этого в раскрытый нижний конец рукава закладывают необходимого веса груз, чтобы обеспечить, погружение рукава в воду.

В качестве груза могут быть использованы плотные куски и шашки ВВ. Затем нижнюю часть рукава герметизируют путем завязывания его шпагатом или тонкой бечевкой и опускают рукав через отрезок трубы головки до самого дна скважины 10. Излишнюю верхнюю часть рукава отрезают до необходимой длины, разворачивают его на верхнем срезе 11 отрезка трубы и, охватывая его, зажимают герметично через уплотняющие прокладки крышкою 2 головки посредствам зажимов. После подсоединения к патрубку 3 на крышке 2 шланга от компрессора в рукав плавно падают сжатый воздух, обеспечивая его давлением производительное удаление воды из скважины. В варианте исполнения используют водоотводящие шланги, на нижних концах которых установлены обратные клапаны, чтобы избежать обратного слива воды при извлечении шлангов из скважины. После окончания истечения воды давление воздуха в рукаве быстро сбрасывают. В варианте способа используют устройство с дополнительным патрубком 4 повышенного проходного сечения на крышке головки 2.

После сброса давления крышку 2 головки открывают и одновременно начинают извлекать водоотводящие шланги из скважины и начинают заполнение рукава ВВ. Для быстрого заполнения рукава в отверстие отрезка трубы 1 вставляют загрузочную воронку. При заполнении рукава ВВ устанавливают боевики. Оставшуюся часть скважины заполняют забойкой. После чего из скважины извлекают головку. На этом заряжание скважины заканчивается и она становится подготовленной к последующим технологическим операциям производства взрывных работ.

Формула изобретения

1. Устройство для заряжания скважин с проточной водой неводоустойчивыми ВВ, содержащее водоотводящие шланги, расположенные вдоль стенки скважины до ее дна, рукав, диаметр которого превышает диаметр скважины, проходящий от нижней части скважины до верхней для подачи в него сжатого воздуха, головку, состоящую из отрезка трубы диаметром, меньшим диаметра скважины, с закрепленной на ней верхней части рукава, с крышкой, на которой расположен патрубок для подачи сжатого воздуха, и имеющую приспособление для закрепления ее в устье скважины и опорный элемент, ограничивающий глубину погружения головки в скважину, отличающееся тем, что водоотводящие шланги выполнены из водостойкого материала, имеют гладкую наружную поверхность, поперечную жесткость, обеспечивающую несущественное уменьшение их проходного поперечного сечения при воздействии наружного давления и продольную гибкость, достаточную для наматывания их на барабаны, а рукав выполнен из стойкого к воде и ВВ материала, обладающего гибкостью, позволяющей образовывать стенками рукава складки с перегибом на 180° без нарушения целости материала при давлении сжатого воздуха, причем нижний конец рукава герметизирован и снабжен грузом для обеспечения его погружения через воду на дно скважины, при этом через головку пропущена часть рукава, верхний конец которого, будучи расправлен, охватывает верхний срез отрезка трубы головки и герметично зажат через уплотнительные прокладки крышкой головки посредством зажимов, а приспособление для закрепления головки в устье скважины выполнено в виде резинового фартука, армированного гибкими, прочными продольными элементами, при этом верхняя часть резинового фартука прочно закреплена на нижней части отрезка трубы головки, нижняя же часть резинового фартука разрезана на продольные полосы, которые при подаче в рукав сжатого воздуха имеют возможность прижиматься к стенке скважины, а средняя часть фартука, примыкающая к нижнему срезу отрезка трубы головки, служит опорой для рукава при подаче в него давления сжатого воздуха.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на крышке головки установлен дополнительный патрубок для выпускания сжатого воздуха из рукава, имеющий большее проходное сечение, чем у патрубка для нагнетания воздуха.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в нижние концы водоотводящих шлангов установлены обратные клапаны.

4. Способ заряжания скважин с проточной водой на карьерах, согласно которому в обводненную скважину опускают рукав, связанный с головкой устройства, которую закрепляют в устье скважины до соприкосновения ее опорных элементов с поверхностью уступа, в заданных местах головки в зазор между головкой и стенкой скважины опускают в скважину водоотводящие шланги до самого дна, к патрубку на крышке головки присоединяют шланг от компрессора и подают в рукав сжатый воздух, посредством которого рукав обеспечивает вытеснение из скважины воды через водоотводящие шланги на поверхность в места ее слива, извлекают из скважины головку и водоотводящие шланги, производят заполнение рукава ВВ с установкой боевиков, а после заряжания скважины в нее засыпают забойку, отличающийся тем, что вначале в устье обводненной скважины опускают головку устройства, после погружения в скважину водоотводящих шлангов в раскрытый конец рукава закладывают груз, герметизируют конец рукава и через головку с открытой крышкой опускают рукав в скважину до самого дна, верхний конец рукава расправляют на верхнем срезе отрезка трубы головки и, охватывая им верхнюю часть трубы головки, зажимают его герметично через уплотнительные прокладки крышкой головки посредством зажимов, в рукав плавно подают сжатый воздух, посредством которого и приспособления для закрепления головка закрепляется в скважине, а после окончания вытеснения воды из скважины воздух из рукава быстро выпускают, открывают крышку головки и вставляют в нее загрузочную воронку, одновременно производят заполнение рукава ВВ и извлекают из скважины водоотводящие шланги, опускают в скважину боевики, а головку устройства извлекают из устья скважины после заряжания скважины.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в крышке головки размещают дополнительный патрубок для быстрого выпуска сжатого воздуха.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что нижние концы водоотводящих шлангов оборудуют обратными клапанами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2