Установка для проникновения в геологическую среду

Изобретение относится к области бурения и может быть использовано для проходки вертикальных скважин и горизонтальных туннелей малых диаметров. Установка содержит разгонное устройство, выполненное в виде орудийного ствола, установленного на опорах, и комплект саморазрушающихся пенетраторов, выполненных в виде удлиненных твердых тел. Установка снабжена размещенными на автошасси подъемником для установки орудийного ствола в необходимое положение, насосом, емкостью с водой и криогенной камерой для изготовления унитарных патронов, включающих гильзу с пороховым зарядом, воспламенитель и размещенный в гильзе сформированный в криогенной камере путем замораживания воды пенетратор со сквозным каналом. Подъемник и опоры выполнены в виде гидроцилиндров, а установка снабжена размещенным на автошасси подъемным краном для заряжания унитарных патронов в орудийный ствол. Обеспечивает повышение эффективности проходки каналов в грунте. 2 ил.

 

Изобретение относится к области бурения и может быть использовано для проходки вертикальных скважин и горизонтальных тоннелей малых диаметров.

Известна установка для бурения скважин, содержащая вышку, подъемный комплекс, бурильную колонну с забойным двигателем, а также компрессоры и другое вспомогательное оборудование (см. Н.А.Северинчик «Машины и оборудование для бурения скважин», М., «Недра», 1986 г.).

Недостатком установки является высокая металлоемкость и дороговизна установки.

Из описания а.с. №2060342, Е21B 7/00, опубликованное 20.05.96 г., бюл. №14 известна установка, содержащая разгонное устройство, выполненное в виде орудийного ствола, размещенного на опорах с комплектом пенетраторов, выполненных в виде удлиненных твердых тел, запорное устройство с заслонкой и форвакуумной камерой, связанной с насосной станцией.

Недостатком этой установки является малая глубина проникновения в геологическую среду, так как пенетраторы выполнены в виде оболочки и имеют малую массу, следовательно, малую кинетическую энергию. Кроме того, возникает эффект «поршня», так как создать вакуум насосом в скважине невозможно.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности проходки каналов в грунте.

Данная техническая задача решается за счет того, что установка для проникновения в геологическую среду, содержащая разгонное устройство, выполненное в виде орудийного ствола, размещенного на опорах, и комплект пенетраторов, выполненных в виде удлиненных твердых тел, дополнительно содержит размещенные на автошасси криогенную камеру с низкотемпературным охладителем, например жидким азотом, емкость с водой, подъемный кран, гидросистему, связанную с подъемником и опорами ствола, выполненными в виде гидроцилиндров, а также унитарные патроны с пенетраторами, выполненными из льда и содержащими сквозные каналы.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного тем, что предлагаемая установка менее металлоемка и громоздка. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Отличительным признаком заявляемого технического решения является способность пенетратора к естественному разрушению.

На фиг.1 изображена предлагаемая установка.

На фиг.2 - криогенная камера с патронами в разрезе.

Установка содержит орудийный ствол 1 с опорами 2, выполненными в виде гидроцилиндров, лестницу 3, связанную с площадкой обслуживания 4, подъемный кран 5, размещенный на автошасси 6, криогенную камеру 7, баллоны 8 с низкотемпературным охладителем, например с жидким азотом, насос 9, перекачивающий воду из емкости 10, гидросистему 11, подъемник 12, башмак 13, направляющую насадку 14, выполненную в виде трубы с фланцем на конце и боковыми отверстиями.

Криогенная камера 7 выполнена из теплоизолированного материала и содержит разборные металлические формы 15 в виде цилиндра с конусом со вставками 16, предназначенными для формирования пустот в пенетраторах (снарядах) 17. Гильзы 18 вставлены в формы 15 и образуют вместе со снарядом 17 унитарный патрон.

При проходке вертикальных каналов (скважин) проводят подготовительные работы. Соответствующими установками производят бурение скважины и монтаж элеватора и кондуктора.

Установка для проникновения в геологическую среду работает следующим образом.

Предварительно осуществляют изготовление унитарных патронов. Для этого в формы 15 заливают воду из емкости 10 посредством насоса 9. В формы 15 вставляют гильзы 18 с пороховым зарядом и воспламенителем. Замораживание воды осуществляется подачей жидкого азота из баллонов 8 в криогенную камеру 7. Прочность и твердость льда зависит от температуры. При -50°С твердость льда сопоставима с твердостью закаленной углеродистой стали. Предел прочности льда при ударных нагрузках более чем в два раза превышает предел прочности твердых грунтов.

Для формирования прямых участков канала в грунте наконечник снаряда изготавливается в виде конуса с углом 30°. Для формирования криволинейных участков наконечник снаряда изготавливается под «лом» со смещением от оси снаряда на угол 5°-15°.

До использования патроны хранятся в криогенной камере 7.

Перед развертыванием установки направляющую насадку 14 закрепляют на кондукторе. Ствол 1 посредством подъемника 12 устанавливается в необходимое положение и вставляется в направляющую насадку 14. Ствол 1 фиксируется посредством опор 2, штоки которых закреплены к грунту с помощью башмаков 13. С помощью подъемного крана 5 патроны заряжаются в ствол 1. Производится выстрел. Снаряд 17 с большой кинетической энергией влетает в грунт и движется в нем до полной остановки. По истечении некоторого времени, в течение которого снаряд 17 растает и превратится в воду, производится следующий выстрел. Наличие сквозного канала в снаряде 17 исключает эффект «поршня» при движении снаряда в образовавшемся канале.

После выстрела происходит откат ствола 1, который гасится опорами 2, выполняющими роль противооткатного устройства. В исходное положение ствол 1 возвращается с помощью гидросистемы 11.

Необходимая глубина проникновения в геологическую среду достигается определенным количеством выстрелов.

Глубину проникновения снаряда в грунт можно вычислить по формуле (1)

где

L - глубина проникновения снаряда, м;

m - масса снаряда, кг;

v - скорость снаряда, м/с;

Р_n - удельное сопротивление пенетрации, Н/м²;

S - площадь поперечного сечения снаряда, м².

Например, снаряд калибра 300 мм, массой 10 кг, при скорости 1000 м/с может проникнуть в твердый грунт (P_n=20,8·10⁵ Н/м²) на глубину L, равную

L=10·1000²/2·20,8·10⁵·0,07=34,34 м,

в полутвердый грунт (Р_n=1,87·10⁵ Н/м²) на глубину L, равную

L=10·1000²/2·1,87·10⁵·0,07=381,9 м.

Дальнейшие работы по строительству скважины осуществляются известными установками.

При строительстве тоннелей малого диаметра вдоль линии тоннеля делают углубления на расстоянии, равном «дальности» стрельбы, затем последовательно из одного углубления до другого осуществляют прострел установкой. В образовавшийся тоннель проталкивают трубопровод.

Установка имеет комплекс сменных орудийных стволов различного калибра и унитарные патроны к ним.

Проведение глубинной пенетрации с использованием предлагаемой установки позволяет осуществить строительство скважин и проходку тоннелей малых диаметров в десятки раз дешевле и быстрее.

Установка для проникновения в геологическую среду, содержащая разгонное устройство, выполненное в виде орудийного ствола, установленного на опорах, и комплект саморазрушающихся пенетраторов, выполненных в виде удлиненных твердых тел, отличающаяся тем, что установка снабжена размещенными на автошасси подъемником для установки орудийного ствола в необходимое положение, насосом, емкостью с водой и криогенной камерой для изготовления унитарных патронов, включающих гильзу с пороховым зарядом, воспламенитель и размещенный в гильзе сформированный в криогенной камере путем замораживания воды пенетратор со сквозным каналом, при этом подъемник и опоры выполнены в виде гидроцилиндров, а установка снабжена размещенным на автошасси подъемным краном для заряжания унитарных патронов в орудийный ствол.