система и способ пневматической подачи эмульсионного взрывчатого вещества

Формула изобретения

1. Система для пневматической инжекции эмульсионного взрывчатого вещества в скважину, содержащая сосуд для эмульсии, имеющий выпускную трубу для пневматической подачи эмульсионного взрывчатого вещества, водный инжектор для образования кольцевой струи воды вокруг эмульсионного взрывчатого вещества и подающий шланг, отличающаяся тем, что сосуд для эмульсии выполнен с возможностью содержания эмульсии под давлением, водный инжектор соединен с выпускной трубой, имеется источник подаваемой под давлением воды для подачи воды к водному инжектору с давлением, как минимум, на 0,7 кг/см² (10 фунтов на квадратный дюйм) большим, чем давление эмульсионного взрывчатого вещества, подающий шланг проходит от водного инжектора для подачи эмульсионного взрывчатого вещества от сосуда с эмульсией в скважину с возможностью увлажнения потока эмульсионного взрывчатого вещества при его прохождении через подающий шланг подаваемой под напором кольцевой струей воды.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что источник подаваемой под давлением воды представляет собой сосуд с водой под давлением, соединенный трубопроводом с водным инжектором.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что внутренний диаметр подающего шланга меньше внутренних диаметров выпускной трубы и водного инжектора, при этом подающий шланг соединен с водным инжектором посредством соединительного патрубка, не разрушающего кольцевую струю воды вокруг эмульсионного взрывчатого вещества.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что первая часть подающего шланга размещена между водным инжектором и соединительным патрубком.

5. Способ подачи эмульсионного взрывчатого вещества в скважину, включающий подачу эмульсионного взрывчатого вещества из сосуда через выпускную трубу, отходящую от сосуда, и увлажнение потока эмульсионного взрывчатого вещества кольцевой струей воды, отличающийся тем, что подачу эмульсионного взрывчатого вещества осуществляют пневматическим экструдированием из сосуда под давлением, воду подают при давлении, как минимум, на 0,7 кг/см² (10 фунтов на квадратный дюйм) большем, чем давление эмульсионного взрывчатого вещества, и в виде кольцевой струи вокруг эмульсионного взрывчатого вещества при его экструдировании из выпускной трубы, подачу эмульсионного взрывчатого вещества из выпускной трубы в скважину осуществляют посредством подающего шланга, а увлажнение потока эмульсионного взрывчатого вещества кольцевой струей воды производят при прохождении его через подающий шланг.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что диаметр подающего шланга выбирают меньше диаметра выпускной трубы.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к системе и способу подачи эмульсионных взрывчатых веществ от сосуда под давлением в скважину. Более конкретно, система и способ содержат пневматическое экструдирование эмульсионного взрывчатого вещества из сосуда под давлением, через подающий шланг в скважину. Поток эмульсионного взрывчатого вещества, проходящий через подающий шланг, увлажняется посредством впрыскивания кругового потока воды под давлением, проходящего между внешней поверхностью эмульсии и внутренней поверхностью подающего шланга. Сочетание пневматического экструдирования и увлажнения посредством впрыскивания воды обеспечивает безопасную простую систему для подачи эмульсионных взрывчатых веществ в скважины.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эмульсионные взрывчатые вещества по настоящему изобретению содержат эмульсии типа "вода в масле", которые хорошо известны в данной области. См., например, Патент США N 4,931,110. Эти взрывчатые вещества содержат однородную фазу органического жидкого топлива, в которой диспергированы капли водной или водно-мицеллярной фазы раствора соли неорганического окислителя. Термин "вода в масле" означает любую высокополярную гидрофильную жидкость или расплав типа "воды" или ее эквивалента, а гидрофобные неполярные жидкости рассматриваются как "масла". Для образования эмульсии обычно используют эмульгатор.

Эмульсионные взрывчатые вещества обычно являются жидкостными, даже после хранения при температурах окружающей среды, и, таким образом, они могут перекачиваться из контейнера в пакеты или скважины. Однако при накачивании или повторном перекачивании эмульсионных взрывчатых веществ возникает проблема, заключающаяся в необходимости высокого уровня давления накачивания вследствие относительно высокой вязкости эмульсионного взрывчатого вещества. Тем не менее вязкость эмульсионного взрывчатого вещества является желательной, чтобы противостоять растрескиванию в скважине, эрозионным эффектам динамической воды и гравитационному потоку при загрузке в вертикально проходящие скважины. Предпринимавшиеся ранее попытки закачивания относительно вязких эмульсионных взрывчатых веществ требовали дорогих, работающих в тяжелом режиме насосов, способных обеспечивать высокий гидростатический напор. Такие насосы и результирующее давление или статическое давление порождают опасения относительно безопасности при горных работах, а также могут вызывать разрушающие силы, воздействующие на стабильность эмульсии или ее ингредиентов.

Поскольку закачивание эмульсионных взрывчатых веществ приводит к поступлению динамической и кинетической энергии во взрывчатое вещество, оно всегда связано с опасениями относительно безопасности работ. В дополнение к потенциально высокому рабочему давлению, необходимому для насоса, работа насоса при полном напоре может добавить значительную энергию в накачиваемую среду, т. е. эмульсионное взрывчатое вещество, и может привести к нежелательной детонации. Кроме того, если насос работает "всухую", когда эмульсионное взрывчатое вещество не накачивается, любой остаточный продукт может испытывать поступление значительной энергии до такой степени, что он может перегреться и самодетонировать. Поэтому были разработаны сложные системы контроля и отключения насосов, которые использовались в различных устройствах для накачивания эмульсионных взрывчатых веществ. Эти следящие системы, однако, являются дорогими в установке и сложными для поддерживания их рабочего режима. Таким образом, существует потребность в системе подачи эмульсионных взрывчатых веществ в скважины, которая не связана с использованием дорогих насосов высокого давления. Настоящее изобретение обеспечивает систему и способ, при котором эмульсионные взрывчатые вещества могут экструдироваться пневматически при относительно низком давлении из сосуда под давлением через выпускную трубу и подающий шланг. Добавление системы впрыскивания воды обеспечивает круговую струю воды вокруг экструдируемого эмульсионного взрывчатого вещества для его увлажнения при прохождении через подающий шланг. Преимущества этой системы и способа следующие:

1. Стоимость системы составляет часть стоимости насосной системы с поступательным движением в полости.

2. Эксплуатация системы является более простой, а эксплуатационные расходы - меньшими, чем для насосной системы. В настоящей системе не требуется никакой гидравлики, электрического тока или динамических или движущихся частей.

3. Система является более безопасной, чем насосная система, так как в ней отсутствуют потенциально высокое давление и высокие температуры.

4. Система является значительно менее шумной в эксплуатации, чем насосная система, что очень важно, особенно при работе под землей.

Использование системы впрыскивания воды при подаче эмульсионного взрывчатого вещества через подающий шланг известно в данной области. См., например, патенты США NN 4,273,147 и 4,615,752. Это помогает снизить требования к давлению насоса в насосной системе при условии поддерживания водяного кольца. Однако использование такой системы с пневматически подающимся взрывчатым веществом не является известным в данной области. Сочетание пневматически управляемого сосуда под давлением для экструдирования эмульсионного взрывчатого вещества и системы впрыскивания воды для увлажнения потока эмульсионного взрывчатого вещества, проходящего через подающий шланг, обеспечивает синергические преимущества настоящего изобретения. При этом не только устраняются динамические опасные факторы, характерные для эксплуатации дорогостоящей насосной системы, но увлажнение посредством впрыскивания воды позволяет подавать эмульсионное взрывчатое вещество при относительно низком давлении экструзии, и обычно при давлении, которое легко обеспечить для большинства горных работ.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает систему для пневматического экструдирования эмульсионного взрывчатого вещества в скважину. Эта система содержит сосуд для удерживания в нем под давлением эмульсионного взрывчатого вещества, источника воды под давлением (предпочтительно, сосуд для удерживания воды под напором), выпускную трубу, отходящую от сосуда с эмульсией, водный инжектор, соединяющий выпускную трубу с подающим шлангом, и трубопровод (например, гидравлический шланг) для подачи воды под давлением к водному инжектору. Используемый здесь термин "эмульсионное взрывчатое вещество" также включает в себя фазу несенсибилизированной эмульсии. Эмульсия экструдируется через выпускную трубу в водный инжектор, вода под давлением впрыскивается в виде круговой струи вокруг эмульсионного взрывчатого вещества для увлажнения потока взрывчатого вещества при его прохождении через подающий шланг. Способ настоящего изобретения содержит пневматическое экструдирование эмульсионного взрывчатого вещества из сосуда под давлением через выпускную трубу, отходящую от сосуда, с обеспечением подачи воды под давлением в виде круговой струи вокруг эмульсионного взрывчатого вещества при его экструдировании из выпускной трубы в водный инжектор, и подачу эмульсионного взрывчатого вещества в скважину через подающий шланг, присоединенный к водному инжектору, когда круговая струя воды увлажняет поток эмульсионного взрывчатого вещества при его прохождении через подающий шланг. Таким образом, система и способ настоящего изобретения обеспечивают безопасную, простую, относительно недорогую подачу эмульсионного взрывчатого вещества в скважину, причем эти система и способ особенно применимы в случае загрузки скважин малого диаметра под землей.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой упрощенный схематический вид системы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система включает в себя источник воды под давлением, который предпочтительно представляет собой сосуд 1 под давлением, хотя вода под давлением может подаваться из не находящегося под давлением резервуара насосом. Кроме того, система содержит сосуд 2 с эмульсией под давлением. От источника 3 сжатый воздух (не показан) подается к сосуду 1 с водой и сосуду 2 с эмульсией посредством регуляторов 4 давления. Предпочтительно предусмотрены предохранительные клапаны (не показаны) как для резервуара 1, так и для сосуда 2. Сосуд 2 для эмульсии содержит эмульсионное взрывчатое вещество для его экструдирования из этого сосуда в скважину. Эмульсионное взрывчатое вещество пневматически экструдируют из сосуда с эмульсией посредством давления воздуха или газа. Если в шахте отсутствует сжатый воздух, может быть использован, например, контейнер со сжатым воздухом иди азотом. Когда шаровой клапан 11 открыт, эмульсия поступает через выпускную трубу 10, датчик 19, в водный инжектор 14. Давление эмульсии контролируется манометром 12. Водный инжектор 14 предназначен для образования тонкого кольцевого канала из воды под давлением вокруг потока эмульсии, экструдируемого через выпускную трубу 10. Этот тонкий водный канал вокруг экструдированного эмульсионного взрывчатого вещества увлажняет поток этого вещества на протяжении первой части 17 шланга, соединительного патрубка 15 и подающего шланга 16.

Воду подают к водному инжектору 14 пневматически от сосуда 1 с водой по трубопроводу 9. Вода предпочтительно проходит через водный фильтр 5, датчик 18, открытый шаровой клапан 7 и водомер 8.

Давление воды, подающейся к водному инжектору 14, равно или выше давления эмульсии. Предпочтительно давление воды поддерживается на уровне, как минимум, на 0,7 кг/см² (10 фунт на квадратный дюйм) выше, чем давление эмульсии. Было установлено, что это требование к давлению является необходимым для сохранения целостности увлажняющего кольцевого водного канала. Разность давлений эмульсии и воды может меняться в зависимости от реологии эмульсии. Впрыскивание воды является существенным аспектом изобретения, поскольку при этом увлажняется поток эмульсии в подающем шланге, а экструзионное давление поддерживается на приемлемо низком уровне. Впрыскивание воды должно происходить рядом с выпускной трубой сосуда с эмульсией для поддержания экструзионного давления на максимально возможном низком уровне.

Еще одним путем поддержания низкого экструзионного давления является обеспечение возможно большего внутреннего диаметра выпускной трубы 10, водного инжектора 14 и первой части 17 шланга, особенно, если подающий шланг 16 должен иметь уменьшенный диаметр, чтобы он мог вставляться в скважины малого диаметра. Кроме того, длина подающего шланга 16 с уменьшенным диаметром должна быть минимально необходимой для загрузки скважин данной глубины. Соединительный патрубок 15 является фитингом, предпочтительно предназначенным для постепенного уменьшения диаметра поперечного сечения потока экструдируемой эмульсии и кольцевого водного слоя, от внутреннего диаметра первой части 17 шланга к уменьшенному внутреннему диаметру подающего шланга 16. Предпочтительно принимающий конец патрубка 15 присоединен к первой части 17 шланга большего дааметра, а вставляемый конец присоединен к подающему шлангу 16 меньшего диаметра для обеспечения возможно меньших внутренних поверхностей и переходных участков для поддержания целостности водного кольцевого канала. Все эти различные конфигурации предназначены для снижения сопротивления трения на экструдированной эмульсии и обеспечения целостности водного кольцевого канала, чтобы поддерживать экструзионное давление на приемлемо низком уровне.

Выбор конкретных элементов системы оставляется на усмотрение специалиста в данной области. Сосуд 1 для воды и сосуд 2 для эмульсии должны быть способны находиться под давлением и предпочтительно выполнены из нержавеющей стали. Например, в случае применения под землей для скважин с малым диаметром требуется резервуар с водой емкостью 10 галлонов и сосуд для эмульсии емкостью 1600 фунтов. Воду предпочтительно впрыскивают в количестве, составляющем примерно 5% или менее от веса эструдируемой эмульсии, и более предпочтительно - около 3% или менее. Вода может быть заменена солевым раствором окислителя или другим водным раствором, известным в данной области. Например, поверхностно-активное вещество в водном растворе может добавлять смазывающую способность кольцевому водному каналу и помогает поддерживать кольцевой канал в периоды отключения. Используемый здесь термин "вода" включает в себя также водные растворы. Различные клапаны, трубопровод, шланги, расходомеры и регуляторы давления могут быть стандартными, имеющимися в продаже изделиями. Водный инжектор может иметь конструкцию, используемую обычно в данной области. Внутренние поверхности соединительного патрубка 15 и подающего шланга 16 должны быть гладкими, чтобы обеспечивать целостность круговой водной струи. Подающий шланг 16, хотя и является гибким, должен иметь достаточную степень жесткости, чтобы вставляться в скважины.

Если шахта имеет источник сжатого воздуха с давлением около 5,6 кг/см² (80 фунт на квадратный дюйм) и более, то такой источник может быть легко использован для создания давления в сосуде с водой и сосуде с эмульсией. В противном случае следует обеспечить источник сжатого воздуха. При эмульсии, имеющей стандартную вязкость примерно 14000 сП, и подающем шланге, имеющем внутренний диаметр примерно 75 дюймов, в сосуде с эмульсией должно быть давление около 5,6 кг/см² (80 фунт на квадратный дюйм) или более, и соответственно давление воды предпочтительно будет около 6,3 кг/см² (90 фунт на квадратный дюйм) или более. Эти параметры обеспечат скорости потока примерно 85 фунтов в минуту для эмульсии и примерно 2,5 фунта в минуту для воды. Очевидно, что эти параметры и размеры оборудования могут регулироваться индивидуально или в различных сочетаниях для получения желательного диапазона скоростей потока. Вода и эмульсия могут иметь температуру окружающей среды.

ПРИМЕР 1

В проводимом испытании система имела сосуд с эмульсией под давлением 5,6 кг/см² (80 фунт на квадратный дюйм) и сосуд с водой под давлением 90 psi. Систему использовали для загрузки полного комплекта горной выработки из 55 скважин длиной 12 футов и диаметром 1,75 дюймов эмульсионным взрывчатым веществом, имеющим вязкость примерно 14000 сП. Выпускная труба сосуда с эмульсией, водный инжектор и первая часть шланга имели внутренний диаметр 1 дюйм. Первая часть шланга была выполнена из гибкой резины и имела длину 25 футов. Подающий шланг был выполнен из гибкой резины, имел внутренний диаметр 0,74 дюйма и длину 15 футов. На загрузку каждой скважины уходило 5-7 с, и эта скорость сравнима со скоростью в случае применения насосной системы с поступательным движением в полости. После окончания загрузки остаточный продукт в шланге удалялся водой под давлением. Операция загрузки была простой и малошумной по сравнению с насосной системой.

ПРИМЕР 2

В проводимом испытании система имела сосуд для эмульсии под давлением 2,45 кг/см² (35 фунт на квадратный дюйм) и сосуд для воды под давлением 3,85 кг/см² (55 фунт на квадратный дюйм). Эмульсионное взрывчатое вещество имело вязкость около 14000 сП. Выходная труба сосуда с эмульсией, водный инжектор и первая часть шланга имели внутренний диаметр 1 дюйм. Первая часть шланга была выполнена из гибкой резины и имела длину 30 футов. Подающий шланг был выполнен из гибкой резины, имел внутренний диаметр 0,75 дюйма и длину 17 футов. Скорость подачи эмульсии была 110 фунтов/мин, что сравнимо со скоростью насосной системы с поступательным движением в полости. В процесс загрузки периодически имеют место перерывы в работе или периоды отключения по 15-20 мин без нарушения водного канала, который продолжает осуществлять увлажнение после возобновления экструзионного процесса.

Как отмечалось ранее, термин "эмульсионное взрывчатое вещество" также включает в себя фазу несенсибилизированной эмульсии, которая может быть сенсибилизирована после экструзии из сосуда с эмульсией путем добавления химических газообразующих ингредиентов или регулирования плотности твердого вещества, как это известно в данной области.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на определенные иллюстративные примеры и предпочтительные варианты осуществления, для специалистов в данной области будет очевидной возможность различных модификаций, не выходящих за пределы объема изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.