способ бурения горных пород и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ бурения горных пород, заключающийся в ударно-вращательном воздействии на забой скважины, подаче бурового раствора и дроби, разрушении породы воздействием дробовой коронки, удалении породы с забоя на поверхность буровым раствором, отличающийся тем, что ударный импульс создают приложением магнитострикционного эффекта к дробовой коронке при одновременной подаче на забой бурового раствора с дробью, которая попадает в пространство между дробовой коронкой и породой, внедряется в рабочую поверхность дробовой коронки за счет вращения и ударного импульса ударного механизма, разрушает породу, причем дробь добавляют в количестве, прямо пропорциональном крепости породы, а диаметр дроби d выбирают из соотношения d>1,3 B, где В - максимальный зазор между корпусом и дробовой коронкой.

2. Устройство для бурения горных пород, содержащее ударный механизм и рабочий орган в виде дробовой коронки, расположенные на буровой колонне с каналом для подачи бурового раствора, отличающееся тем, что ударный механизм выполнен в виде нескольких стержней из магнитострикционного материала, установленных в корпусе внутри электромагнитных обмоток, связанных с кабелем, а дробовая коронка составлена из нескольких частей, закрепленных на корпусе с помощью штифтов с пружинами, причем ее центральная часть выполнена выступающей над боковыми частями и ее рабочая поверхность покрыта вязкопластичным металлом, а в корпусе и дробовой коронке выполнены каналы для бурового шлама.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что рабочая поверхность дробовой коронки выполнена из фтористой бронзы.

Описание изобретения к патенту

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 станками с электровибробурами (Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Г. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987, с.179-184, 262-265), работающими на основе эффекта магитострикции. Устройство для бурения включает буровой снаряд, амортизаторы, блоки питания, переходные муфты, каналы для прохода сжатого воздуха, пружины, заключенные в корпусе. Недостатками данного способа и устройства являются значительная длина бурового снаряда, необходимость наличия кабельной секции с ртутным контактом, малые по амплитуде ударные импульсы, проходящие по буровому ставу на корпус станка, а также повышенный износ штанг и долот.

Известен способ разрушения горных пород ударными импульсами и устройство для его осуществления (патент РФ №2209913, МПК 7 Е 21 В 4/14, Е 21 С 37/00). Технический результат достигается тем, что предложенный способ 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, причем согласно изобретению дополнительный импульс формируют перемещением в полости поршня тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью, а 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. Недостатками данного устройства являются сложность изготовления и возможность потери свойств из-за утечки магнитоактивной жидкости.

Известен способ дробового бурения и снаряд для дробового бурения, принятый за прототип (Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение. - М.: Недра, 1973, с.194-197), заключающийся в разрушении породы с помощью дроби, периодически подаваемой через канал в буровой колонне на забой скважины. Разрушение породы дробью происходит за счет вращения буровой колонны и дробовой коронки. Питание забоя скважины дробью осуществляется через прорезь в дробовой коронке. Недостатками данного способа и устройства являются низкий коэффициент полезного действия, вызванный отсутствием комбинирования способов бурения, и необходимость осуществления спуско-подъемных операций в процессе бурения.

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия способа дробового бурения за счет создания ударно-вращательной нагрузки на дробь и исключение спуско-подъемных операций в процессе бурения.

Технический результат достигается тем, что в способе бурения горных пород, заключающемся в ударно-вращательном воздействии на забой скважины, подаче бурового раствора и дроби, разрушении породы воздействием дробовой коронки, удалении породы с забоя на поверхность буровым раствором, согласно изобретению ударный импульс создают приложением магнитострикционного эффекта к дробовой коронке при одновременной подаче на забой бурового раствора с дробью, которая попадает в пространство между дробовой коронкой и породой, внедряется в рабочую поверхность дробовой коронки за счет вращения и ударного импульса ударного механизма, разрушает породу, причем дробь добавляют в количестве, прямо пропорциональном крепости породы, а диаметр дроби d выбирают из соотношения d>1,3 B, где В - максимальный зазор между корпусом и дробовой коронкой.

Технический результат в части устройства для бурения горных пород достигается тем, что оно содержит ударный механизм и рабочий орган в виде дробовой коронки, расположенные на буровой колонне с каналом для подачи бурового раствора, причем согласно изобретению ударный механизм выполнен в виде нескольких стержней из магнитострикционного материала, установленных в корпусе внутри электромагнитных обмоток, связанных с кабелем, а дробовая коронка составлена из нескольких частей, закрепленных на корпусе с помощью штифтов с пружинами, причем ее центральная часть выполнена выступающей над боковыми частями и ее рабочая поверхность покрыта вязкопластичным металлом, а в корпусе и дробовой коронке выполнены каналы для бурового шлама.

Устройство характеризуется также тем, что рабочая поверхность дробовой коронки выполнена из фтористой бронзы.

Применение предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить коэффициент полезного действия дробового бурения за счет создания ударно-вращательной нагрузки на дробь и исключение необходимости осуществления спуско-подъемных операций в процессе бурения.

Способ бурения горных пород и устройство для его осуществления поясняются чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез устройства по линии С-С, на фиг.2 показан вид А, увеличено, на фиг.3 показано устройство, вид снизу, на фиг.4 показано устройство, разрез по линии А-А, на фиг.5 показано устройство, разрез по линии Б-Б, на фиг.6 показана схема работы устройства, на фиг.7 показан вид Б, где

1 - корпус;

2 - стержни из магнитострикционного материала (например из сплава кобальта и никеля);

3 - дробовая коронка;

4 - электромагнитные обмотки;

5 - кабель;

6 - канал для подачи бурового раствора;

7 - штифты, соединяющие дробовую коронку с корпусом;

8 - пружина;

9 - рабочая поверхность дробовой коронки, например из фтористой бронзы;

10 - каналы для бурового шлама;

11 - внешняя защитная пластинка;

12 - буровая колонна;

13 - порода;

14 - буровой раствор с дробью;

15 - буровой шлам;

d - диаметр дроби;

В - максимальный зазор между корпусом 1 и дробовой коронкой 3.

Способ предназначен для бурения крепких пород при разрушении их дробью. Корпус 1 устройства закрепляют с помощью резьбового соединения на буровой колонне 12. В буровой колонне 12 прокладывают кабель 5. На корпусе 1 закрепляют с помощью штифтов 7 и пружин 8 дробовую коронку 3 с рабочей поверхностью 9, выполненной из вязкопластичного металла, например из фтроистой бронзы. В корпусе 1 размещают ударный механизм - стержни 2 из магнитострикционного материала, по внешнему периметру которых размещают электромагнитные обмотки 4 для генерирования магнитного поля. На корпусе 1 закрепляют внешнюю защитную пластинку 11 для предотвращения попадания в зазор между корпусом 1 и дробовой коронкой 3 бурового раствора с дробью 14 и бурового шлама 15.

Устройство для бурения горных пород работает следующим образом. При бурении скважин осуществляют вращение буровой колонны 12, с помощью которой создают осевое усилие, прижимающее дробовую коронку 3 к забою скважины. По каналу 6 для подачи бурового раствора подают буровой раствор 14 с дробью, добавленной в него прямо пропорционально крепости буримой породы (подаваемая дробь интенсивно разрушается в зависимости от крепости, абразивности и других свойств породы). Диаметр дроби d выбирают из соотношения d>1,3 B, где В - максимальный зазор между корпусом 1 и дробовой коронкой 3 для обеспечения внедрения дроби в рабочую поверхность 9 дробовой коронки и наиболее эффективной работы по бурению породы 13. Величину В принимают равной величине удлинения стержней 2 из магнитострикционного материала ударного механизма, по которой устанавливают свободный ход штифтов 7 с пружинами 8. Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании, вызванное изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферримагнетиках, в которых магнитные свойства особенно велики. Одновременно с вышеописанными процессами осуществляют подачу переменного электромагнитного поля по кабелю 5 на электромагнитные обмотки 4 с периодом, прямо пропорциональном крепости буримой породы. Из-за эффекта магнитострикции будет происходить практически мгновенное увеличение длины стержней 2, вызывающее ударную нагрузку дробовой коронки 3 издроби на забой скважины. Дробь, попадающая вместе с буровым раствором в пространство между поверхностью дробовой коронки 3 и забоем скважины, будет внедряться в породу 13 и рабочую поверхность 9, выполненную, например, из фтористой бронзы, под действием вращения и ударных нагрузок. Вращение буровой колонны 12 и ударная нагрузка от ударного механизма на дробь будет вызывать разрушение породы 13, а непрерывная подача бурового раствора 14 с дробью будет способствовать выносу бурового шлама 15 (разрушенной породы и изношенной дроби) по каналам 10 для бурового шлама. Для обеспечения проходки скважины в заданном направлении дробовую коронку 3 выполняют составной из нескольких частей. Величины удлинения стержней 2 выбирают равными для создания одинаковых ударных усилий. Рабочую поверхность 9 выполняют из нескольких частей, причем центральная часть сделана выступающей по отношению к боковым, вследствие чего будет наблюдаться наиболее интенсивное разрушение породы по оси буримой скважины, что позволит поддерживать заданное направление скважины. По мере износа рабочей поверхности 9 дробовой коронки 3 ее заменяют новой.

Применение данного способа бурения горных пород обеспечивает следующие преимущества:

- повышение коэффициента полезного действия дробового бурения за счет создания ударно-вращательной нагрузки на дробь;

- исключение спуско-подъемных операций в процессе бурения;

- повышение скорости бурения;

- снижение затрат энергии на бурение.