RU2720041C1 - Device for destruction of rocks by impact pulses - Google Patents

Abstract

FIELD: soil or rock drilling; mining.SUBSTANCE: invention relates to mining, mining and construction industry and construction industries and can be used for destruction of hard rocks when drilling blasting and exploration wells by drilling machines. Device for rock destruction by impact pulses comprises rock cutting tool, impact mechanism including piston with inner cavity filled with heavy fluid. Impact mechanism is equipped with a piston with a spring-loaded striker installed between the piston and the rock-destructing tool; at that, the upper end of the springs is installed in slots of the piston with a striker fixed on the lower end.EFFECT: higher drilling speed and durability of the bit, as well as higher safety of operations.1 cl, 11 dwg

Description

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.The invention relates to the mining, mining and construction industries and the construction industry and can be used to destroy hard rocks during drilling of blasting and exploration wells by drilling rigs.

Известно устройство для 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 за счет наложения высокочастотной вибрации на долото, такое устройство для бурения включает буровой снаряд, амортизаторы, блоки питания, переходные муфты, каналы для прохода сжатого воздуха, пружины, заключенные в корпусе.A device for drilling machines with electric vibrators (Ivanov K.I., Latyshev V.A., Andreev V.D. Drilling technique in the development of mineral deposits. - M .: Nedra, 1987, pp. 179-184, 262-265 ), operating on the basis of the magnetostriction effect due to the application of high-frequency vibration to the bit, such a drilling device includes a drill, shock absorbers, power supplies, adapter couplings, channels for the passage of compressed air, springs enclosed in the housing.

Недостатком устройства является 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.The disadvantage of this device is a significant increase in the length of the drill, the need for a cable section with a mercury contact, small amplitude shock pulses passing through the drill head to the machine body, as well as the generation of a shock pulse that is not optimal in shape, causing increased wear of the rods and bits and the presence of reflected momentum.

Известно устройство для бурения (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), осуществляющее ударно-вращательное бурение, в котором применяется комбинированный породоразрушающий инструмент, включающий шарошки и долота, а также ударный механизм (погружной пневмоударник), включающий поршень с каналами.A device for drilling is known (Filippov G.S. et al. Substantiation of parameters and research of a combined drilling tool. In collection: "Development and improvement of engineering and technology for mining enterprises." Publishing House Gipronickel, L., 1991, p. 25 -33), performing rotary percussion drilling, in which a combined rock cutting tool is used, including cutters and chisels, as well as a percussion mechanism (a submersible hammer), including a piston with channels.

Недостатком устройства является ограничение по долговечности (стойкости) узла крепления шарошки в лапе долота, так как высокие динамические усилия от взаимодействия долота с забоем не позволят для доступных по стоимости материалов сделать конструкцию лапы с толщинами стенок, позволяющими осуществлять продолжительное бурение по породам высокой крепости с переменными свойствами прослоек. Также использование указанной конструкции требует разработки долот нового типа, изготовления которых может создать серьезные технологические трудности.The disadvantage of this device is the limitation on the durability (resistance) of the assembly of the cone in the chisel of the bit, since high dynamic forces from the interaction of the bit with the face will not allow for affordable materials to make the design of the paw with wall thicknesses that allow continuous drilling over rocks of high strength with variables interlayer properties. Also, the use of this design requires the development of a new type of bit, the manufacture of which can create serious technological difficulties.

Известно устройство ударного действия для разрушения горных пород (авторское свидетельство СССР №1153052 М., опубл. 30.04.1985 г.), которое содержит машину ударного действия с коронкой и поршнем, внутри которого выполнена полость, частично заполненная тяжелой жидкостью (ртутью), что позволяет интенсифицировать разрушение горных пород за счет того, что на ударный импульс, возникающий от действия на породоразрушающий инструмент корпуса поршня, накладывают дополнительный импульс, создаваемый перемещением в полости поршня тяжелой жидкости.A percussion device for rock destruction is known (USSR author's certificate No. 1153052 M., published April 30, 1985), which contains a percussion machine with a crown and a piston, inside which a cavity is made, partially filled with a heavy liquid (mercury), which allows to intensify the destruction of rocks due to the fact that the shock impulse arising from the action on the rock cutting tool of the piston body, impose an additional impulse created by the displacement of a heavy fluid in the piston cavity.

Недостатком устройства является неуправляемость дополнительного ударного импульса от действия тяжелой жидкости, так как величина дополнительного импульса зависит только от массы жидкости, которая определяется внутренним объемом поршня, при этом регулирование величины ударного импульса во время работы ударника невозможно, что приводит к снижению скорости бурения и стойкости долота, к тому же использование ртути является вредным.The disadvantage of this device is the uncontrollability of the additional shock impulse from the action of a heavy fluid, since the magnitude of the additional impulse depends only on the mass of the fluid, which is determined by the internal volume of the piston, while adjusting the magnitude of the shock impulse during the operation of the hammer is impossible, which reduces the drilling speed and bit stability In addition, the use of mercury is harmful.

Известен перфоратор (патент РФ №2444602, опубл. 10.03.2012 г.), содержащие породоразрушающий инструмент, корпус с размещенным в нем поворотным механизмом и сдвоенным ударником, включающим основной и вспомогательный бойки, воздухораспределительную систему, поворотную и концевую буксы, вспомогательный боек, который имеет внутреннюю полость с упругим элементом, выполненную в виде сужающейся и расширяющейся частей.Known perforator (RF patent No. 2444602, publ. 10.03.2012), containing a rock cutting tool, a housing with a rotary mechanism and a double striker placed in it, including the main and auxiliary strikers, an air distribution system, a rotary and end axle, auxiliary striker, which has an internal cavity with an elastic element made in the form of tapering and expanding parts.

Недостатками перфоратора являются снижение прочности штанги, сложность поддержания предварительного зазора между штангой и бойком, сложность контроля давления в стволе перфоратора, а также низкая прочность бойка из-за его трехступенчатой конструкции.The disadvantages of a perforator are a decrease in the strength of the rod, the difficulty of maintaining a preliminary clearance between the rod and the hammer, the difficulty of controlling the pressure in the barrel of the hammer, as well as the low strength of the hammer due to its three-stage design.

Известен способ разрушения горных пород ударными импульсами и устройство для его реализации (патент РФ №2209913, опубл. 10.08.2003 г.), принятое за прототип, которое содержит породоразрушающий инструмент, ударный механизм, включающий поршень с внутренней полостью, заполненной тяжелой жидкостью, при этом 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.A known method of destruction of rocks by shock pulses and a device for its implementation (RF patent No. 2209913, publ. 08/10/2003), adopted as a prototype, which contains a rock cutting tool, a percussion mechanism, including a piston with an internal cavity filled with a heavy liquid, this shock mechanism is equipped with electromagnetic windings located in its housing, and the piston is hollow with the ability to change the volume of its internal cavity and is spring-loaded, and the piston cavity is filled with a heavy magnetoactive liquid Strongly low viscosity.

Недостатками устройства является сложностью настройки ударного механизма, а также необходимостью наличия коллектора для подачи электрической энергии во вращающийся буровой став, невозможность регулировать ударный импульс за счет изменения степени заполнения полостей в поршне тяжелой жидкостью во время работы ударника.The disadvantages of the device are the complexity of adjusting the shock mechanism, as well as the need for a collector to supply electric energy to the rotating drill string, the inability to adjust the shock pulse due to changes in the degree of filling of the cavities in the piston with heavy fluid during the operation of the hammer.

Техническим результатом является создание устройства для повышения скорости бурения и стойкости породоразрушающего инструмента и улучшение безопасности работ.The technical result is the creation of a device to increase the drilling speed and durability of the rock cutting tool and improve the safety of work.

Технический результат достигается тем, что ударный механизм оснащен поршнем с подпружиненным бойком, установленным между поршнем и породоразрушающим инструментом, причем верхний конец пружин размещен в пазах поршня с закрепленным на нижнем конце бойком.The technical result is achieved in that the percussion mechanism is equipped with a piston with a spring-loaded striker mounted between the piston and the rock cutting tool, the upper end of the springs being placed in the grooves of the piston with the striker fixed to the lower end.

Устройство поясняется следующими фигурами:The device is illustrated by the following figures:

фиг. 1 - общий вид устройство в разрезе;FIG. 1 is a General view of the device in section;

фиг. 2 - продольный разрез ударного механизма с бойком и пружинами;FIG. 2 is a longitudinal section through a striking mechanism with a striker and springs;

фиг. 3 - боек с пружинами и ударник в начальном положении;FIG. 3 - hammer with springs and drummer in the initial position;

фиг. 4 - продольный разрез ударного механизма;FIG. 4 - a longitudinal section of the percussion mechanism;

фиг. 5 - продольный разрез ударного механизма, поршень в движении, при отскоке бойка от шарошке и ударе в поршень;FIG. 5 - a longitudinal section of the percussion mechanism, the piston in motion, with the rebound of the hammer from the cone and impact in the piston;

фиг. 6 - продольный разрез ударного механизма, поршень в движении, при втором ударе бойка в шарошку;FIG. 6 - a longitudinal section of the percussion mechanism, the piston in motion, with the second impact of the hammer in the cone;

рис. 7 - продольный разрез ударного механизма, поршень в нижнем положении, при ударе поршнем в шарошку через боек;fig. 7 - a longitudinal section of the percussion mechanism, the piston in the lower position, when the piston hits the cone through the hammer;

фиг. 8 - боек и поршень при их соударении;FIG. 8 - hammer and piston when they collide;

фиг. 9 - продольный разрез ударного механизма, поршень подходит к верхнему положению, клапан переключен на подачу воздуха в штоковую часть ударного механизма;FIG. 9 is a longitudinal section through the percussion mechanism, the piston approaches the upper position, the valve is switched to supply air to the rod end of the percussion mechanism;

фиг. 10 - график формы прямоугольного ударного импульса во времени,FIG. 10 is a graph of the shape of a rectangular shock pulse in time,

фиг. 11 - график формы импульса во времени с переменной, выбираемой в зависимости от типа разрушаемой породы, рациональной формы с экспоненциальным передним фронтом, где:FIG. 11 is a graph of the pulse shape in time with a variable selected depending on the type of rock being destroyed, a rational shape with an exponential leading front, where:

1 - породоразрушающий инструмент;1 - rock cutting tool;

2 - буровая колонна;2 - drill string;

3 - ударный механизм;3 - shock mechanism;

4 - поршень;4 - the piston;

5 - тяжелая жидкость;5 - heavy liquid;

6 - паз;6 - groove;

7 - пружины;7 - springs;

8 - боек;8 - firing pin;

9 - воздухораспределительный механизм;9 - air distribution mechanism;

10 - канал для соединения клапана со штоковой частью цилиндра;10 - channel for connecting the valve to the rod end of the cylinder;

11 - канал для соединения клапана с поршевой частью;11 - channel for connecting the valve to the piston part;

12 - выхлопные каналы;12 - exhaust channels;

13 - концевая муфта;13 - end coupling;

14 - переходник;14 - adapter;

15 - полость;15 - cavity;

16 - переходная муфта.16 - adapter sleeve.

Устройство (фиг. 1), установленное на буровой колонне 2, для разрушения горных пород ударными импульсами включает породоразрушающий инструмент 1 и ударный механизм 3 (например, пневмоударник), который состоит из поршня 4 (фиг. 2 и 3) с полостью 15, служащей для наполнения тяжелой (с низкой вязкостью) жидкостью 5 (например, жидкость типа "Полюс", имеющая динамический коэффициент вязкости порядка 10^-3 Па), а также с выполненными пазами 6, в которые устанавливаются пружины 7, с закрепленным на другом их конце бойком 8 на определенном расстоянии (дельта) не более 6 мм, при этом отношение массы поршня 4 к массе бойка 8 не меньше чем 40/1.The device (Fig. 1) mounted on the drill string 2 for rock destruction by shock pulses includes a rock cutting tool 1 and a percussion mechanism 3 (for example, a hammer), which consists of a piston 4 (Fig. 2 and 3) with a cavity 15 serving for filling with a heavy (low viscosity) fluid 5 (for example, a Pole type fluid having a dynamic viscosity coefficient of the order of 10 ^-3 Pa), as well as grooves 6, in which springs 7 are mounted, with a striker fixed to their other end 8 at a certain distance (delta) not b more than 6 mm, while the ratio of the mass of the piston 4 to the mass of the striker 8 is not less than 40/1.

Клапанный воздухораспределительный механизм 9 каналом для соединения клапана со штоковой частью цилиндра 10 и каналом для соединения клапана с поршневой частью 11 соединен со штоковой и поршневой частями цилиндра соответственно, которые, в свою очередь, выхлопными каналами 12 соединены с атмосферой.The valve air distribution mechanism 9 by a channel for connecting the valve to the rod end of the cylinder 10 and a channel for connecting the valve to the piston part 11 is connected to the rod and piston parts of the cylinder, respectively, which, in turn, the exhaust channels 12 are connected to the atmosphere.

Корпус ударного механизма 3 соединен посредством конической резьбы одной стороной с концевой муфтой 13, переходником 14 и породоразрушающим инструментом 1, а другой стороной посредством переходной муфты 16 – с буровой колонной 2.The case of the percussion mechanism 3 is connected via a tapered thread on one side to the end sleeve 13, the adapter 14 and the rock cutting tool 1, and the other side through the adapter sleeve 16 to the drill string 2.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1). При бурении вертикальных скважин (шпуров) поршень 4 находится в верхнем положении, пружины 7 растянуты и удерживают боек 8 на расстоянии (дельта) от нижнего торца поршня 4, воздух через воздухораспределительный механизм 9 и канал 11 поступает в поршневую часть ударного механизма 3 и давит на поршень 4, тяжелая жидкость с низкой вязкостью 5 в полости 15 поршня 4 под действием сил тяжести находится внизу полости 15 поршня 4. Во время ускоренного движения поршня 4 вниз тяжелая жидкость 5 под действием сил инерции уходит в верхнюю часть полости 15 поршня 4 (фиг. 2). В результате движения поршня 4 вниз происходит сложный удар: сначала в результате дребезга бойка 8 (фиг. 3, 4, 5, 6) на породоразрушающий инструмент 1 через концевую муфту 13 действует нагрузка посредством микро-ударов бойком 8, потом ударяет сам поршень 4 своим корпусом (фиг. 6, 7, 8) затем происходит удар тяжелой жидкостью с низкой вязкостью 5 в полости 15. Причем каждый удар бойка 8 в муфту 13 может быть различным, длительность и интенсивность каждого удара бойка определяется его массой и жесткостью пружины 7, при этом при отскоке бойка 8 от концевой муфты 13 он ударяет поршень 4 с увеличивающейся скоростью, пружины 7, имеющие мягкую характеристику, полностью уходят в пазы 6 поршня 4 и практически не сопротивляются движению бойка к поршню, так как ударная сила отскока бойка 8 от концевой муфты 13 на много порядков выше чем сила сопротивления сжатию пружины (см. фиг 5, 6, 7, 8). В целом удар характеризуется нарастающим во времени импульсом, усиливаемым действием бойка 8, поршня 4 и жидкости 5. После удара поршня 4 через боек 8 в концевую муфту 13 и удара жидкости 5, поршень 4 идет вверх в исходное положение под действием давления воздуха снизу (фиг. 9), The device operates as follows (Fig. 1). When drilling vertical wells (holes), the piston 4 is in the upper position, the springs 7 are stretched and hold the hammer 8 at a distance (delta) from the lower end of the piston 4, air through the air distribution mechanism 9 and channel 11 enters the piston part of the percussion mechanism 3 and presses piston 4, a heavy fluid with a low viscosity 5 in the cavity 15 of the piston 4 under the influence of gravity is located below the cavity 15 of the piston 4. During the accelerated movement of the piston 4 downward, the heavy fluid 5 under the action of inertia goes into the upper part of the cavity 15 of the piston 4 (Fig. 2). As a result of the downward movement of the piston 4, a complex blow occurs: first, as a result of the bounce of the hammer 8 (Fig. 3, 4, 5, 6), a load is exerted on the rock cutting tool 1 through the end sleeve 13 by micro impacts of the hammer 8, then the piston 4 itself strikes case (Fig. 6, 7, 8) then there is an impact with a heavy fluid with low viscosity 5 in the cavity 15. Moreover, each impact of the hammer 8 in the clutch 13 may be different, the duration and intensity of each impact of the hammer is determined by its mass and spring stiffness 7, when this when bounce striker 8 from the end couplings s 13 he hits the piston 4 with increasing speed, the springs 7, with a soft characteristic, completely go into the grooves 6 of the piston 4 and practically do not resist the movement of the striker to the piston, since the shock force of the rebound of the striker 8 from the end sleeve 13 is many orders of magnitude higher than the force spring compression resistance (see Fig. 5, 6, 7, 8). In general, the impact is characterized by an increasing pulse in time, amplified by the action of the hammer 8, piston 4 and fluid 5. After the piston 4 is hit through the hammer 8 into the end sleeve 13 and the fluid 5 is struck, the piston 4 goes up to its original position under the influence of air pressure from below (Fig. . 9),

поступающего по каналу для соединения клапана со штоковой частью цилиндра 10 в корпусе ударного механизма 3, канал для соединения клапана со штоковой частью цилиндра 10 открывается при перебрасывании воздухораспределительного механизма 9. Далее цикл повторяется.coming through the channel for connecting the valve with the rod part of the cylinder 10 in the body of the percussion mechanism 3, the channel for connecting the valve with the rod part of the cylinder 10 opens when the air distribution mechanism 9. is transferred. Then the cycle repeats.

Изобретение характеризуется тем, что бурение производится при формировании не прямоугольного импульса, как это происходит при нанесении одиночного удара (фиг. 10), а импульса, состоящего из цуга последовательных коротких импульсов с крутым передним фронтом и круто обрывающимся задним (фиг. 11). Это достигается тем, что на ударный импульс, передаваемый поршнем 4 породоразрушаемому инструменту 1, накладываются дополнительные импульсы, формирующиеся в результате перемещения бойка 8 в сужающемся зазоре между поршнем 4 и концевой муфтой 13, при этом боек 8 и поршень 4 связаны мягкими пружинами 7, а пружины 7 закреплены со стороны поршня 4 к верхним частям проточек паза 6, а также импульсами, создаваемыми тяжелой жидкостью с низкой вязкостью 5 в полости 15, на которую воздействуют боек и поршень.The invention is characterized by the fact that drilling is performed when not a rectangular impulse is formed, as occurs when a single impact is applied (Fig. 10), but an impulse consisting of a train of consecutive short pulses with a steep leading edge and a steeply breaking back (Fig. 11). This is achieved by the fact that additional pulses are superimposed on the shock impulse transmitted by the piston 4 to the rock-breaking tool 1, resulting from the movement of the hammer 8 in the tapering gap between the piston 4 and the end sleeve 13, while the hammer 8 and piston 4 are connected by soft springs 7, and the springs 7 are fixed from the piston 4 side to the upper parts of the grooves of the groove 6, as well as by pulses created by a heavy fluid with a low viscosity 5 in the cavity 15, which is affected by the hammer and the piston.

Изменение передней формы ударного импульса, необходимое при разрушении пород различной крепости, состава и трещиноватости, производится путем создания дополнительного импульса, получаемого при дребезге бойка, последующего после него удара поршня и жидкости. Управление дополнительным импульсом осуществляется изменением интервалов времени между соударениями бойка в поршень и породоразрушающий инструмент посредством изменения длительности и интенсивности каждого удара бойка 8 за счет варьирования его массой, расстоянием дельта (длинной пружин 7) и жесткостью пружин 7, а также изменением активного объема тяжелой жидкости с низкой вязкостью 5 путем изменения объема полости 15 поршня 4.The change in the front form of the shock impulse, necessary for the destruction of rocks of various strengths, composition and fracture, is done by creating an additional impulse obtained with the bounce of the striker, followed by the impact of the piston and fluid. The additional impulse is controlled by changing the time intervals between the impacts of the hammer in the piston and rock cutting tool by changing the duration and intensity of each impact of the hammer 8 by varying its mass, distance delta (long springs 7) and spring stiffness 7, as well as changing the active volume of heavy fluid with low viscosity 5 by changing the volume of the cavity 15 of the piston 4.

Благодаря этому ударные импульсы, возникающие от действия на породоразрушающий инструмент бойка, поршня и тяжелой жидкости, разнесены во времени и отличаются по интенсивности. Поэтому в Due to this, shock pulses arising from the action on the rock cutting tool of the hammer, piston and heavy fluid are spaced in time and differ in intensity. Therefore in

зависимости от соотношения масс бойка и поршня, параметров пружин, а также объема жидкости с малой вязкостью могут формироваться ударные импульсы разной формы. Создание рациональной формы импульса для определенной породы в зависимости от типа породоразрушающего инструмента и бурового колонны позволяет повысить стойкость породоразрушающего инструмента, а также увеличить скорость бурения.Depending on the mass ratio of the striker and piston, the parameters of the springs, and also the volume of the liquid with low viscosity, shock pulses of various shapes can be formed. Creating a rational pulse shape for a particular rock depending on the type of rock cutting tool and drill string can increase the resistance of the rock cutting tool, as well as increase the drilling speed.

Claims (1)

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 оснащен поршнем с подпружиненным бойком, установленным между поршнем и породоразрушающим инструментом, причем верхний конец пружин размещен в пазах поршня с закрепленным на нижнем конце бойком.A device for rock destruction by shock pulses containing a rock cutting tool, a shock mechanism including a piston with an internal cavity filled with a heavy liquid, characterized in that the shock mechanism is equipped with a piston with a spring-loaded striker mounted between the piston and the rock cutting tool, the upper end of the springs being placed in piston grooves with the striker fixed on the lower end.

Images