JP2024505823A

JP2024505823A - 岩石およびコンクリートの制御下泡注入（ｃｆｉ）破片化のための穿孔封止および改良された泡特性

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Publication number: JP2024505823A
Application number: JP2023543081A
Authority: JP
Inventors: サードヤング，チャプマン，ザ; フリアス，ジェイ．，ロベルト
Original assignee: アイヴィーヴィーインヴェストメンツリミテッド
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2024-02-08
Also published as: KR20230145573A; AU2021418701A1; ZA202108841B; PE20240494A1; WO2022154797A1; CA3204933A1; EP4278066A1

Abstract

制御下泡注入またはＰＣＦ（Penetrating Cone Fracture）に基づく岩石およびコンクリートの破砕は、事前に開けた孔を加圧するために高圧流体を使用する。高圧封止（１８）が、注入バレル（２）と、破壊対象の物質の事前に開けた孔の壁との間に形成される。漏れのないポペット弁が、急速な排出の前に圧力容器内の流体を保持する。可変充填量の泡／水が生成され、破砕機に送達される。注入バレル（２）は、低粘度流体で予め満たされる。環状の逆動作ポペット弁が、破砕対象の物質中への高圧の放出の間に泡粘度を変えるための化学添加物および／または微小粒子を同時に注入することを可能にする。高圧泡生成装置（５５）は、コンパクトで信頼性が高い。封止の除去と洗浄により、注入バレルを解放する。

Description

本発明は、事前に開けた適切な幾何学形状の孔を高圧流体を使用して加圧する、制御下泡注入（Controlled-Foam Injection）またはＰＣＦ（Penetrating Cone Fracture）法に基づく、岩石およびコンクリートを破砕するための方法および装置の改良を提供する。本発明は、注入バレルと、破砕対象の材料に事前に開けた前提条件としての孔の壁との間に高圧の封止を形成し、前記封止を除去および洗浄して注入バレルをその場所から解放するための自動化された方法、装置および技術を提供する。改良された漏れのないポペット弁が、流体を圧力容器内に保持し、それを急速に排出する。可変充填量の泡および水を生成して、それを破砕機に送達することは、注入バレルを低粘度流体で予め満たすことを含む。環状の逆動作ポペット弁が、破砕対象の物質中への高圧の放出の間に泡粘度を変えるための化学添加物および／または微小粒子を同時に注入することを可能にする。改良された高圧泡生成装置構成は、コンパクトで信頼性が高く、ＰＬＣ制御を可能にする。

本発明は、制御下泡注入（ＣＦＩ）法および貫通円錐破壊（PCF：Penetrating Cone Fracture）法による、硬い強靭な岩石およびコンクリートの制御された破壊に基づく、連続掘削／解体システムの改良を提供する。本願の権利者が所有する米国特許第６，３７５，２７１号明細書および同第５，０９８，１６３号明細書に概説されるＣＦＩ法およびＰＣＦ法はいずれも、破壊対象の物質に事前に開けられた孔の底部に加圧された流体を送達する。米国特許第６，３７５，２７１号明細書および同第５，０９８，１６３号明細書は、全体が本明細書に述べられたものとして、参照によって全体が本明細書に組み込まれる。

エネルギー使用の面でのＣＦＩ法およびＰＣＦ法の効率は、注入バレルと穿孔との間の封止の有効性に大きく依存する。動作効率の面において、両方の方法論は、最小のサイクル時間を達成するために、孔の穿孔、バレルおよび封止の設置、ならびにバレル除去の動作を自動化する能力に依存する。

このために、譲渡人は、新規の完全に自動化された封止システムを開発した。この新しいＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）に基づく空気式システムは、十分な量の砂を自動的に封止空洞に直接送達する。さらに、それは、液圧式システムを作動させて、砂で満たされた空洞内の砂を効果的に粉砕して、非常に有効な高圧の封止を形成する。

現場試験は、注入バレルを母岩から時折解放する必要性を明らかにした。ＣＦＩ法による破砕では、時折、注入バレルが、元のままの砂封止を穿孔内に含んでいる母岩の一部に固定されたままになることが判明した。本発明は、圧縮空気および加圧された水の直接の送達を通じて、砂封止の残りを洗い流し、それにより注入バレルを随意に穿孔から抜くことを可能にする手段を提供する。

本発明において、改良されたポペットが記載され、これは、漏れを低減し、表面欠陥に対する動作の耐久性と回復力を向上する、新規の自動で位置合わせする円錐形の弁座を有する。破砕対象の物質内に加圧流体が早期に漏れるのを防止することにより、偶発的で尚早な破砕の可能性が大幅に低減され、解消される。

破砕対象の母材は、気孔率、パーティングプレーン構造、不連続面、および組成の点で、物理的に様々に異なる。これらの相違は、破壊の大きさに負の影響を与えることもあり、時には、母岩の破砕が不完全となるのに十分に大きい隙間を生じさせる。この結果を回避するために、高い泡注入圧力が維持されるように、割れ目を通って泡が移動する際の泡の粘度を劇的に増大させることが望ましい。本発明は、その後泡粘度を増大させることになる、泡の主流の放出の中に、反応性の液体の加圧された流れを同時に注入することが可能な独自の環状ポペット装置について記載する。

本発明は、手動の操作およびその結果生じる遅延という負の不利益なしに、高圧の砂封止の形成および任意での除去を自動化するための方法および装置の両方を提供する。

本発明は、十分な量の好ましい砂を計測し、加圧された砂ホッパーから封止環状区画または空洞の中に砂を搬送・配置することが可能な、プログラマブルロジック制御（ＰＬＣ）される空気式砂送達システムを含む。封止空洞と砂はどちらも、空洞が砂を捉え、それを適所に強固に保持するような寸法とされる。砂の配置に続いて、ＰＬＣまたは操作者は液圧弁を作動させることができ、それが、捉えられた砂の粉砕および押し固めを作動させ、それを、細かい粒状の密な環状層封止に形成する。この粉砕された砂の層は、注入バレルを穿孔内にきつく固定し、孔底部と外部との間の漏れを防止する、高圧封止を作り出す。バレルを破砕対象の物質に当てて適所に固定することにより、反動力が最小にされるかまたは解消され、それにより、搬送機および機器にかかる繰り返し応力を低減する。

封止は、開けられた穿孔が円形でないかまたは均等でなく、様々に異なる直径である場合でも有効である。これらはすべて、回転衝撃式穿孔における現実であり、新しい封止は、すべてのこのような用途において有効である。

砂は、１００％の湿度の坑内環境において乾燥した状態に保たれ、乾燥した砂はホッパー内に保たれる。

砂封止によってもたらされる注入バレル位置の固定は、破砕対象の物質から注入バレルを解放する技術を時折必要とするほど有効であることが証明されている。本発明の好ましい実施形態は、粉砕された砂封止を洗い流すことにより、注入バレルを解放する方法および手段を提供する。本発明は、圧縮空気と加圧された水の混ぜ合わされた流れを、粉砕された砂封止環に向かう注入バレルに沿って選択的に送達するのを可能にするために、装置内にポート接続および弁を組み込む。粉砕管の振動的な動きと組み合わせた、混ぜ合わされた流れの乱流および攪拌は、露出した細かく粉砕された砂を侵食して洗い流し、それにより、封止の除去とバレルの開放を実現する。

加圧された流体がポペット弁を通って封止された穿孔内に漏れることは、結果として、母材の早期の予期せぬ突然の破砕を生じさせ得る。そのような早期の破砕の可能性を緩和するために、本発明は、より軟質の係合相手の円錐形座部に対して自動的に位置合わせする、硬質の円錐断面のピストンを有する、改良されたポペット弁を組み込む。圧力下で、より硬いポペットピストンは、座部表面の欠陥を機械的に変形させて、その係合表面に気密に密着することができ、それによりその後の漏れを解消する。円錐形の座部によって与えられる大きい表面積は、ポペットピストンを、それらの間の軸方向の位置ずれに従わせ、流体の背圧によって安定した位置に保持させる。

高圧泡生成装置の占有面積は、粘度増強剤注入装置を内部に収容することによって最小にされている。以前の実施形態では、この装置は、本体への追加的な細いピストン／シリンダ延長部として、外部に収容されていた。このより短い内部構成は、この失敗の可能性を解消し、加えて、シリンダ壁とピストンとの間の同心位置ずれを制限する。

砂封止空洞への自動化された砂の送達のための、収縮位置にある注入バレルおよび粉砕管サブアセンブリの短縮法で描かれた詳細切取り側面図である。伸長位置にある注入バレルおよび粉砕管サブアセンブリの短縮法で描かれた詳細切取り側面図であり、砂封止設置がバレルを母岩内に固定した後に、予め開けられた孔に挿入された装置を示す図である。本ＰＬＣ制御空気式砂送達装置の側部断面、斜視断面、および斜視図、ならびに断面を示す図である。主泡放出流の中に改質剤を注入するためのバレルおよび環状ポペット弁の詳細断面図である。それぞれピストン封止が閉じられた状態と開いた状態の、図４に描かれる環状ポペット弁の近接図である。それぞれピストン封止が閉じられた状態と開いた状態の、図４に描かれる環状ポペット弁の近接図である。円錐形の座部を有する簡素化されたポペット弁の３つの詳細な断面図である。部品点数が減らされた、図６に描かれたのと同じポペット弁の短縮法で描かれた斜視断面図である。可変のガス品質および粘度増強剤と共に泡を破砕機に供給することが可能な圧力調節器を有する、二重動作泡生成システムの図である。ピストンコアアセンブリが中心にある、コンパクトな泡生成装置の断面図である。制御の模式表現である。

自動封止配置システムは、以下の要素を含む：ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）で制御される、空気加圧される砂ホッパーおよび計測装置、砂ホッパーを図１に示す破砕機バレルにつなぐ耐圧ホースおよび導管、ならびに、バレルとバレル拡径端部と穿孔と粉砕管端との間の間隙に形成された、母岩内の封止空洞。また、適切な砂と、安定した十分な圧縮空気の流れをシステムに送達することが可能な低圧圧縮機とが必要とされる。

本発明の一実施形態では、自動化された封止の設置は、まず母岩に事前に穴を開け、図１の収縮されている破砕機バレル２アセンブリを、図２に示すように穿孔１９に挿入することによって達成される。図１に描かれるように、粉砕管３および粉砕ピストンアセンブリ１３は、初め、収縮位置にあり、それにより粉砕管開口６を通してノーズコーン５の砂ポート９に砂溝４を接続している。封止設置動作は、単に、ＰＬＣに指令を送信する該当する制御パネル上のボタンを押すことにより、連続採掘機の操作者により随意に開始される。ＰＬＣは、図３の蓋２１を有する砂ホッパー２２への圧縮空気の流れを開く電磁空気弁を開くように適切にプログラムされる。これにより、砂送達ポート２６を除いては封止されている入口ポート２０および２８を通じて、ホッパー２２全体が加圧される。安定した空気の流れが、このポート２６およびそれに接続されたホースを通じて、図１の破砕機ノーズアセンブリに至るまで確立される。空気は、入口ポート９を通ってノーズコーンに入り、孔８によって設けられる開口した経路を進み、粉砕管３の楕円開口６を横断して、バレル２の半円形チャネル４と粉砕管３の外側表面との間の溝を通って送られる。空気は最終的に封止空洞１８に到達し、そこで外側に広がり、穿孔１９から出て外部に入ることにより、最終的に大気圧に達する。この初期空気流は、ａ）砂ホッパー２２および計測装置２４を適切に加圧し、ｂ）すべてのラインおよび導管をきれいにし、ｃ）穿孔の結果残されている残留水および切削屑があればそれを穿孔から除去する必要がある。

適切な時間の後に、ＰＬＣは次いで、リレーを起動し、リレーは砂ホッパー２２のローラモータ２７をオンにし、一方で、依然としてそれを加圧され、連続的な空気流がある状態に維持する。ローラ２４は、互いと噛み合わされ２９、互いに対して逆に回転し始め、それにより、貫通漏斗２３に入り、貫通漏斗２５を出る一定の砂の流れを縦方向に計測する。空気流の流れに入る砂の最適な流量を計測し、過剰な砂量によるラインの停止または詰まりを回避するように、ローラ間の隙間が較正される。

そのようにして供給された砂は、圧縮空気２６の流れに入り、空気と共に封止空洞１８まで進む。砂の粒は、穿孔の壁１９と粉砕管３との間の隙間を通って外部に、または、穿孔１９と砂を強制的に外側に向かわせる円錐形の拡径端部１との間の隙間を通って孔底部に、逃げるには大きすぎるために、砂の大部分が封止空洞１８に閉じ込められるような直径である。十分な砂が砂封止空洞１８に送達されると、ＰＬＣは、自動的にローラモータリレーの作動を停止させて、それ以上の砂が漏斗２５を下り、出口ポート２６を通って砂供給ラインの中に送達されるのを停止する。その後の所定の短い時間の間およびその間にわたり、ＰＬＣは、砂ラインを通る、砂封止空洞１８への安定した空気の流れを維持する。これは、ラインおよび導管から残っている砂が除かれることを保証し、また、砂が積もって閉塞や詰まりを生じ得る蓄積物になるのを防止する。

ＰＬＣは次いで電磁空気弁を閉じ、弁は、砂ホッパー２２への圧縮空気流を停止する。ホッパー２２内の全空気圧は、砂ライン２６を通って外部に逃がされる。ＰＬＣまたは操作者は、ここで、作動液圧力を粉砕管シリンダ１４に送り込む電気液圧弁を作動させることにより、砂封止空洞１８に蓄積した砂の破砕をシーケンス制御する。粉砕管の伸長の間、ＰＬＣは２つの該当するセンサを監視し、一方は、粉砕管が移動した距離を測定し、他方は、粉砕管ピストン１３に作用する液圧を測定する。代替として、ＰＬＣソフトウェアは、１つのみの圧力センサを用いて、粉砕管移動の推定値を数値計算することができる。推定値を算出するために、ＰＬＣソフトウェアは、まず、粉砕管の作動と、その結果生じる移動終了時の圧力ピークとの間にかかる時間間隔を測定し、次いで、その時間に、事前に設定された粉砕管の一定の伸長速度を乗算する。移動が終了すると、ＰＬＣは、粉砕管３が移動した距離を所定の最大値と比較する。粉砕管による移動距離がこの閾値より下であれば、ＰＬＣは、封止設置および粉砕動作の成功を判定する。操作者は、制御卓上の該当するパイロット灯によって適宜通知される。しかし、距離が閾値を超える場合、ＰＬＣは、エラーパイロット灯を設定して、封止設置動作の失敗を操作者に警告する。このようにして、操作者は、自動封止配置の成功または失敗が通知され、続く破砕動作またはさらなる封止設置作業のいずれかに適宜進むことができる。

続く孔底部加圧の間、粉砕管３は、大きな力がかかったままであり、シリンダ１４内に閉じ込められたままであるピストン１３に作用する液圧の作用によって環状砂封止１８に押し付けられる。拡径端部１は、その独自の円錐形の外側表面を通じて砂封止と接触している。この表面と粉砕管３端部との間の封止を圧縮することにより、圧縮荷重のかなりの部分が、径方向に、かつ、封止空洞穿孔の壁とそれに対応するバレル／粉砕管の外側表面との両方に等しく伝達される。閉じ込められた砂は、それにより粉砕されて細かいシリカ粉となり、それが極めて不浸透性の高い封止を形成する。加えて、この封止は、その結果生じる封止の優れた摩擦係数を通じて、バレル２を母岩１７に強固に結合する。

拡径端部１の円錐度は、バレル軸とその表面との間の角度によって定められる。好ましい実施形態では、２０度の公称角度が使用され、示される。しかし、この角度は、特定の岩石種類、破壊パターン、およびバレル抽出の容易度に合わせて変動させ、最適化することができる。

図２では、粉砕管３は、砂溝４が封止空洞１８から隔離され、それにより、端部における粉砕された砂の蓄積によって砂バレル溝４が閉塞するのを防止するように伸長されている。同時に、粉砕アクセス管孔６がノーズコーン５の洗浄ポート７と位置合わせされ、それにより、バレル溝４が封止洗浄流体の導管として働くことができるようにする。封止１８が設置されると、バレルアセンブリは、粉砕された砂封止の有効な除去により、穿孔１９から最も容易に抜くことができる。この作業は、操作者が、混ぜ合わせられた水と加圧空気の流れを適切なホースを通じてノーズコーン洗浄ポート７に導く電動弁の組を作動させるときに開始される。このジェットは、粉砕管アクセス孔６を通り、環状封止空洞１９に直接通じるバレル溝４に導かれる。混ぜ合わせられた流れの乱流によってもたらされる攪拌は、粉砕された砂材料を侵食し、細かい粒子を穿孔の外部に運ばせる。封止の侵食を助けるために、操作者は、粉砕管を液圧式に振動させ、粉砕された砂封止粒子をさらに攪拌して追い出し、それらを周囲の泡立つ水の流れの中に懸濁させる。粉砕管３による反復的な砂の粉砕は、粒子を細かい塵にし、塵は洗浄流体に懸濁した状態になると、周囲の穿孔１９の隙間を通って容易に外部に逃げる。水と空気の混ぜ合わせられた流れは、この時には開口を覆っている粉砕管の部分によって、ノーズコーンの砂導管孔８内に逆流するのを防止される。

ノーズコーンアクセスポート８および７と粉砕管アクセス孔６との径方向の位置合わせは、適切な直径の玉軸受を受け入れる半円の係合溝１０、１１の対によって維持される。玉軸受は、これらの溝に沿って自在にスライドすることができ、伸長または収縮される際の粉砕管の軸方向の回転を防止する。同様に、バレル２の砂溝４は、組立て時に粉砕管アクセス孔６と位置合わせした状態に固定される。ノーズコーン５が中央板１６にボルト締めされる際に液圧シリンダ１４によってバレルフランジ１５に及ぼされる多大な圧縮力は、動作中の偶発的な回転を阻止する。

砂の粒径、鉱物組成および幾何学的形状が、封止の設置および有効性を助ける。十分に丸くないもしくは湿りすぎている粒子の大半を含む、または過度に大きい粒子を含んでいる砂は、封止設置中に導管内に閉塞および詰まりを生じやすい。不十分な直径の砂は、封止空洞１８に閉じ込められず、よって、外部または孔底部のどちらかに逃げる。鉱物組成が十分な石英を含んでいない砂は、孔の底部が最大に加圧されたときに、バレルが漏れるのを防止するのに十分な摩擦係数をもたらさない可能性がある。現場試験は、８～１２ふるいサイズの理想的な砂粒が、良好に丸くなり、砕けて微粉になることを示している。「フラックサンド（frac sand）」は、主として石油産業でプロパント（proppant）として使用される砂であり、これは、この方法で良好な結果が出ており、理想的な仕様を提供する。焼結ボーキサイトなどの合成プロパントは、まだ試験されていないものの、好ましい仕様を満たす可能性がある。

石英砂配置および封止システムを、従来の推進薬に基づく岩石破砕方法（ＰＣＦ）と併せて使用することもでき、そのようにすると、エネルギーが低減され、よって、岩石またはコンクリートの充分な破砕に必要とされる充填サイズを低減する。その結果、低減した充填サイズは、標準的なＰＣＦ破砕に伴う高い衝風、飛び石、毒性ガス、および騒音という負の影響を最小にする。

改良されたＣＦＩ破砕機の断面図が図４に示される。特殊化された環状ポペット弁が、泡の放出中に泡の流れに化学液を同時に注入することを可能にする。化学物質の添加は、その岩石破砕特性を向上させるように、泡粘度を増すまたはその組成を変化させる役割を果たす。

架橋剤または他の液体泡改質剤の注入は、注入シリンダ８３内の注入空洞８２内部の、ピストンとして機能する小さい注入管８１の差動運動によって実現される。注入シリンダ８３は、泡ピストン８４にねじ留めされ、泡がバレルに沿って放出されるのに伴って泡ピストンと共に変位する。適切な高圧封止８６が、注入チャンバを高圧泡３９および高圧空気パッド７８の区画から隔離する。化学チャンバ８２の容積の急速な変化は、バレル２を通る泡の放出と同時に、それと比例して発生し、それにより、改質剤を管８１から出して、図５ａおよび図５ｂに示されるポペットコアのスロート９２に入らせる。泡はそれにより、バレルを通って移動する際に注入された化学物質と混ぜ合わされ、粘度または破砕特性の所望の変化が破砕プロセス中に実現される。

化学液は、図８に示される泡生成装置５５から固定管８７を通って注入空洞８２に補充され、図８の破砕機５９への泡装填の送達と同時に発生する。管８７はまた、注入シリンダ８３の動きと破砕機空気パッド区画７８との間のスライドする封止を提供する。それは、後部破砕機プラグ８８に直接ねじ留めされる。

環状型ポペットの近接図が、主泡シリンダ４０内の図５ａおよび図５ｂに示され、これは、内部ポペットシリンダ７５、環状ポペットピストン７６およびポペットコア７７から構成される。貫通孔ポペット弁は、泡がバレルを通って穿孔底部に放出されるときに高圧泡の流れに選択された添加剤を注入するための、バレル４の内部へのアクセスを可能にする。図５ａに示されるように、ポペットピストン７６は、図５ｂに示されるアクセスポート８９を通じて空気空洞８０にポート接続されている、図４に示される空気パッド部７８からの高圧空気を使用することにより、しっかりと閉じられた状態に保持される。図５ｂに示されるようにポペット弁を開くには、空洞８０内の高圧空気をポート８９を介して外部に逃がし、また適切な外部の弁操作による。これにより、破砕機内の貯蔵された泡が環状ポペットピストン７６を左に押し開け、それにより、ポペットコア７７の４つの傾斜したアクセスポート９０を露出させる。ポペットコアは、泡がそのスロート９２を通ってバレル４の中に逃げられるようにする、径方向に等間隔を空けた４つのアクセスポート９０を備える。

この独自の環状ポペットは、破砕のための高圧泡の注入と独立して穿孔底部における特定の動作を行うための穿孔底部へのアクセスを可能にする。例えば、小充填量推進薬システムを使用して、物質の完全な破片化を助ける底部孔破壊を開始させる短い持続時間の高圧パルスを提供することができる。

そのような推進薬充填増設システムは、ポペットコアのスロート９２内に回転するボール逆止弁を組み込み、それを使用して、低圧泡またはゲルの注入に先立ってバレルに少量の推進薬充填を供給することができる。推進薬充填は、推進薬に点火するための感圧スイッチを含み得る。破砕のためのエネルギーのすべてではなくとも大半は、推進薬から来ることになる。推進薬システムは迅速に配備して、通常のＣＦＩ作業においてそのようなものに遭遇した場合に、独自の硬さをもつ密な物質を破壊・破砕することができる。泡改質物質が、開口９１からポペット弁スロートを通してバレル４の穴に直接供給されてよい。泡改質物質は、架橋剤などの化学物質や、石油およびガス井で使用されるプロパントのような小粒子である。小粒子は、微小粒子およびナノサイズ粒子を含む。

ＣＦＩの機能がバレルの穴や孔底部へのアクセスを必要としない場合は、図６に示され、下記で解説されるような、より単純なプラグ型ポペットが用いられてよい。

図６ａ、図６ｂ、図６ｃおよび図７に示される独自のポペット弁は、破砕機４０内に保持されている加圧された流体３９の起こり得る漏れを、ポペット出口３６を通ってバレルを下って逃げないように緩和する。このコンパクトな構成は、図４および図５に描かれる破砕機アセンブリの主要な構造特徴と後方互換性がある。破砕機中央板１６および主シリンダ４０は、両方の図において同一である。ポペット弁自体は、環状の静止コア３２、自由ピストン３３、およびアダプタシリンダ３４、の３つの主要構成要素からなる。コア３２は、ピストン３３のための弁座４１と案内シリンダの両方を提供する。一実施形態では、ピストン３３は、硬質マルエージング鋼合金から作られ、コア３２は、より軟質のステンレス鋼から作られる。これにより、ピストン３３の閉じる動作によって表面欠陥を変形させることが可能な弁座４１が得られる。中実のプラグ３５がコア３０の後部にねじ留めされ、これが手動のピストン３３の挿入および除去を可能にする。それはまた、ピストン３３を収容する円筒形チャンバ４３の戻り止めを形成する。コア３２の幾何学形状は、弁座４１の接合部で終端する、互いに対して垂直に配置された４つの大きな傾斜孔３１を含んでいる。ポペットを閉じるには、破砕機３９内の流体と一致する加圧空気を、４つの相互に垂直のアクセスポート３７および３８を介して円筒形のポペットコアチャンバ４３内にポート接続する。図６ｂおよび図６ｃに描かれるように、円形端部４２に作用するガス圧が、ピストン３３を左に変位させ、ピストンを弁座４１に対してしっかりと保持することにより、破砕機３９内の加圧流体の逃げを阻止する。弁を開くには、ポペットピストン４３の後ろに閉じ込められているガスを周囲圧力に放出する。対抗力がないと、ポート３１を通じてピストンの前部に作用する破砕機内の加圧流体は、図６ａに示されるようにピストンを右に変位させ、それにより、図６ｃに示されるポート３０およびスロート３６を通って流体が逃げることを可能にする。

部品点数を減らしたこのポペット構成の代替実施形態が図７に示される。環状のアダプタフランジ３４は、図６ａ、図６ｂおよび図６ｃに示されるようにコア３２と組み合わされて一部片４５にされ、それにより、構成全体を簡素化し、中間のＯリング封止の必要をなくす。加圧流体３９の突然の排出の際、浮動ピストン４４は大きな運動量を実現し、それは、制止されなければ、それ自体および／またはポペットアセンブリの損傷を生じる結果になり得る。環状アダプタフランジ３４は、浮動ピストンアセンブリ４４に対する前方止めの役割を果たし、損傷なく衝撃を消散させるのに十分な面積を提供する。

図８に、ＰＬＣ制御される自動泡生成および送達システムの配管図が示される。泡生成装置５５が、高圧ガスラインおよび関連する弁５１～５８を介して破砕機５９に取り付けられる。泡生成装置は、２つの主要構成要素、すなわち、９５％超が水である液相と、所望の泡圧力に圧縮された通常の大気である気相とを混合する。液相は、粘度を増すためのゲルおよび増粘剤、ならびに液相の２パーセント未満を構成する界面活性剤を含み得る。ピストンコアを液圧式に変位させることにより、泡生成装置は、静止インラインミキサー６１を通じて両構成要素を混合する。標準的な逆止弁５６が、流れの方向を制御する。高圧ガス流入ポート４６および４９は、任意の従来の圧縮機または増圧機システムによって提供されてよい。ゲル液貫流ポート４８は、弁５２を通じて従来の高圧液体ポンプによって供給される。操作者の選択に応じて、システムは、破砕機５９への、泡、高粘度の泡、および／または水という３つの異なる種類の装填物の送達を自動的にシーケンス制御することが可能である。ＰＬＣは、供給弁５１～５４および５８の状態、ならびに泡生成装置５５の内部液圧ピストンの変位を制御する。システムはまた、操作者が選択的に破砕機バレルに水を事前装填することができるように作られる。低い相対泡圧力にある孔の底部における破壊を開始する意図で、低粘度の水を、ポート５０を介し、弁５４および５８を通じて破砕機バレルに供給することができる。

ＰＬＣは、操作者が、破砕対象の物質の破片化特性に応じて、所望の泡粘度、注入圧、ならびに泡装填の量および種類を個別設定することを可能にする。例えば、操作者は、追加的な泡装填を破砕機に送達することができ、これは、孔の底部における注入圧を増す効果がある。操作者は、単に低粘度水の充填を破砕機に装填することを選択することもでき、これは、強靭で均質な細かい粒子のおよび低気孔率の岩石を破壊するのに有用である。

図１０の２つの電子センサ１１２および１１０は、空気パッド圧力および泡パッド圧力を監視する。安全性の理由から、ＰＬＣは、過圧または他の障害条件がＰＬＣおよび／または操作者によって検出された場合に、泡放出弁６２を自動的に開くようにプログラムされる。

送達システムの一実施形態はまた、高圧ガスライン４９と泡生成装置の空気シリンダ４８への入力との間に、高圧調節器６０を含む。ＣＦＩ破砕機内の泡の品質は、圧力調節器６０を通じてガスシリンダ４８内の圧力を変動させることにより、５０％～０％の品質（気体のパーセント）に制御することができる。この調節器は、破砕機５９の空気パッド部７８の圧力と比べてガスシリンダ内の有効圧力を低くすることができ、その結果、より低圧の泡が泡生成装置５５の水／泡シリンダに送達される。この泡が破砕機に送達されるとき、それはチャンバ７８内の空気パッド圧力まで圧縮される。その結果、この圧縮は、破砕機に送達される泡のガス品質を下げることになる。岩石破砕のために所定の圧力のより低品質の泡を使用すると、結果として衝風および飛び石が減る。

図８の自動泡生成および送達システムは、内蔵のディーゼル／液圧または電気／液圧動力源を利用する岩石またはコンクリート破砕機に直接搭載することができる。代替として、自動泡生成および送達システムは、必要な動力源を組み込み、岩石またはコンクリート破砕ユニットの後部に取り付けられるかまたは牽引され、高圧可撓性の配管およびホースを用いて接続される、別の「パワーパック」機に搭載することができる。

図９は、コンパクトな高圧泡生成装置の詳細な断面側面図を示す。特許第６，３７５，２７１号明細書に詳細に記載されるように、この泡生成装置は、内部ピストンコアを収容する同軸外側シリンダアセンブリからなる。クロスリンクピストン６３およびシリンダアセンブリ６７は内部に収容され、それにより泡生成装置の占有面積を縮小し、機械的故障に備えて追加的な安全性マージンを提供する。加えて、泡生成装置の両端にある埋め込まれた電子位置センサ７４が、ピストンコア位置のフィードバック情報をＰＬＣに提供する。ＰＬＣは、動きの方向とピストンコアの開始および停止タイミングの両方を制御する。

小さい静的直径の管状ロッド６３は、円筒形空洞６７内でピストンの役目を果たし、架橋液４７を注入するために使用される。微計測シリンダ６７は、ゲルピストン６４内に組み込まれ、シリンジのように機能し、それにより、ピストンコアの左方への変位に比例して化学液を送達する。

有機ポリマーの使用は、高いずり速度において多大な粘度損失を被ることが判明したため、泡粘度を増大させる目的のために他の添加物が調査された。小さい粒径および独自形状のいくつかの不溶性物質が研究された。そのような粒子の効果は、加圧された泡が狭い割れ目を通って逃げるのを防止することである。製造された物質と天然に生じる物質の両方にこの所望の効果があることが判明した。割れ目の部分的な閉塞は、泡圧力の消散を減速させ、結果として、より均一で徹底した破砕になる。モンモリロナイトなどの粘土添加物の使用が、非常に有効であることが判明している。平板状で薄層の幾何学形状は、粒と粒の噛み合いを向上させるように作用し、それにより、進行する割れ目をふさぐのをより容易に達成できるようにする。他の同等の粘土または不溶性鉱物が使用され得る。

図１０は、制御システムの模式的表現であり、ＰＬＣ１００およびその主要センサである、泡パッド圧力センサ１１０、空気パッド圧力センサ１１２および液圧センサ１１４、泡生成装置左位置センサ１１６および右位置センサ１１８を示している。

操作者制御パネル１２０は、砂封止１２２、停止１２４、封止粉砕１２６、圧力調整１２８、水装填１３２、架橋剤装填１３４および泡装填１３６のためのボタンスイッチを有する。

封止ボタン１２２は、砂封止送達・設置サイクルを開始する。消防スイッチ１４０は、泡装填を破砕対象の物質内に放出するための破砕機の突然の排出をシーケンス制御する。破砕機流しスイッチ１４２は、粉砕された砂封止を除去するための水および加圧空気を開始する。２つの重要な電気液圧弁は、砂封止を粉砕し、押し固めるための粉砕管伸長・収縮弁１５０、および、泡生成装置ピストンコアをいずれかの側に変位させるための泡生成装置ゲル／水ストローク弁１５２である。

ＰＬＣ出力１６１は、砂計測ローラモータ１６２をオンにし、スイッチ１６４は、調節器１６８による設定に従って砂送達システムを加圧する空気弁１６６を動作させる。

バレル水弁１７０は、低粘度流体によるバレルの事前装填を制御する。弁１７２は、泡生成装置への泡改質物質の供給を開閉する。泡改質物質は、１つまたは複数の化学物質、例えば、架橋化学物質、または供給物もしくは小充填量推進薬である小粒子、であってよい。

ゲル閉弁１７４は、泡生成装置へのゲルの流れを制御する。空気および水開弁１７６、１７８は、泡生成装置への高圧空気および水を制御する。

消防弁１８０は、破砕機内の泡装填を放出するためにポペット背圧の突然の排出を可能にする。

本発明について特定の実施形態を参照して説明したが、以下の特許請求の範囲に定められる本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の変形例および変形形態が構築されてよい。

２破砕機バレル
３粉砕管
１３粉砕ピストンアセンブリ、粉砕管ピストン
６楕円開口、粉砕管開口、粉砕アクセス管孔、粉砕管アクセス孔
５ノーズコーン
７洗浄ポート、ノーズコーンアクセスポート
９砂ポート
４砂溝、バレル溝、チャネル、
２１蓋
２２砂ホッパー
２６砂送達ポート
２０、２８入口ポート
８孔、ノーズコーンアクセスポート
１８封止空洞、砂封止
２４計測装置、ローラ
２７ローラモータ
２３、２５漏斗
２６圧縮空気、出口ポート、砂ライン
１９穿孔の壁、穿孔、環状封止空洞
１４粉砕管シリンダ
１７母岩
１拡径端部
１０、１１係合溝
１６中央板
１４液圧シリンダ
１５バレルフランジ
８１注入管
８２注入空洞、化学チャンバ
８３注入シリンダ
８４泡ピストン
８６高圧封止
３９高圧泡、流体
７８高圧空気パッド、破砕機空気パッド区画、空気パッド部、チャンバ
９２スロート
５５泡生成装置
８７固定管
５９破砕機
８７管
８８後部破砕機プラグ
４０主泡シリンダ、破砕機
７５内部ポペットシリンダ
７６環状ポペットピストン
７７ポペットコア
８９アクセスポート
８０空気空洞
９０アクセスポート
３６ポペット出口、スロート
３２静止コア
３３自由ピストン
３４アダプタシリンダ、アダプタフランジ
４１弁座
３５プラグ
４３チャンバ、ポペットピストン
３７、３８アクセスポート
４２端部
３１ポート
３０ポート
４４浮動ピストン、ピストンアセンブリ
５１～５８弁
５９破砕機
５６逆止弁
４６、４９ガス流入ポート
４８ゲル液貫流ポート、空気シリンダ
１１２、１１０電子センサ
４９高圧ガスライン
６０高圧調節器、圧力調節器
６３クロスリンクピストン、ロッド
６７シリンダアセンブリ、空洞、微計測シリンダ
７４電子位置センサ
４７架橋剤
６４ゲルピストン
１００ＰＬＣ
１１０泡パッド圧力センサ
１１２空気パッド圧力センサ
１１４液圧センサ
１１６泡生成装置左位置センサ
１１８泡生成装置右位置センサ
１２０制御パネル
１２２砂封止、封止ボタン
１２４停止
１２６封止粉砕
１２８圧力調整
１３２水装填
１３４架橋剤装填
１３６泡装填
１４０消防スイッチ
１４２破砕機流しスイッチ
１５０粉砕管伸長・収縮弁
１５２泡生成装置ゲル／水ストローク弁
１６１ＰＬＣ出力
１６２砂計測ローラモータ
１６４スイッチ
１６６空気弁
１６８調節器
１７０バレル水弁
１７２弁
１７４ゲル閉弁
１７６空気開弁
１７８水開弁
１８０消防弁

Claims

装置であって、
岩石またはコンクリート破砕機を備え、前記岩石またはコンクリート破砕機が、
近位端および遠位端を有するバレルと、
前記バレルの前記遠位端から径方向に延び、穿孔内に収まって前記穿孔の内壁を押圧するために構成された、円錐形の端部拡径部であって、
前記円錐形の端部拡径部の近位端が、微粒子封止材料を捕捉して前記穿孔の前記内壁に押し付けるための円錐として構成されている、円錐形の端部拡径部と、
近位端および遠位端を有し、前記バレルの外側に同心状に搭載された粉砕管であって、前記バレルと前記穿孔の前記内壁との間、前記粉砕管の前記遠位端と前記端部拡径部との間に形成された環状封止空洞に微粒子封止材料を押し固めるために、前記粉砕管の前記遠位端が前記バレルの前記遠位端上で前記端部拡径部から可変に間隔を空けられた状態で、前記バレル上で前後にスライドするために構成されている粉砕管と、
前記バレルの外部表面に沿って長さ方向に延びる溝であって、遠位端および近位端を有する溝と、
近位端および遠位端を有し、前記バレルの前記近位端を保持するために構成されている、ノーズコーンと、
前記粉砕管の前記近位端を受けて前記近位端を固定し、前記粉砕管を前記バレルの外側表面上で伸長位置と収縮位置との間で前後に駆動するために構成された内部ピストンと共に、前記ノーズコーン内に搭載されたシリンダと、
前記ノーズコーンの第１および第２の入口であって、前記第１の入口は、前記粉砕管が前記収縮位置にあるときに前記溝の前記近位端と接続するために構成され、前記第２の入口は、前記ノーズコーンに位置し、前記粉砕管が少なくとも部分的に伸長された位置にあるときに前記溝と接続するために構成されている、第１および第２の入口と、
前記第１の入口に選択的に接続および切断される微粒子封止材料および送達流体であって、前記微粒子封止材料を前記送達流体によって、前記第１の入口に、そして前記第１の入口を通り、前記溝を通り、前記溝から出て、前記バレルと前記穿孔の前記内壁の間に形成される前記環状封止空洞に供給するために構成されており、前記環状封止空洞は、前記粉砕管の前記遠位端と前記円錐形の端部拡径部とによって長さ方向に制限され、
前記微粒子材料は、前記粉砕管の前記遠位端および前記円錐形の端部拡径部と、前記粉砕管を前記円錐形の端部拡径部の方へおよびそこから離れる方へ往復させ、前記微粒子封止材料を径方向外側に押し固めるために適合された、前記粉砕管の前記近位端に接続された前記ピストンとにより、前記環状封止空洞内に閉じ込められることにより、高度に粉砕され固められた微粒子封止材料の緊密な環状封止を前記環状空洞内に形成する、微粒子封止材料および送達流体と、
前記第２の入口に選択的に接続および切断される洗浄流体であって、前記バレルに対する前記粉砕管の移動の少なくとも一部の間に、前記第２の入口および前記溝を通じて洗浄流体を送達して、前記穿孔の前記内壁と、前記バレルと、前記粉砕管の前記遠位端と、前記円錐形の端部拡径部との間の前記環状封止空洞を清掃するように構成された洗浄流体と、
をさらに備える、装置。
前記微粒子封止材料は、前記微粒子材料を保持するホッパー内にあり、前記送達流体は前記ホッパーに接続され、計測チャンバが前記ホッパーに接続され、第１の導管が、前記計測チャンバの出口を前記ノーズコーンの前記第１の入口に接続している、請求項１に記載の装置。
前記計測チャンバ内の計測ローラと、前記微粒子封止材料と共にまたは前記微粒子封止材料を伴わずに、前記導管、前記第１の入口および前記溝を通じて送達流体を導くために、前記送達流体および前記計測チャンバに接続された送達流体入口と、をさらに備える、請求項２に記載の装置。
前記送達流体が圧縮空気である、請求項２に記載の装置。
前記洗浄流体が、圧縮空気および水をさらに備え、さらに、第２の導管、前記第２の入口および前記バレルの前記溝を通して前記圧縮空気および水を清掃流体として前記環状封止空洞に送達するために、前記圧縮空気および水ならびに前記ノーズコーンの前記第２の入口に接続された導管を備える、請求項１に記載の装置。
前記微粒子封止材料が砂であり、前記送達流体が圧縮空気である、請求項１に記載の装置。
第１の泡チャンバおよび第２の駆動チャンバを有する泡シリンダと、
前記第１の泡チャンバと前記第２の駆動チャンバとを分割するピストンであって、前記第１のチャンバが前記バレルに接続されている、ピストンと、
前記第１のチャンバを泡で満たすように適合された、前記第１のチャンバに接続された泡生成装置と、
前記ピストンを前記バレルの方へ駆動し、前記第１のチャンバを圧縮するために適合された、前記第２のチャンバに接続された圧力導管と、
前記ピストンに接続され、前記第２のチャンバ内に延びる、小さい泡特性改質物質注入シリンダと、
前記注入シリンダ内に搭載された、注入ピストンとして機能する小さい注入管であって、前記注入管が第１および第２の端部を有し、
前記注入管の前記第１の端部が、前記バレルへの接続を有するポペット弁に接続されており、
前記注入管の前記第２の端部が、前記注入シリンダ内に搭載されており、前記ピストンおよび前記注入シリンダが前記泡シリンダの第１の端部の方へ動かされるのに伴って、加圧された前記泡特性改質物質を前記注入シリンダから前記ポペット弁を通じて提供するために適合されている、注入管と、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
前記ポペット弁が、環状ポペットシリンダと、前記ポペットシリンダ内の環状ポペットピストンと、前記バレルに接続された貫通孔を有するポペットコアと、を有し、前記ポペットピストンは、加圧空気によって閉じた状態に保持され、前記ポペット弁は、前記ポペットを閉じた状態に保持している空気圧が外部弁によって下げられると、前記環状ポペットシリンダが開いて、前記泡シリンダの前記第１の端部から前記ポペット弁および前記コアを通じて前記バレルに泡を送達するように適合されており、同時に、前記第２の駆動チャンバ内の前記泡特性改質物質シリンダの動きが前記小さい注入管内の圧力を増大させて、逆止弁を開き、圧力のかかった前記泡特性改質物質を前記ポペットコアの前記貫通孔に送達する、請求項７に記載の装置。
前記ポペット弁が、圧力のかかった前記泡を、前記注入シリンダから前記バレルを通じて前記穿孔内に送達するために構成され、
前記ポペット弁が、
環状ポペットシリンダと、
前記ポペットシリンダ内の環状ポペットピストンと、
前記環状ポペットピストンの内部にあるポペットコアと、
前記ポペットコア内の開口スロートと、
前記環状ポペットピストンによって閉じられ、前記泡シリンダと前記ポペットコア内の前記開口スロートとの間の連通を防止するために構成された、アクセスポートと、
をさらに備える、請求項７に記載の装置。
環状流体チャンバをさらに備え、前記環状ポペットピストンは、圧力が外部弁によって下げられるまで閉じた状態に保持される、請求項９に記載の装置。
岩石またはコンクリートを破壊するために前記岩石またはコンクリートに開けられた穿孔に挿入するために構成された円錐形の端部拡径部を有するバレルを設けることと、
前記バレル上をスライドすることが可能な粉砕管を設けることであって、前記粉砕管が、前記円錐形の端部拡径部から間隔を空けた遠位端を有する、粉砕管を設けることと、
前記バレルの外側表面に沿って長さ方向の溝を設けることと、
前記バレルを保持し、前記粉砕管の近位端が前記バレル上でノーズコーンを通ってスライドするのを可能にするために適合された中央板に当ててシリンダを保持するために適合された、ノーズコーンを設けることと、
前記ノーズコーンに第１および第２の通路を設けることと、
圧力のかかった砂および空気を、前記ノーズコーンの前記第１の通路および前記バレルの前記外側表面に沿った溝を通じて、前記拡径端部と前記粉砕管の前記遠位端との間の隙間に供給することと、
前記第１の通路を閉じ、前記粉砕管を前記バレル上で前進させ、前記粉砕管の前記遠位端を前記端部拡径部の方へ移動させることと、
前記端部拡径部と前記粉砕管の前記遠位端との間の前記砂を粉砕し、それにより、前記バレルと前記穿孔の内部壁との間に粉砕された砂封止を形成することであって、
前記砂は、前記粉砕管の端部と前記円錐形の端部拡径部とによって封止空洞内に閉じ込められる、砂封止を形成することと、
前記バレルの穴を通じて、前記封止された穿孔の底部内に泡および架橋剤を供給することと、を含む方法。
前記第２の通路および前記溝を通じて、前記粉砕された砂封止内に水および圧縮空気を導入し、前記穿孔からの前記バレルの除去を容易にするために前記砂封止を侵食することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記粉砕管を往復させ、侵食および前記砂封止の除去をさらに容易にすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記圧力のかかった砂および空気を供給することが、
砂ホッパーを設けることと、
前記砂ホッパー内に砂を供給することと、
前記砂ホッパーの下方に計測ローラを設けることと、
前記計測ローラの下に、第１の経路および前記バレルに沿った前記溝を通じて加圧空気の流れを供給し、それにより前記第１の経路および前記溝を、砕片、水分、および砂がない状態に保つことと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記砂ホッパーに加圧空気を流し込み、前記計測ローラを回転させ、前記砂および加圧空気を、前記砂ホッパーから前記第１の経路および前記溝を通じて、前記端部拡径部と前記粉砕管の前記遠位端との間の環状空洞に流し込むことをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
泡シリンダを設けることと、
前記泡シリンダからポペット弁を通じて前記バレルに泡を供給することと、
前記ポペット弁に、環状ポペットチャンバと、前記環状ポペットチャンバ内の環状ポペットピストンと、および前記バレルの穴に接続するために適合されたスロートを有するポペットコアとを設けることと、
前記ポペット弁に、前記泡シリンダから前記スロートへの経路を設けることと、
前記環状ポペットピストンの後ろに環状空気チャンバを設け、前記空気チャンバ内に空気圧がある状態で前記ポペットピストンによって前記経路を閉じることと、
外部弁を使用して、前記ポペットを閉じた状態に保持している前記空気圧を下げ、それにより、前記バレルの前記穴の中への、および前記バレルの前記遠位端を通って出る、高圧泡の注入を可能にすることと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
泡特性改質物質シリンダを、泡ピストンから、前記泡ピストンの泡チャンバとは反対の側で空気駆動チャンバ内まで伸ばすことにより、前記スロート内および前記バレル内の前記泡に泡特性改質物質を供給することと、
前記ポペット弁から前記泡チャンバを通り、前記泡ピストンを通って、架橋剤シリンダ内まで、中空の泡特性改質物質管ピストンを伸ばすことと、
前記泡ピストンを用いて、前記泡特性改質物質シリンダを中空の架橋剤ピストン上に移動させ、前記中空のピストン内の前記架橋剤にかかる圧力を増大させることと、
前記ポペット弁内の一方向弁を前記増大した架橋剤圧力によって開くことと、
前記中空の泡特性改質物質ピストンから前記ポペット弁スロートの中へ前記泡特性改質物質を放出することと、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
前記泡特性改質物質を放出することが、１つまたは複数の泡架橋化学物質を放出することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
前記泡特性改質物質を放出することが、粒子、微小粒子、またはナノ粒子を放出することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
前記泡特性改質物質を放出することが、泡架橋化学物質と微小粒子の組み合わせを前記ポペット弁スロートの中に放出することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。