KR20230145573A - 암석 및 콘크리트의 제어된 발포체 주입(ｃｆｉ)식파쇄를 위한 천공부 밀봉 및 개선된 발포체 특성 - Google Patents

Abstract

CFI(Controlled-Foam Injection) 또는 PCF(Penetrating Cone Fracture)를 기반으로 하는 암석 및 콘크리트의 파쇄는, 미리 천공된 구멍에 고압 유체를 사용하여 압력을 가한다. 주입 배럴(2)과 파쇄할 재료에 미리 천공된 구멍의 벽 사이에 고압 밀봉부(18)가 형성된다. 누출 방지 포핏 밸브는, 유체를 빠르게 배출하기 전에 이 유체를 압력 용기에 유지시킨다. 발포체/물로 된 가변적인 장전물이 생성되어 파쇄기로 전달된다. 주입 배럴(2)은 저점도 유체로 미리 충전되어 있다. 환형의 역동 포핏 밸브는, 파쇄될 재료 내로 고압을 방출하는 동안 화학 첨가제 및/또는 미세 입자를 동시에 주입하여 발포체 점도를 변경할 수 있도록 한다. 고압 발포체 발생기(55)는 컴팩트하고 신뢰할 수 있다. 밀봉부를 제거하고 세척하면 주입 배럴이 해제된다.

Description

암석 및 콘크리트의 제어된 발포체 주입(ＣＦＩ)식 파쇄를 위한 천공부 밀봉 및 개선된 발포체 특성

본 발명은, 제어된 발포체 주입식 공정 또는 PCF(Penetrating Cone Fracture) 공정에 기초하여 암석 및 콘크리트를 파쇄하기 위한 방법 및 장치에 대한 개선을 제공하며, 여기서는 적절한 형상의 사전 천공된 구멍에 압력을 가하기 위해 고압 유체가 사용된다. 본 발명은, 주입 배럴(injection barrel)과 파쇄될 재료에 미리 천공된 사전 구멍의 벽 사이에 고압 밀봉부를 형성하고 주입 배럴을 주입 배럴의 위치로부터 빼내기 위해 상기 고압 밀봉부를 제거하고 세척하기 위한 자동화된 방법, 장치, 및 기법을 제공한다. 개선된 누출 방지용 포핏 밸브는 유체를 압력 용기에 유지하고 이 유체를 빠르게 방출시킨다. 발포체와 물로 된 가변적인 장전물을 생성하여 파쇄기에 전달하는 작업은, 저점도 유체로 주입 배럴을 미리 충전하는 것을 포함한다. 환형의 역동식 포핏 밸브(reverse acting poppet valve)는, 파쇄될 재료에 고압을 방출하는 동안 화학 첨가제 및/또는 미세 입자를 동시에 주입하여 발포체 점도를 변경할 수 있도록 해준다. 개선된 고압 발포체 발생기 구조는 컴팩트하고 안정적이며, PLC 제어를 허용한다.

본 발명은 CFI(Controlled Foam Injection) 공정 및 PCF(Penetrating Cone Fracture) 공정에 의한, 단단하고 적격인 암석 및 콘크리트의 제어식 파쇄에 기초하여 연속 굴착/철거 시스템에 대한 개선을 제공한다. 공동 소유의 미국 특허 제6,375,271호 및 미국 특허 제5,098,163호에 개괄적으로 설명된 바와 같이, CFI 방법 및 PCF 방법 양자 모두는, 파쇄할 재료에 미리 천공해 둔 구멍의 바닥으로 가압 유체를 전달한다. 미국 특허 제6,375,271호 및 미국 특허 제5,098,163호는, 마치 본원에 완전하게 기재되어 있는 것처럼, 인용함으로써 그 전체 내용이 본원에 포함된다.

에너지 사용의 측면에서 CFI 방법 및 PCF 방법의 효율은, 주입 배럴과 천공부 사이의 밀봉의 효능에 크게 좌우된다. 이들 방법의 작업 효율성의 측면에서, 2가지 방법론은, 최소 사이클 시간을 달성하기 위해, 구멍 파기, 배럴 및 밀봉부 배치, 배럴 제거 작업을 자동화하는 능력에 따라 좌우된다.

이를 위해, 양수인은 새롭고 완전히 자동화된 밀봉 시스템을 개발하였다. 이러한 새로운 PLC(Programmable Logic Controller) 기반의 공압 시스템은, 자동으로 충분한 양의 모래를 밀봉부 공동에 직접 전달한다. 더욱이, 이러한 공압 시스템은, 유압 시스템과 결합하여, 모래가 채워진 공동 내의 모래를 효과적으로 분쇄하여 매우 효과적인 고압 밀봉부를 형성한다.

현장 테스트에서는, 경우에 따라 모암으로부터 주입 배럴을 빼내야 할 필요가 있는 것으로 드러났다. CFI 공정에 의한 파쇄로 인해, 천공부에서의 온전한 모래 밀봉부를 비롯하여, 간혹 모암의 일부에 주입 배럴이 고정된 상태로 남아 있는 경우가 있는 것으로 나타났다. 본 발명은, 압축 공기와 가압수의 직접 전달을 통해 모래 밀봉부의 잔유물을 세척할 수 있는 수단을 제공하며, 이에 따라 천공부로부터 주입 배럴을 의도하는 대로 추출할 수 있도록 한다.

본 발명에서는, 누출을 감소시키고 작동상 내구성 및 표면 결함에 대한 복원력을 향상시키는, 새로운 자가 정렬식 원추형 밸브 시트를 갖춘 개선된 포핏이 설명된다. 파쇄될 재료 내로 가압 유체가 조기에 누출되는 것을 방지함으로써, 의도치 않은 시기적으로 부적절한 파쇄의 가능성이 크게 감소되고 제거된다.

파쇄될 모재료는, 다공도, 분할 평면의 기하학적 형상, 불연속성 및 조성 측면에서 물리적으로 상이하다. 이러한 상이함으로 인해, 파쇄물 크기에 악영향을 미칠 수도 있으며 때로는 모암의 불완전한 파쇄를 초래하는, 충분히 큰 간격이 발생된다. 이러한 결과를 방지하기 위해서는, 발포체가 파쇄물을 통해 이동할 때 발포체의 점도를 극적으로 증가시켜 높은 발포체 주입 압력이 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명은, 후속하여 발포체 점도를 증가시킬 반응성 액체의 가압 스트림을 발포체의 주요 흐름 방출부로 동시에 주입할 수 있는 독특한 환형 포핏 장치를 설명한다.

본 발명은, 수동 작업 및 결과적인 지연의 악영향 없이 고압 모래 밀봉부의 형성 및 선택적인 제거를 자동화하기 위한 방법 및 장치 양자 모두를 제공한다.

본 발명은 가압식 모래 호퍼로부터 밀봉부 환형 격실 또는 밀봉부 환형 공동으로 충분한 양의 바람직한 모래를 계량, 운반 및 배치할 수 있는 PLC(Programmable Logic Controlled)형 공압식 모래 전달 시스템을 포함한다. 밀봉부 공동 및 모래 양자 모두는, 공동 내에 모래가 포획되어 공동에 의해 모래가 제자리에 단단히 고정되도록 치수가 결정된다. 모래 배치에 후속하여, PLC 또는 조작자는, 포획된 모래의 분쇄 및 팩킹(packing)을 수행하고 분쇄 및 팩킹된 모래를 미세한 알갱이 및 조밀한 환형 층 밀봉부로 형성하는 유압 밸브 작업을 행할 수 있다. 이렇게 분쇄된 모래 층은, 주입 배럴을 천공부 내에 단단히 고정시키고 천공부의 바닥과 외부 사이에서의 누출을 방지하는 고압 밀봉부를 생성한다. 파쇄될 재료에 대해 주입 배럴을 제 위치에 고정시킴으로써, 반동력이 최소화되거나 제거되며, 이에 따라 캐리어 및 장비의 주기적인 응력이 감소된다.

심지어 천공된 천공부가 원형이 아니거나 균일하지 않고 다양한 직경을 갖는 경우에라도 상기 밀봉부는 효과적이다. 이것은 모두 회전 충격식 천공 작업에서 실제하며, 새로운 밀봉부는 이러한 모든 용례에서 효과적이다.

모래는 습도 100%의 광산 환경에서 건조한 상태로 유지되며, 마른 모래가 호퍼 내에서 유지된다.

모래 밀봉부에 의해 제공되는 주입 배럴 위치 고정은, 파쇄될 재료로부터 주입 배럴을 빼내는 기법을 때때로 필요로 할 정도로 충분히 효과적이라는 것이 입증되었다. 본 발명의 바람직한 실시예는, 분쇄된 모래 밀봉부를 세척함으로써 주입 배럴을 빼내는 방법 및 수단을 제공한다. 본 발명은, 분쇄된 환형 모래 밀봉부를 향해 주입 배럴을 따라 아래로 압축 공기 및 가압수의 혼합 흐름을 선택적으로 전달할 수 있도록 하기 위해 상기 장치 내에 포팅(porting) 및 밸브 설치를 통합한다. 크러시 튜브(crush tube)의 진동 운동과 결합된 혼합 스트림의 난류 및 요동은, 노출된 미세 분쇄 모래를 침식시키고 씻어내며, 이에 따라 밀봉부의 제거 및 주입 배럴의 해방을 유발한다.

밀봉된 천공부 내로 포핏 밸브를 통해 가압된 유체가 누출되면, 모재료가 조기에 예기치 않게 갑작스럽게 파쇄되는 결과를 초래할 수 있다. 이러한 조기 파쇄의 가능성을 완화하기 위한 노력의 일환으로, 본 발명은, 부드러운 원추형 결합 시트에 대해 자가 정렬되는 단단한 원추형 단면의 피스톤을 갖춘 개선된 포핏 밸브를 통합한다. 압력 하에서, 상기 단단한 포핏 피스톤은 임의의 시트 표면의 결함을 기계적으로 변형시킬 수 있고, 그 결합 표면에 밀폐식으로 순응(conformation)할 수 있으며, 이에 따라 후속 누출을 없앨 수 있다. 원추형 시트에 의해 제공되는 넓은 표면적은, 포핏 피스톤이 원추형 시트와 포핏 피스톤 사이의 임의의 축방향 오정렬에 순응하고 유체 배압에 의해 안정적인 위치에 유지되도록 한다.

점성 강화 약품 주입 장치를 내부에 수납함으로써 고압 발포체 생성기의 풋프린트(footprint)를 최소화하였다. 이전의 실시예에서는, 이러한 장치가 본체에 대한 추가적인 협소 피스톤/실린더 연장부로서 외부에 수납되었다. 이러한 짧은 내부 구조는 고장 가능성을 제거하고, 실린더 벽과 피스톤 사이의 동심 오정렬을 추가로 제한한다.

도 1은 모래 밀봉부 공동으로 모래를 자동으로 전달하기 위한, 후퇴된 위치에 있는 주입 배럴 및 크러시 튜브 하위 조립체의 개략적인 상세 절취 측면도이다.
도 2는 연장된 위치에 있는 주입 배럴 및 크러시 튜브 하위 조립체의 개략적인 상세 절취 측면도로서, 모암 내에 배럴을 고정시키는 모래 밀봉부 배치 이후의, 미리 천공된 구멍에 삽입된 장치를 도시한다.
도 3은 본원의 PLC 제어식 공압 모래 전달 장치의 측단면, 사시 단면도 및 사시도와 단면을 도시한다.
도 4는 개질제를 주요 발포체 방출 흐름 내로 주입하기 위한 배럴 및 환형 포핏 밸브의 상세한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 묘사된 환형 포핏 밸브의 확대도로서, 피스톤 밀봉부가 각각 폐쇄 및 개방되어 있는 것인 확대도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 원추형 시트가 있는 단순화된 포핏 밸브의 3가지 세부 단면도를 도시한다.
도 7은 도 6에 묘사된 동일한 포핏 밸브의 개략적인 사시 단면도로서, 부품 수를 줄인 것인 사시 단면도이다.
도 8은 가변적인 가스 품질을 갖는 발포체 및 점도 향상 화학물질을 파쇄기에 공급할 수 있는 압력 조절기를 구비한 복동 발포체 생성 시스템을 도시한다.
도 9는 피스톤 코어 조립체가 중심에 있는 컴팩트한 발포체 생성 장치의 단면도이다.
도 10은 제어부의 개략도이다.

자동화된 밀봉부 배치 시스템은 다음 요소, 즉 PLC(Programmable Logic Controller) 제어식 공기 가압형 모래 호퍼 및 계량 장치, 도 1에 도시된 파쇄기의 배럴에 모래 호퍼를 연결하는 내압 호스 및 도관, 그리고 배럴, 배럴 벌브 팁(barrel bulb tip), 천공부 및 크러시 튜브 단부 사이의 공극에 형성된 모암 내의 밀봉부 공동을 포함한다. 안정적(steady)이고 충분한 압축 공기 흐름을 시스템에 전달할 수 있는 적절한 모래 및 저압 압축기가 또한 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 자동화된 밀봉부 배치는, 먼저 모암을 사전 천공하고 도 2에 도시된 바와 같이 천공부(19) 내로 도 1의 후퇴된 파쇄기 배럴(2) 조립체를 삽입함으로써 달성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 크러시 튜브(3) 및 크러시 피스톤 조립체(13)는 초기에 각각의 후퇴된 위치에 있으며, 이에 따라 크러시 튜브 개구(6)를 통해 샌드 그루브(sand groove)(4)를 노즈 콘(5)의 모래 포트(9)에 연결한다. 이러한 밀봉부 배치 작업은, 단순히 명령을 PLC로 전송하는 적절한 제어 패널 상의 버튼을 누름으로써, 연속 채굴기의 조작자에 의해 의도에 따라 개시된다. PLC는 도 3에서의 뚜껑(21)을 구비한 모래 호퍼(22)로 압축 공기 흐름을 개방시키는 공압 전자 밸브를 개방시키도록 적절하게 프로그래밍되어 있다. 다음으로, 모래 전달 포트(26)를 제외하고는 밀봉되어 있는 전체 호퍼(22)에 유입구 포트(20 및 28)를 통해 압력을 가한다. 이러한 모래 전달 포트(26)를 통해 그리고 그 연결된 호스를 통해, 도 1에서의 파쇄기의 노즈 조립체(nose assembly)까지 내내 일정한 공기 흐름이 형성된다. 공기는 유입구 포트(9)를 통해, 노즈 콘(nose cone)으로 들어가, 구멍(8)에 의해 제공되는 개방 경로를 따라, 크러시 튜브(3) 내의 타원형 개구(6)를 가로질러 이동하고, 주입 배럴(2)에서의 반원형 채널(4)과 크러시 튜브(3)의 외부 표면 사이의 홈을 따라 라우팅(routing)된다. 이러한 공기는, 최종적으로는, 밀봉부 공동(18)에 도달하여 여기서 팽창하며, 결과적으로 천공부(19) 밖으로 외부에 도달함으로써 대기압에 도달한다. 이러한 초기 공기 흐름은, a) 모래 호퍼(22) 및 계량 장치(24)를 적절하게 가압하기 위해, b) 모든 라인 및 도관을 클리어(clear)하기 위해, c) 천공의 결과로서 남겨진 천공부로부터 임의의 잔류하는 물 및 절단물을 제거하기 위해 필요하다.

적절한 시간 후에, PLC는 이제 공기의 연속적인 흐름으로 가압된 상태를 유지하면서 모래 호퍼(22) 상의 롤러 모터(27)를 켜는 릴레이(relay)를 활성화한다. 롤러(24, 29)들은 함께 맞물려 있고, 서로 반대로 회전하기 시작하며, 이에 따라 깔때기(23)를 통해 들어와서 깔때기(25)를 통해 나가는 모래의 안정적인 흐름을 수직으로 계량한다. 공기 흐름 스트림 내로 최적의 모래의 흐름을 계량하고 과도한 모래 부피로 인해 라인이 중단되거나 막히는 것을 방지하기 위해 롤러들 사이의 간격이 캘리브레이션(calibration)된다.

이렇게 공급된 모래는 압축 공기(26)의 스트림 흐름으로 들어가고, 압축 공기의 스트림 흐름과 함께 밀봉부 공동(18)까지 내내 이동한다. 모래의 알갱이는, 그 대부분이 밀봉부 공동(18) 내에 포획되는 직경을 갖는데, 모래의 알갱이는 천공부의 벽(19)과 크러시 튜브(3) 사이의 간격을 통해 외부로 빠져나가지 못할 정도로 그리고 모래를 바깥쪽으로 밀어내는 천공부(19)와 원추형 벌브 팁(bulb tip)(1) 사이의 간격을 통해 구멍 바닥으로 빠져나가지 못할 정도로 크다. 일단 충분한 모래가 모래 밀봉부 공동(18)으로 전달되면, PLC는 롤러 모터의 릴레이를 자동으로 비활성화하여, 깔때기(25) 아래로 그리고 유출구 포트(26)를 통해 모래 공급 라인 내로 더 이상 어떠한 추가적인 모래가 전달되는 것을 중지시킨다. 미리 정해진 짧은 시간 동안에 그리고 그 이후에, PLC는 모래 라인 아래로의 그리고 모래 밀봉부 공동(18) 내로의 공기의 안정적인 흐름을 유지한다. 이렇게 하면, 라인 및 도관에 임의의 남아 있는 모래가 제거되는 것, 그리고 모래가 침전되어 중단 또는 막힘을 유발하는 축적물이 형성되는 것을 방지하는 것을 보장하게 된다.

다음으로, PLC는 모래 호퍼(22)로의 압축 공기 흐름을 중단시키는 공압 전자 밸브를 폐쇄한다. 모래 호퍼(22) 내의 모든 공기 압력은 모래 라인(26)을 통해 외부로 배출된다. 이제, PLC 또는 조작자는, 유압 유체 압력을 크러시 튜브 실린더(14) 내로 전달하는 전자 유압식 밸브를 작동시킴으로써, 모래 밀봉부 공동(18)에 축적된 모래의 분쇄를 시퀀싱(sequencing)한다. 크러시 튜브가 연장되어 있는 동안, PLC는 2개의 적절한 센서를 모니터링하는데, 하나의 센서는 크러시 튜브가 이동한 거리를 측정하고, 다른 하나의 센서는 크러시 튜브 피스톤(13) 상에 작용하는 유압을 측정한다. 대안으로, PLC 소프트웨어는, 단 하나의 압력 센서로 크러시 튜브 이동의 추정치를 수치적으로 계산할 수도 있다. 추정치를 계산하기 위해, PLC 소프트웨어는 먼저 크러시 튜브의 활성화와 이동 종료 시의 결과적인 압력 피크 사이의 시간 간격을 측정하고, 다음으로 미리 설정된 크러시 튜브의 일정한 연장 속도와 해당 시간을 곱한다. 일단 이동이 종료되면, PLC는 크러시 튜브(3)가 이동한 거리를 미리 결정된 최대값과 비교한다. 크러시 튜브의 이동 거리가 이 임계값 미만인 경우, PLC는 밀봉부 배치 및 크러시 작업이 성공적인 것으로 판정한다. 조작자는, 제어 콘솔의 적절한 파일럿 라이트(pilot light)로 적절하게 알림을 받게 된다. 그러나, 상기 거리가 임계값을 초과하는 경우, PLC는 조작자에게 밀봉부 배치 작업의 실패를 경고하도록 에러 파일럿 라이트(error pilot light)를 설정한다. 이러한 방식으로, 조작자는 자동화된 밀봉부 배치의 성공 또는 실패를 통보받으며, 후속하는 파쇄 작업 또는 추가적인 밀봉부 배치 노력을 적절하게 진행할 수 있다.

후속하는 구멍 바닥의 가압 중에, 크러시 튜브(3)는 상당한 힘을 받는 상태로 남아있어, 실린더(14) 내에 갇힌 상태로 남아 있어 피스톤(13) 상에 작용하는 유압의 작용에 의해, 환형 모래 밀봉부(18)에 대해 눌려지게 된다. 벌브 팁(1)은 고유의 원추형 외부 표면을 통해 모래 밀봉부와 접촉하게 된다. 이러한 외부 표면과 크러시 튜브(3)의 단부 사이의 밀봉부를 압축함으로써, 압축 부하의 상당 부분이 밀봉부 공동의 천공부 벽과 대응하는 배럴/크러시 튜브 외부 표면 양자 모두에 대해 반경 방향으로 동등하게 전달된다. 따라서, 이렇게 갇힌 모래는 현저하게 불투성인 밀봉부를 형성하는 미세한 규산질 분말로 분쇄된다. 추가적으로, 상기 밀봉부는 결과적인 밀봉부의 뛰어난 마찰 계수로 인해 주입 배럴(2)을 모암(17)에 견고하게 결합시킨다.

벌브 팁(1)의 원추도(conicity)는 배럴 축과 배럴의 표면 사이의 각도에 의해 정의된다. 20도의 공칭 각도가 사용되며, 이는 바람직한 실시예에 도시되어 있다. 그러나, 이러한 각도는 특정 암석 유형, 균열 패턴 및 배럴 추출의 용이성에 따라 변경될 수 있고 최적화될 수 있다.

도 2에 있어서, 샌드 그루브(4)가 밀봉부 공동(18)으로부터 격리되게 하도록 크러시 튜브(3)가 연장되며, 이에 따라 주입 배럴의 샌드 그루브(4)의 단부에서의 분쇄된 모래의 축적으로 인해 주입 배럴의 샌드 그루브(4)가 중단되는 것이 방지된다. 동시에, 크러시 액세스 튜브 구멍(crush access tube hole)(6)은 노즈 콘(nose cone)(5)에서의 세척 포트(wash out port)(7)와 정렬되며, 이에 따라 주입 배럴의 샌드 그루브(4)가 밀봉부 세척 유체를 위한 도관으로서 역할을 할 수 있도록 한다. 일단 밀봉부(18)가 배치되면, 분쇄된 모래 밀봉부의 효과적인 제거에 의해, 배럴 조립체가 천공부(19)로부터 가장 용이하게 추출될 수 있다. 이러한 작업은, 물과 가압 공기의 혼합된 스트림을 적절한 호스를 통해 노즈 콘의 세척 포트(7) 내로 보내는 전자 밸브 세트를 조작자가 활성화할 때 개시된다. 이러한 제트는, 크러시 튜브 액세스 구멍(6)을 통해, 환형 밀봉부 공동(19)에 직접 연결되는 주입 배럴의 샌드 그루브(4) 내로 향하게 된다. 혼합된 스트림의 난류 흐름에 의해 이루어지는 교반은, 분쇄된 모래 재료를 침식시키고, 미세한 입자가 천공부의 외부로 운반되도록 한다. 밀봉부의 침식을 돕기 위해, 조작자는 크러시 튜브를 유압식으로 진동시켜, 분쇄된 모래 밀봉부 입자를 추가로 교반 및 제거하고, 이를 거품이 이는 물의 주위 스트림 내에 부유시킨다. 크러시 튜브(3)에 의한 모래의 반복적인 분쇄는 입자를 미세한 먼지로 축소시키고, 상기 미세한 먼지는 일단 세척 유체에 부유되면 주변의 천공부(19) 간격을 통해 외부로 용이하게 빠져나간다. 이제 개구를 덮고 있는 크러시 튜브의 부분에 의해 물과 공기의 혼합된 스트림이 노즈 콘의 모래 도관 구멍(8) 내로 역류하는 것이 방지된다.

크러시 튜브 액세스 구멍(6)과 노즈 콘 액세스 포트(8 및 7)의 반경방향 정렬은, 적절한 직경의 볼 베어링을 포획하는 반원형 결합 홈(10, 11)의 쌍에 의해 유지된다. 볼 베어링은 상기 결합 홈을 따라 자유롭게 활주하며, 크러시 튜브가 연장될 때 또는 후퇴될 때 크러시 튜브의 임의의 축방향 회전을 방지한다. 마찬가지로, 주입 배럴(2)의 샌드 그루브(4)는, 조립 중에 크러시 튜브 액세스 구멍(6)과 정렬된 상태로 고정되게 된다. 노즈 콘(5)이 중앙 플레이트(16)에 볼트로 고정될 때 유압 실린더(14)에 의해 배럴 플랜지(15)에 대해 가해지는 상당한 압축력은 작동 중에 임의의 의도치 않은 회전을 방지한다.

모래 알갱이의 크기, 광물 조성 및 기하학적 형상은 밀봉부의 배치 및 효율성에 도움이 된다. 대부분의 입자가 충분히 둥글지 않거나, 너무 축축하거나, 및/또는 너무 큰 입자를 포함하는 것인 모래는, 밀봉부 배치 중에 도관 내에서의 중단 및 막힘을 발생시키는 경향이 있다. 직경이 불충분한 모래는 밀봉부 공동(18) 내에 갇히지 않고, 이에 따라 외부로 또는 구멍 바닥으로 빠져나간다. 광물 조성이 충분한 석영을 포함하지 않은 것인 모래는, 구멍의 바닥이 완전히 가압되었을 때 주입 배럴이 빠져나가는 것을 방지할 수 있는 충분한 마찰 계수를 제공하지 못할 수도 있다. 현장 테스트에 따르면, 이상적인 모래 알갱이는 8 내지 12의 시브 사이즈(sieve size)이고, 양호하게 둥그며, 미세한 분말로 분쇄되는 것을 알 수 있다. 석유 산업에서 프로판트(proppant)로서 주로 사용되는 모래인 "Frac Sand"는, 이러한 방법에서 성공적으로 테스트되었으며, 이상적인 사양을 제공한다. 소결된 보크사이트와 같은 합성 프로판트는, 아직 테스트되지는 않았지만, 아마도 선호되는 사양을 충족할 것이다.

규사 배치 및 밀봉 시스템은 또한, 기존의 추진제 기반 암석 파괴 방법(PCF)과 함께 사용되어, 암석 또는 콘크리트의 적절한 파쇄에 필요한 에너지 및 이에 따른 장약 크기를 감소시킬 수도 있다. 결과적으로, 감소된 장약 크기는, 표준 PCF 파쇄와 관련된 큰 공기 분사, 비석(fly rock), 독성 연기(toxic fume) 및 소음의 악영향을 최소화한다.

개선된 CFI 파쇄기의 단면도가 도 4에 도시되어 있다. 특수한 환형 포핏 밸브는, 발포체가 방출되는 동안 발포체의 흐름에 액체 화학물질을 동시에 주입할 수 있도록 한다. 상기 화학물질의 첨가는, 발포체의 점성을 증가시키거나 또는 발포체의 조성을 변화시켜 암석 파쇄 특성을 개선시키는 역할을 한다.

가교제 또는 다른 액상의 발포체 개질용 화학물질의 주입은, 주입 실린더(83) 내의 주입 공동(82) 내부에서 피스톤으로서 작용하는 소형 주입 튜브(81)의 차동 운동에 의해 수행된다. 주입 실린더(83)는 발포체 피스톤(84) 내에 나사 결합되며, 발포체가 배럴 아래로 방출됨에 따라 발포체 피스톤과 함께 변위된다. 적절한 고압 밀봉부(86)가 고압 발포체(39)와 고압 공기 패드(78) 격실로부터 주입 챔버를 격리시킨다. 화학 챔버(82)의 급격한 체적 변화는, 발포체가 배럴(2) 아래로 방출되는 것과 동시에 그리고 이에 비례하여 발생하며, 이에 따라 개질용 화학물질을 주입 튜브(81) 밖으로 밀어내어 도 5a 및 도 5b에 도시된 포핏 코어의 스로트(throat)(92) 내로 밀어넣는다. 따라서, 발포체는 배럴을 통한 이동 중에 주입된 화학물질과 혼합되며, 파쇄 과정 동안 점도 또는 파쇄 특성의 원하는 변화가 달성된다.

액상의 화학물질은, 도 8에 도시된 발포체 발생기(55)로부터 고정 튜브(87)를 통해 주입 공동(82)에 보충되고, 도 8에서의 파쇄기(59)로의 발포체 부하의 전달과 동시에 나타난다. 고정 튜브(87)는 또한 주입 실린더(83)와 파쇄기의 공기 패드 격실(78)의 움직임 사이에 활주식 밀봉부를 제공한다. 고정 튜브는 후면 파쇄기 플러그(88) 내에 직접 나사 연결된다.

환형인 유형의 포핏의 확대도가 도 5a 및 도 5b에서 메인 발포체 실린더(40) 내에 도시되어 있으며, 내부 포핏 실린더(75), 환형 포핏 피스톤(76) 및 포핏 코어(77)로 구성된다. 관통 구멍형 포핏 밸브는, 고압 발포체가 배럴을 통해 천공부 바닥으로 방출될 때 고압 발포체의 흐름에 선택된 첨가제를 주입하기 위한 배럴(4) 내부로의 접근을 가능하게 한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 포핏 피스톤(76)은, 도 5b에 도시된 액세스 포트(89)를 통해 공기 공동(80)으로 포팅(porting)된, 도 4에 도시된 공기 패드 섹션(78)으로부터의 고압 공기를 사용함으로써 단단히 폐쇄 상태로 유지된다. 도 5b에 도시된 바와 같이 포핏 밸브를 개방하기 위해, 공동(80) 내의 고압 공기는 포트(89)를 통해 그리고 적절한 외부 밸브 조작에 의해 외부로 배출된다. 이렇게 하면, 파쇄기 내에 저장된 발포체가 환형 포핏 피스톤(76)을 왼쪽으로 밀어 개방시킬 수 있게 되며, 이에 따라 포핏 코어(77)에 있는 4개의 경사진 액세스 포트(90)가 노출되게 된다. 포핏 코어는, 발포체가 포핏 코어의 스로트(92)를 통해 배럴(4) 내로 빠져나갈 수 있게 하며 반경방향으로 균일하게 이격된 4개의 액세스 포트(90)를 포함한다.

고유한 환형 포핏은, 파쇄를 위한 고압 발포체의 주입과는 독립적으로, 천공부의 바닥에서 특정 작업을 수행하기 위해 천공부의 바닥에 접근할 수 있도록 한다. 예를 들면, 재료의 파쇄를 완료하는 데 도움이 되는 바닥 구멍 균열이 개시되도록 하는 짧은 기간의 고압 펄스를 제공하기 위해 소량의 장약의 추진제 시스템을 사용할 수 있다.

이러한 추진제 장약 추가 시스템은, 포핏 코어의 스로트(92) 내에 회전식 볼 체크 밸브를 통합하는데, 이는 저압 발포체 또는 겔의 주입에 앞서 소량의 추진제 장약을 배럴 아래로 공급하는 데 사용될 수 있다. 추진제 장약에는 추진제를 점화하기 위한 감압식 스위치가 포함될 수 있다. 모두 그런 것은 아니지만, 파쇄를 위한 에너지의 대부분은 추진제로부터 나온다. 상기 추진 시스템은 정상적인 CFI 작업에서 마련될 때마다 고유한 단단한 압축 재료를 부수고 파쇄하기 위해 신속하게 배치될 수 있다. 발포체 개질용 물질은, 개구(91)로부터 포핏 밸브 스로트를 통해 배럴(4)의 보어 내로 직접 공급될 수도 있다. 발포체 개질용 물질은, 유정 및 가스정에서 사용되는 프로판트와 같은 작은 입자 및 가교결합용 화학물질과 같은 화학물질이다. 상기 작은 입자는 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 입자를 포함한다.

CFI 작용이 배럴의 보어 또는 구멍 바닥에의 접근을 필요로 하지 않는 경우, 도 6에 도시되고 이하에서 설명되는 바와 같이, 보다 간단한 플러그 유형의 포핏이 사용될 수 있다.

도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 7에 도시된 고유한 포핏 밸브는, 포핏 유출구(36)를 통해 배럴 아래로 빠져나가는, 파쇄기(40)에 유지되는 가압 유체(39)의 잠재적인 누출을 완화시킨다. 반대로, 이러한 컴팩트한 구성은, 도 4 및 도 5에 도시된 파쇄기 조립체의 주요한 구조적 특성과 호환 가능하다. 파쇄기의 중앙 플레이트(16) 및 메인 실린더(40)는 2개의 도면에서 동일하다. 포핏 밸브 자체는 3가지 주요 구성 요소, 즉 환형 고정 코어(32); 자유 피스톤(33); 및 어댑터 실린더(34)로 이루어진다. 환형 고정 코어(32)는 자유 피스톤(33)을 위한 밸브 시트(41) 및 가이드 실린더 양자 모두를 제공한다. 일 실시예에 있어서, 자유 피스톤(33)은 단단한 마레이징강 합금으로 제조되며, 환형 고정 코어(32)는 이보다 무른 스테인레스 강으로 제조된다. 이는, 피스톤(33)의 폐쇄 작용에 의해 표면 결함이 변형될 수도 있는 밸브 시트(41)를 제공한다. 수동 피스톤(33)의 삽입 및 제거를 허용하는 솔리드 플러그(solid plug)(35)가 코어(30)의 후방에 스크류 결합된다. 또한, 이는 피스톤(33)을 수용하는 원통형 챔버(43)를 위한 백스톱(backstop)을 형성한다. 코어(32)의 기하학적 형상은, 밸브 시트(41)의 접합부에서 종결되며 서로에 대해 수직으로 배열된 4개의 큰 경사진 구멍(31)을 포함한다. 포핏을 폐쇄하기 위해, 파쇄기(39) 내의 유체와 매칭되는 가압 공기가 4개의 상호 수직인 액세스 포트(37 및 38)를 통해 원통형 포핏 코어 챔버(43) 내로 포팅(porting)된다. 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 원형 단부(42) 상에 작용하는 가스 압력은 피스톤(33)을 왼쪽으로 변위시키고, 시트(41)에 대해 확실하게 피스톤을 유지하며, 이에 따라 파쇄기(39)에서의 가압 유체의 이탈을 차단한다. 밸브를 개방하기 위해, 포핏 피스톤(43) 뒤에 갇힌 가스가 대기압으로 방출된다. 반대되는 힘이 없으면, 포트(31)를 통해 피스톤의 전면(front) 상에 작용하는 파쇄기 내의 가압 유체는, 도 6a에 도시된 바와 같이 피스톤을 오른쪽으로 변위시켜, 이에 따라 도 6c에 도시된 포트(30) 및 스로트(36)를 통해 빠져나갈 수 있도록 한다.

이러한 포핏 구성의, 부품 수를 줄인 대안적인 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 환형 어댑터 플랜지(34)는, 도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 코어(32)와 결합되어 하나의 부품(45)으로 형성되며, 이에 따라 전체 구조를 단순화하고 중간 O-링 밀봉부에 대한 필요성을 제거한다. 가압 유체(39)의 급격한 방출 중에, 플로팅 피스톤(floating piston)(44)은, 달리 체크되지 않는 한 그 자체 및/또는 포핏 조립체에 손상을 초래할 수 있는 상당한 모멘텀을 달성한다. 환형 어댑터 플랜지(34)는 플로팅 피스톤 조립체(44)에 대한 전방 정지부로서의 역할을 하고, 손상 없이 충격을 소산시키기에 충분한 영역을 제공한다.

도 8에는 PLC 제어식 자동 발포체 생성 및 전달 시스템의 배관도가 도시되어 있다. 발포체 발생기(55)는 고압 가스 라인 및 관련 밸브(51 내지 58)를 통해 파쇄기(59)에 부착된다. 발포체 발생기는 2가지 기본 구성 요소를 혼합시키며, 즉 95% 이상의 물인 액상과, 원하는 발포체 압력으로 압축된 일반 대기 공기인 기상을 혼합시킨다. 상기 액상은 점도를 증가시키기 위한 겔 및 증점제뿐만 아니라 상기 액상의 2% 미만으로 포함되는 계면활성제를 함유할 수도 있다. 피스톤 코어를 유압식으로 변위시킴으로써, 발포체 발생기는 정적인 인라인 혼합기(61)를 통해 2가지 구성요소를 혼합시킨다. 표준 체크 밸브(56)는 흐름의 방향을 제어한다. 포트(46 및 49)에 들어가는 고압 가스는 임의의 종래의 압축기 또는 증압기 시스템에 의해 제공될 수도 있다. 포트(48)를 통과하는 겔 액체는 종래의 고압 액체 펌프에 의해 밸브(52)를 통해 공급된다. 조작자의 선택에 따라, 상기 시스템은 파쇄기(59)에 대한 3가지 상이한 유형의 부하, 즉 발포체; 고점도 발포체; 또는 물의 전달을 자동으로 시퀀싱할 수 있다. PLC는 공급 밸브(51 내지 54 및 58)의 상태뿐만 아니라 발포체 생성기(55)의 내부 유압 피스톤 변위를 제어한다. 상기 시스템은 또한, 조작자가 파쇄기의 배럴에 물을 선택적으로 미리 로딩시킬 수 있도록 형성된다. 저점도의 물은 포트(50)를 거쳐 밸브(54 및 58)를 통해 파쇄기의 배럴로 공급될 수 있으며, 이는 상대적으로 더 낮은 발포체 압력으로 구멍의 바닥에서 균열을 개시시키려는 의도이다.

PLC는, 작업자가 파쇄될 재료의 파쇄 특성에 따라 원하는 발포체 점도, 주입 압력뿐만 아니라 발포체 부하의 양과 유형을 조정할 수 있도록 해준다. 예를 들면, 조작자는 구멍의 바닥에서의 주입 압력을 증가시키는 효과와 함께 파쇄기에 추가 발포체 부하를 전달할 수 있다. 조작자는 단지 저점도의 물 장전물만을 파쇄기 내에 로딩하도록 선택할 수도 있는데, 이는 만족할 만큼 균일하고 미세한 알갱이로 이루어지고 공극도가 낮은 암석을 파쇄하는 데 도움이 된다.

2개의 전자 센서(도 10에서의 112 및 110)는 공기 패드 압력 및 발포체 패드 압력을 모니터링한다. 안전상의 이유로, PLC는, 과압 또는 기타 고장 상황이 PLC 및/또는 조작자에 의해 감지되는 경우, 발포체 방출 밸브(62)를 자동으로 개방하도록 프로그램되어 있다.

이러한 전달 시스템의 일 실시예는 또한 고압 가스 라인(49)과 발포체 발생기의 공기 실린더(48)로의 입력부 사이에 고압 조절기(60)를 포함한다. CFI식 파쇄기에서의 발포체의 품질은, 압력 조절기(60)를 통해 가스 실린더(48) 내의 압력을 변경함으로써, 50% 내지 0%의 품질(가스의 백분율)로 제어될 수 있다. 이러한 압력 조절기는, 파쇄기(59)의 공기 패드 섹션(78)의 압력에 비하여, 가스 실린더 내의 유효 압력을 낮출 수 있으며, 이에 따라 결과적으로 낮은 압력의 발포체가 발포체 생성기(55)의 물/발포체 실린더로 전달될 수 있도록 한다. 이러한 발포체가 파쇄기로 전달될 때, 발포체는 최대로는 챔버(78)에서의 공기 패드 압력으로 압축된다. 결과적으로, 이러한 압축은 파쇄기로 전달되는 발포체의 가스 품질을 저하시킬 것이다. 암석 파쇄를 위해 미리 결정된 압력에서 더 낮은 품질의 발포체를 사용하면, 결과적으로 공기 분사(air blast) 및 비석이 감소한다.

도 8의 자동화된 발포체 생성 및 전달 시스템은, 내장된 디젤/유압 또는 전기/유압 전원을 사용하여 암석 또는 콘크리트 파쇄용 기계에 직접 장착될 수 있다. 대안으로, 자동화된 발포체 생성 및 전달 시스템은 별도의 "파워 팩" 장치에 장착할 수 있는데, 이러한 별도의 장치는 필요한 전원을 통합시키고, 암석 또는 콘크리트 파쇄 유닛 뒤에 부착 또는 수반되며, 고압의 가요성 튜브 및 호스를 이용하여 연결된다.

도 9는 컴팩트한 고압 발포체 발생기의 상세한 측단면도를 도시하고 있다. 특허 제6,375,271호에 자세히 설명된 바와 같이, 상기 발포체 발생기는 내부 피스톤 코어를 수용하는 동심의 외부 실린더 조립체로 구성된다. 교차 링크 피스톤(63) 및 실린더 조립체(67)가 내부에 수용되며, 이에 따라 발포체 발생기의 풋프린트를 줄이고 기계적 고장의 경우에 추가적인 안전 여유를 제공한다. 추가적으로, 발포체 발생기의 양단에서의 내장형 전자 위치 센서(74)는, PLC에 피스톤 코어 위치에 관한 피드백 정보를 제공한다. PLC는 피스톤 코어의 이동 방향과 시작 타이밍 및 정지 타이밍을 양자 모두를 제어한다.

고정 직경이 작은 관형 로드(63)는 원통형 공동(67) 내에서 피스톤으로서 작용하고, 가교 액체(47)를 주입하는 데 사용된다. 마이크로 계량 실린더(67)는 겔 피스톤(64) 내에 통합되며, 주사기와 같이 작용하고, 이에 따라 피스톤 코어의 왼쪽으로의 변위에 비례하게 화학 용액을 이송한다.

유기 폴리머의 사용은 높은 전단 속도에서 상당한 점도 손실을 겪는 것으로 밝혀졌기 때문에, 발포체 점도를 증가시키기 위한 목적으로 다른 첨가제를 조사하였다. 작은 입자 크기 및 독특한 형상의 몇 가지 불용성 재료가 연구되었다. 이러한 입자의 효과는, 좁은 균열을 통해 압축된 발포체가 빠져나가는 것을 방지하는 것이다. 제조된 재료와 자연 발생 재료 양자 모두는 원하는 효과를 나타내는 것으로 확인되었다. 균열의 부분적인 차단은 발포체 압력 소산을 늦추어, 결과적으로 보다 균일하고 완전한 파쇄를 유발한다. 몬모릴로나이트와 같은 점토 첨가제를 사용하면 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다. 판 모양의 얇은 시트 형상은 입자간 맞물림(grain interlocking)과 관련하여 입자를 개선하는 역할을 하며, 이에 따라 진행하는 균열의 제동이 보다 용이하게 달성할 수 있도록 한다. 다른 유사한 점토 또는 불용성 광물이 사용될 수 있다.

도 10은 PLC(100) 및 그 메인 센서, 발포체 패드 압력 센서(110), 공기 패드 압력 센서(112) 및 유압 센서(114), 발포체 생성기 좌측 위치 센서(116) 및 발포체 생성기 우측 위치 센서(118)를 보여주는, 제어 시스템의 개략도이다.

조작자 제어 패널(120)은 모래 밀봉부(122), 정지부(124), 밀봉부 크러시(seal crush)(126), 압력 조정부(128), 물 부하(water load)(132), 크로스 링크 부하(cross link load)(134) 및 발포체 부하(foam load)(136)를 위한 버튼 스위치를 구비한다.

밀봉부 버튼(122)은 모래 밀봉부 전달 및 배치 주기를 개시한다. 발사 스위치(140)는 파쇄기의 갑작스런 배출을 시퀀싱(sequencing)하여 발포체 부하를 파쇄될 재료 내로 방출시킨다. 파쇄기 플러시 스위치(breaker flush switch)(142)는, 물과 압축 공기에 의해, 분쇄된 모래 밀봉부의 제거가 시작하도록 한다. 2개의 중요한 전자 유압 밸브는, 모래 밀봉부를 파쇄 및 팩킹(packing)하기 위한 크러시 튜브 연장 및 후퇴 밸브(150)와, 발포체 발생기 피스톤 코어를 어느 한쪽 단부로 변위시키기 위한 발포체 발생기 겔/물 스트로크 밸브(152)이다.

PLC 출력(160)은 모래 계량 롤러 모터(162)를 켜고, 스위치(164)는 조절기(168)에 의해 설정된 대로 모래 전달 시스템을 가압하는 공기 밸브(166)를 작동시킨다.

물-배럴 밸브(170)는 저점도 유체로 배럴을 미리 로딩하는 것을 제어한다. 밸브(172)는 발포체 발생기로의 발포체 개질용 물질의 공급을 개폐한다. 발포체 개질용 물질은 화학물질(들), 예를 들어 가교 화학물질, 또는 공급물 혹은 소량의 장약 추진제인 작은 입자일 수 있다.

겔 폐쇄 밸브(174)는 발포체 발생기로의 겔의 흐름을 제어한다. 공기 개방 밸브(176) 및 물 개방 밸브(178)는 발포체 발생기로의 고압 공기 및 물을 제어한다.

발사 밸브(180)는 파쇄기에서 발포체 부하를 방출하기 위해 포핏 배압의 급격한 배출을 허용한다.

특정 실시예를 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 이하의 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 수정 및 변형이 구성될 수도 있다.

Claims (20)

1. 암석 또는 콘크리트 파쇄기를 포함하는 장치로서,
   상기 암석 또는 콘크리트 파쇄기는,
   근위 단부 및 원위 단부를 갖는 배럴,
   상기 배럴의 원위 단부로부터 반경방향으로 연장되고, 천공부(borehole) 내에 끼워져 천공부의 내벽을 압박하도록 구성된 원추형 팁 벌브(tip bulb),
   천공부의 내벽에 대해 입자상 밀봉 재료(particulate sealing material)를 포획하고 압박하기 위한 원추부로서 구성되는, 원추형 팁 벌브의 근위 단부,
   근위 단부와 원위 단부를 가지며, 배럴 상에 외부에서 동심으로 장착되는 크러시 튜브(crush tube)로서, 배럴과 천공부의 내벽, 크러시 튜브의 원위 단부 및 팁 벌브 사이에 형성된 환형의 밀봉부 공동 내에 입자상 밀봉 재료를 팩킹(packing)하기 위해, 크러시 튜브의 원위 단부가 배럴의 원위 단부 상의 팁 벌브로부터 가변적으로 이격되는 상태로 배럴 상에서 전후로 활주하도록 구성되는 크러시 튜브,
   배럴의 외부 표면을 따라 길이 방향으로 연장되는 홈으로서, 원위 단부 및 근위 단부를 갖는 홈,
   근위 단부 및 원위 단부를 갖는 노즈 콘(nose cone)으로서, 배럴의 근위 단부를 유지하도록 구성되는 노즈 콘,
   내부 피스톤을 구비하여 노즈 콘 내에 장착되는 실린더로서, 상기 내부 피스톤은, 크러시 튜브의 근위 단부를 수용하고 고정시키며, 연장된 위치와 후퇴된 위치 사이에서 배럴의 외부 표면 상에서 크러시 튜브를 전후로 구동하도록 구성되는 것인 실린더,
   노즈 콘 내의 제1 유입구 및 제2 유입구로서, 제1 유입구는 크러시 튜브가 상기 후퇴된 위치에 있을 때 상기 홈의 근위 단부와 연결되도록 구성되고, 제2 유입구는 노즈 콘 내에 위치하며, 크러시 튜브가 적어도 부분적으로 연장된 위치에 있을 때 상기 홈과 연결되도록 구성되는 것인 제1 유입구 및 제2 유입구,
   상기 제1 유입구에 대해 선택적으로 접속 및 차단되는 입자상 밀봉 재료 및 이송 유체로서, 입자상 밀봉 재료 및 이송 유체는, 이송 유체에 의해 제1 유입구에 입자상 밀봉 재료를 제공하도록, 그리고 상기 제1 유입구를 통해, 상기 홈을 거쳐, 상기 홈 밖으로, 환형 밀봉부 공동으로 입자상 밀봉 재료를 제공하도록 구성되며, 상기 환형 밀봉부 공동은, 배럴과 천공부의 내벽 사이에 형성되고 크러시 튜브의 원위 단부 및 원추형 팁 벌브에 의해 길이방향으로 한정되는 것인 입자상 밀봉 재료 및 이송 유체,
   상기 제2 유입구에 대해 선택적으로 접속 및 차단되는 세척 유체로서, 상기 세척 유체는 상기 제2 유입구 및 상기 홈을 통해 세척 유체가 전달되도록 구성되어, 배럴에 대한 크러시 튜브의 적어도 일부의 이동 중에 천공부의 내벽, 배럴, 크러시 튜브의 원위 단부 및 원추형 팁 벌브 사이의 환형 밀봉부 공동을 세척하는 것인 세척 유체
   를 포함하며,
   상기 입자상 밀봉 재료는 크러시 튜브의 원위 단부 및 원추형 팁 벌브에 의해 환형 밀봉부 공동 내에 포획되며, 크러시 튜브의 근위 단부에 연결된 상기 피스톤은, 크러시 튜브를 원추형 팁 벌브를 향해 그리고 원추형 팁 벌브로부터 멀리로 왕복운동시키고 상기 환형 밀봉부 공동 내에 고도로 분쇄되고 컴팩트(compact)화된 입자상 밀봉 재료로 된 타이트(tight)한 환형 밀봉부를 형성하기 위해 반경방향 외측으로 입자상 밀봉 재료를 팩킹하도록 되어 있는 것인 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 입자상 밀봉 재료는 입자상 밀봉 재료를 보유하는 호퍼 내에 있고, 상기 이송 유체는 호퍼에 접속되고, 계량 챔버가 상기 호퍼에 연결되고, 제1 도관이 계량 챔버의 출구를 노즈 콘의 제1 유입구에 연결하는 것인 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 계량 챔버 내의 계량 롤러, 및
   상기 이송 유체 및 상기 계량 챔버에 연결되어, 입자상 밀봉 재료와 함께 또는 입자상 밀봉 재료 없이, 도관, 제1 유입구 및 홈을 통해 이송 유체를 전달하기 위한 이송 유체 유입구
   를 더 포함하는 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 이송 유체는 압축 공기인 것인 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 세척 유체는 압축 공기 및 물을 더 포함하며,
   상기 압축 공기 및 물과 노즈 콘 내의 제2 유입구에 제2 도관이 연결되어, 제2 도관, 제2 유입구, 및 배럴 내의 홈을 통해 환형 밀봉부 공동까지 세척 유체로서 상기 압축 공기 및 물을 이송하는 것인 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 입자상 밀봉 재료는 모래이고 상기 이송 유체는 압축 공기인 것인 장치.
7. 제1항에 있어서,
   제1 발포체 챔버(foam chamber) 및 제2 구동 챔버를 구비한 발포체 실린더,
   제1 발포체 챔버와 제2 구동 챔버를 분리시키는 피스톤으로서, 상기 제1 발포체 챔버는 상기 배럴과 연결되는 것인 피스톤,
   제1 발포체 챔버에 연결되어, 발포체로 제1 발포체 챔버를 채우도록 되어 있는 발포체 생성기,
   제2 구동 챔버에 연결되며, 배럴 쪽으로 피스톤을 구동하고 제1 발포체 챔버를 압축하도록 되어 있는 압력 도관,
   상기 피스톤에 연결되며 제2 구동 챔버 내로 연장되는, 소형의 발포체 특성 개질용 물질 주입 실린더
   제1 단부 및 제2 단부를 가지며, 상기 주입 실린더 내에 장착된 주입 피스톤으로서 역할을 하는 소형 주입 튜브
   를 더 포함하며,
   상기 주입 튜브의 제1 단부는, 배럴에 연결된 포핏 밸브에 연결되고,
   상기 주입 튜브의 제2 단부는 주입 실린더 내에 장착되며, 피스톤으로서 주입 실린더로부터 포핏 밸브를 통해 가압된 발포체 특성 개질용 물질을 제공하도록 되어 있고, 상기 주입 실린더는 상기 발포체 실린더의 제1 단부 쪽으로 이동되는 것인 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 포핏 밸브는 환형 포핏 실린더, 환형 포핏 실린더 내의 환형 포핏 피스톤, 및 배럴에 연결된 관통 구멍을 갖는 포핏 코어를 구비하고, 상기 포핏 피스톤은, 가압 공기에 의해 폐쇄된 상태로 유지되며, 포핏 밸브는, 포핏 피스톤을 폐쇄된 상태로 유지하는 공기 압력이 외부 밸브에 의해 감소될 때 환형 포핏 실린더가 개방되어 발포체 실린더의 제1 단부로부터 포핏 밸브 및 포핏 코어를 통해 배럴로 발포체를 이송하도록 되어 있는 반면, 동시에 제2 구동 챔버 내에서의 발포체 특성 개질용 물질 주입 실린더의 이동이 소형 주입 튜브에서의 압력을 증가시켜, 체크 밸브를 개방시키고 압력 하에서 발포체 특성 개질용 물질을 포핏 코어 내의 관통 구멍으로 이송시키는 것인 장치.
9. 제7항에 있어서,
   포핏 밸브가 주입 실린더로부터 천공부에서의 배럴을 통해 압력 하에 발포체를 이송하도록 구성되는 것을 더 포함하고,
   상기 포핏 밸브는,
   환형 포핏 실린더,
   포핏 실린더 내의 환형 포핏 피스톤,
   환형 포핏 피스톤 내부의 포핏 코어,
   포핏 코어 내의 개방 스로트(open throat), 및
   환형 포핏 피스톤에 의해 폐쇄되고 발포체 실린더와 포핏 코어에서의 개방 스로트 사이의 연통을 방지하도록 구성된 액세스 포트(access port)
   를 더 포함하는 것인 장치.
10. 제9항에 있어서,
    환형 유체 챔버
    를 더 포함하고, 환형 포핏 피스톤은, 외부 밸브에 의해 압력이 감소될 때까지 폐쇄된 상태로 유지되게 구성되는 것인 장치.
11. 방법으로서,
    암석 또는 콘크리트를 파쇄하기 위해 암석 또는 콘크리트에서의 천공된 천공부에 삽입하도록 구성된, 원추형 팁 벌브를 갖는 배럴을 제공하는 단계,
    배럴 상에서 활주할 수 있는 크러시 튜브를 제공하는 단계로서, 상기 크러시 튜브는 원추형 팁 벌브로부터 이격되는 원위 단부를 갖는 것인 단계,
    배럴의 외부 표면을 따라 길이 방향 홈을 제공하는 단계,
    중앙 플레이트에 대해 실린더를 유지하도록 되어 있는 노즈 콘을 제공하는 단계로서, 상기 노즈 콘은, 배럴을 유지하고 배럴 상의 크러시 튜브의 근위 단부의 노즈 콘을 통한 활주를 허용하도록 되어 있는 것인 단계,
    노즈 콘에 제1 통로 및 제2 통로를 제공하는 단계,
    압력 하에서 노즈 콘 내의 제1 통로 및 상기 홈을 통해 배럴의 외부 표면을 따라, 상기 팁 벌브와 상기 크러시 튜브의 원위 단부 사이의 간격까지 모래 및 공기를 제공하는 단계,
    제1 통로를 폐쇄하고, 배럴 상에서 크러시 튜브를 전진시키며, 크러시 튜브의 원위 단부를 팁 벌브 쪽으로 이동시키는 단계,
    팁 벌브와 크러시 튜브의 원위 단부 사이의 모래를 분쇄하는 단계로서, 이 단계에 따라 배럴과 천공부의 내벽 사이에 분쇄된 모래로 된 밀봉부가 형성되며, 상기 모래는 크러시 튜브의 원위 단부 및 원추형 팁 벌브에 의해 밀봉부 공동 내에 갇히게 되는 것인 단계, 및
    배럴의 보어를 통해 밀봉된 천공부의 바닥으로 발포체 및 가교제(cross linker)를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
12. 제11항에 있어서,
    제2 통로 및 상기 홈을 통해, 분쇄된 모래로 된 밀봉부에, 물과 압축 공기를 도입하고, 천공부로부터의 배럴의 제거를 용이하게 하기 위해 모래 밀봉부를 침식시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서,
    크러시 튜브를 왕복 운동시키는 단계, 및
    모래 밀봉부의 침식 및 제거를 추가로 촉진하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
14. 제11항에 있어서,
    압력 하에서 모래 및 공기를 제공하는 단계는,
    모래 호퍼를 제공하는 단계,
    모래 호퍼 내에 모래를 제공하는 단계,
    모래 호퍼 아래에 계량 롤러를 제공하는 단계, 및
    계량 롤러 아래로 제1 통로 및 홈을 통해 배럴을 따라 가압 공기의 흐름을 제공하는 단계로서, 이 단계에 따라 제1 통로 및 홈을 파편, 습기 및 모래가 없는 상태로 유지하는 단계
    를 더 포함하는 것인 방법.
15. 제14항에 있어서,
    가압 공기가 모래 호퍼 내로 흐르게 하는 단계,
    계량 롤러를 회전시키는 단계, 및
    모래 호퍼로부터 제1 통로 및 홈을 통해, 팁 벌브와 크러시 튜브의 원위 단부 사이의 환형 공동으로 모래 및 가압 공기가 흐르게 하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
16. 제11항에 있어서,
    발포체 실린더를 제공하는 단계,
    발포체 실린더로부터 배럴로 포핏 밸브를 통해 발포체를 제공하는 단계,
    환형 포핏 챔버, 환형 포핏 챔버 내의 환형 포핏 피스톤, 및 배럴의 보어에 대해 연결되도록 되어 있는 스로트를 갖는 포핏 코어를 갖춘 포핏 밸브를 제공하는 단계,
    발포체 실린더로부터 스로트까지의 통로를 포핏 밸브에 제공하는 단계,
    환형 포핏 피스톤 뒤에 환형 공기 챔버를 제공하며, 환형 포핏 피스톤을 이용하여 환형 공기 챔버 내의 공기 압력으로 상기 통로를 폐쇄하는 단계, 및
    포핏 밸브를 폐쇄 상태로 유지하고 있는 공기 압력을 낮추기 위해 외부 밸브를 사용하는 단계로서, 이 단계에 따라 배럴의 보어 내로 고압 발포체의 주입을 허용하고 배럴의 원위 단부를 통한 고압 발포체의 배출을 허용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
17. 제16항에 있어서,
    발포체 피스톤으로부터 발포체 피스톤의, 발포체 챔버와는 반대측 상의 공기 구동 챔버로, 발포체 특성 개질용 물질 실린더가 연장되게 함으로써, 스로트 및 배럴 내의 발포체에 발포체 특성 개질용 물질을 제공하는 단계,
    포핏 밸브로부터 발포체 챔버를 통해 그리고 발포체 피스톤을 통해 가교제 실린더로, 중공형 발포체 특성 개질용 물질 튜브 피스톤을 연장하는 단계,
    발포체 피스톤과 함께 발포체 특성 개질용 물질 실린더를 중공형 가교제 피스톤 상으로 이동시키고, 상기 중공형 가교제 피스톤에서의 가교제에 대한 압력을 증가시키는 단계,
    증가된 가교제 압력으로 포핏 밸브 내의 일방향 밸브를 개방시키는 단계, 및
    중공형 발포체 특성 개질용 물질 피스톤으로부터 포핏 밸브의 스로트 내로 발포체 특성 개질용 물질을 방출하는 단계
    를 더 포함하는. 방법.
18. 제17항에 있어서, 발포체 특성 개질용 물질을 방출하는 단계는 하나 이상의 발포체 가교용 화학물질을 방출하는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
19. 제17항에 있어서, 발포체 특성 개질용 물질을 방출하는 단계는 입자, 마이크로 입자 또는 나노 입자를 방출하는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
20. 제17항에 있어서, 발포체 특성 개질용 물질을 방출하는 단계는 발포체 가교 결합용 화학물질과 마이크로 입자의 조합을 포핏 밸브의 스로트 내로 방출하는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
    

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