RU2105153C1

RU2105153C1 - Device for sealing of bore-hole

Info

Publication number: RU2105153C1
Application number: RU96109229A
Authority: RU
Inventors: Б.Н. Попов-Толмачев; Н.Н. Томашев; В.В. Васильев; И.С. Шакин
Original assignee: Научно-техническая горная ассоциация
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: this is intended for sealing clearance between bore-hole wall and pipe at injecting liquid into fissured mass of rock matter. Device has pipe with non-return valves. Fitted over pipe is elastic hose-like sealing member. This member at both ends is gripped by clamping components provided with protruding lips located along sealing member and directed towards each other over its perimeter. Protruding ends of lips are of preset length and widening at their ends, and overlapping each other in cross-section. Provision of lips with protruding and widening ends makes device usable for wide range of injection pressure. EFFECT: higher efficiency. 7 dwg

Description

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, а именно к устройствам для подачи скрепляющего состава в шпур при упрочнении трещиноватых массивов горных пород. The invention relates to the mining industry, and in particular to devices for supplying a bonding composition to the hole during hardening of fractured rock masses.

Известен герметизатор шпуров (пакер), содержащий трубу с клапаном, герметизирующий элемент и защитную оболочку, выполненную из растягиваемой мелкоячеистой проволочной сетки [1]. Known sealant holes (packer), containing a pipe with a valve, a sealing element and a protective sheath made of stretchable fine mesh wire mesh [1].

Недостатком известного герметизатора является его ограниченная область применения по давлению нагнетания, так как для предотвращения выдавливания материала герметизирующего элемента в радиальный зазор между герметизатором и стенкой шпура использована мелкоячеистая проволочная сетка, изготовление которой возможно только из тонкой проволоки. Упрочнение массивов горных пород производится нагнетанием скрепляющего состава давлением до 20 МПа, при котором мелкоячеистая сетка из тонкой проволоки не может быть использована из-за низкой ее прочности. Применение проволоки большего диаметра, обеспечивающей необходимую прочность сетки, влечет за собой увеличение ячеек сетки, что не обеспечивает предотвращения выдавливания материала герметизирующего элемента в радиальный зазор между герметизатором и стенкой шпура, так как давление нагнетания скрепляющего состава выше предела прочности материала герметизирующего элемента (Gb эластичной резины 8-10 МПа). A disadvantage of the known sealant is its limited application in terms of discharge pressure, since in order to prevent extrusion of the material of the sealing element into the radial clearance between the sealant and the borehole wall, a fine-mesh wire mesh is used, the manufacture of which is possible only from thin wire. Hardening of rock massifs is carried out by injection of a bonding composition with a pressure of up to 20 MPa, at which a fine-mesh mesh of thin wire cannot be used due to its low strength. The use of a larger wire diameter, providing the necessary mesh strength, entails an increase in mesh cells, which does not prevent the extrusion of the material of the sealing element into the radial clearance between the sealant and the borehole wall, since the injection pressure of the bonding composition is higher than the tensile strength of the material of the sealing element (Gb elastic rubber 8-10 MPa).

Известен герметизатор шпуров для низкого давления нагнетания [2], содержащий трубу с обратными клапанами, насаженный на нее эластичный шланговидный герметизирующий элемент, охваченный снаружи на обоих концах обжимными элементами (обоймами) с выступающими язычками, расположенными вдоль герметизирующего элемента с двух сторон навстречу друг другу равномерно по периметру, причем выступающие концы язычков выполнены с образованием между ними щелей. A well-known borehole sealant for low discharge pressure [2], comprising a pipe with check valves, an elastic hose-shaped sealing element mounted on it, enveloped externally at both ends by crimping elements (clips) with protruding tongues located along the sealing element from both sides towards each other evenly along the perimeter, with the protruding ends of the reeds made with the formation of gaps between them.

Недостатком этого герметизатора шпура для низкого давления нагнетания является ограниченная область применения, так как он предназначен для нагнетания при низких давлениях, о чем говорит наличие щелей между язычками, через которые при давлениях нагнетания в процессе упрочнения массива горных пород до 20 МПа материал герметизирующего элемента может выдавливаться в радиальный зазор между герметизатором и стенкой шпура, как следствие, разрушаться и не обеспечивать герметизации шпура. The disadvantage of this borehole sealant for low discharge pressure is its limited scope, since it is designed for injection at low pressures, as evidenced by the presence of gaps between the tongues, through which, at injection pressures, the material of the sealing element can be extruded during hardening of the rock mass to 20 MPa in the radial clearance between the sealant and the borehole wall, as a result, collapse and do not provide for sealing the borehole.

Недостатком известного герметизатора также является отсутствие заданной длины выступающих концов язычков, обеспечивающей его работоспособность, так как при длине выступающих концов язычков, равной или меньшей величины максимально возможного зазора между обжимными элементами и стенкой шпура, выступающие концы язычков могут быть продавлены вместе с материалом герметизирующего элемента в этот зазор, что приведет к прорыву стенки герметизирующего элемента, сбросу давления внутри него и разгерметизации шпура. A disadvantage of the known sealant is the lack of a given length of the protruding ends of the tongues, which ensures its operability, since when the length of the protruding ends of the tongues is equal to or less than the maximum possible gap between the crimping elements and the wall of the hole, the protruding ends of the tongues can be pressed together with the material of the sealing element in this gap, which will lead to a breakthrough of the wall of the sealing element, the release of pressure inside it and depressurization of the hole.

В основу изобретения поставлена задача создать герметизатор шпура с такими элементами конструкции и их связями, которые позволили бы расширить область применения герметизатора шпура по давлению нагнетания. The basis of the invention is the task of creating a borehole sealant with such structural elements and their connections that would expand the scope of the borehole sealant in terms of discharge pressure.

Поставленная задача решена созданием герметизатора шпура, включающего трубу с обратными клапанами, насаженный на нее эластичный шланговидный герметизирующий элемент, охваченный снаружи на обоих концах обжимными элементами, снабженными выступающими язычками, расположенными вдоль герметизирующего элемента навстречу друг другу, по его периметру, в котором выступающие концы язычков выполнены заданной длины, расширяющимися на концах, с перекрытием друг друга в поперечном сечении. The problem is solved by creating a borehole sealant including a pipe with non-return valves, an elastic hose-shaped sealing element mounted on it, enveloped externally at both ends by crimping elements provided with protruding tongues located along the sealing element towards each other, along its perimeter, in which the protruding ends of the tongues made of a given length, expanding at the ends, with overlapping each other in cross section.

На фиг. 1 изображен герметизатор шпура, вид сбоку; на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - продольный разрез герметизатора в процессе распора герметизирующего элемента; на фиг. 4 - то же в процессе нагнетания скрепляющего состава в массив горных пород; на фиг. 5 - изображены язычки на жестком основании в виде диска, выполненные как неразъемная деталь; на фиг. 6 - то же разрез Б-Б фиг.5; на фиг. 7 - то же сечение В-В фиг.5. In FIG. 1 shows a hole sealant, side view; in FIG. 2 is a section AA of FIG. one; in FIG. 3 is a longitudinal section of the sealant during the expansion of the sealing element; in FIG. 4 - the same in the process of injection of the bonding composition into the rock mass; in FIG. 5 - shows the tabs on a hard base in the form of a disk, made as an integral part; in FIG. 6 is the same section BB of FIG. 5; in FIG. 7 is the same section BB of FIG. 5.

Герметизатор шпура состоит из трубы 1 с обратными клапанами 2, 3 и насаженного на нее эластичного шланговидного герметизирующего элемента 4, охваченного снаружи на обоих концах обжимными элементами 5. Обжимные элементы 5 для предотвращения выдавливания материала герметизирующего элемента 4 в радиальный зазор "а" между стенкой 6 шпура 7 и обжимными элементами 5 снабжены язычками с выступающими концами 8, расположенными вдоль герметизирующего элемента 4 навстречу друг другу, имеющими заданную длину и расширяющимися на концах, например, в виде ласточкина хвоста, и перекрывающими друг друга в поперечном сечении. Язычки с выступающими концами 8 каждого обжимного элемента 5 могут быть выполнены на жестких основаниях, например, в виде дисков 9 с центральными отверстиями для трубы 1, как неразъемная деталь. Длина выступающих концов 8 язычков больше высоты обжимных элементов 5 и язычки устанавливают таким образом, чтобы их расширяющиеся концы 8 выступали из-под обжимных элементов 5 навстречу друг другу на длину "L", превышающую величину "h" максимально возможного радиального зазора "а" между стенкой 6 шпура 7 и обжимным элементом 5. Заданная таким образом длина выступающих концов 8 язычков гарантирует их постоянный контакт со стенкой 6 шпура 7 без возможности продавливания в радиальный зазор "а". Язычки с выступающими концами 8 распределены по периметру герметизирующего элемента, как правило, равномерно. The borehole sealant consists of a pipe 1 with check valves 2, 3 and an elastic hose-shaped sealing element 4 mounted on it, which are enveloped externally at both ends by crimping elements 5. Crimping elements 5 to prevent the material of the sealing element 4 from being squeezed out into the radial clearance “a” between the wall 6 the hole 7 and the crimping elements 5 are provided with tongues with protruding ends 8 located along the sealing element 4 towards each other, having a given length and expanding at the ends, for example, in the form of astochkin tail, and overlapping each other in cross section. The tongues with the protruding ends 8 of each crimping element 5 can be made on rigid bases, for example, in the form of disks 9 with central holes for the pipe 1, as an integral part. The length of the protruding ends 8 of the tongues is greater than the height of the crimping elements 5 and the tongues are set so that their expanding ends 8 protrude from the crimping elements 5 towards each other by a length "L" exceeding the value "h" of the maximum possible radial clearance "a" between the wall 6 of the hole 7 and the crimping element 5. The length of the protruding ends of the 8 reeds set in this way guarantees their constant contact with the wall 6 of the hole 7 without the possibility of forcing into the radial clearance "a". The tongues with protruding ends 8 are distributed around the perimeter of the sealing element, as a rule, evenly.

Обратный клапан 2 на трубе 1 под герметизирующим элементом 4 выполнен в виде трубки 10 из упругого материала, перекрывающей отверстия "б". Обратный клапан 3 выполнен в виде колпачка из упругого материала со сквозной беззазорной щелью "в" и фиксируется на трубе 1 с помощью обжимного кольца 11. Входной конец трубы 1 снабжен резьбой 12 для соединения с загрузочной трубой 13. Выходной конец трубы 1 герметично перекрыт мембраной 14 прорыва, которая защемлена по краям с помощью накидной гайки 15. На трубе 1 со стороны каждого торца герметизирующего элемента 4 установлены шайба 16 с осевым стопорным устройством 17, которое может быть выполнено в виде упругого разрезного кольца, установленного в поперечной канавке "г" на трубе 1. The check valve 2 on the pipe 1 under the sealing element 4 is made in the form of a tube 10 of elastic material that overlaps the hole "b". The non-return valve 3 is made in the form of a cap of elastic material with a through gap “b” and is fixed on the pipe 1 by means of a compression ring 11. The inlet end of the pipe 1 is threaded 12 for connection with the feed pipe 13. The output end of the pipe 1 is hermetically closed by a membrane 14 breakthrough, which is clamped around the edges with a union nut 15. On the pipe 1 from the side of each end of the sealing element 4 there is a washer 16 with an axial locking device 17, which can be made in the form of an elastic split ring installed in the transverse groove "g" on the pipe 1.

Герметизирующий элемент 4 вокруг трубы 1 образует кольцевидную изолированную полость "д", соединенную с полостью "е" трубы 1 посредством обратного клапана 2. Для герметизации изолированной полости "д" концы герметизирующего элемента 4 между обжимными элементами 5 и трубой 1 находятся в упруго сжатом состоянии, которое обеспечено наличием шайб 16 и осевых стопорных устройств 17, так как в процессе обжатия элементов 5 они препятствуют выдавливанию материала герметизирующего элемента 4 из-под обжимных элементов 5 наружу. The sealing element 4 around the pipe 1 forms an annular insulated cavity "d" connected to the cavity "e" of the pipe 1 by means of a check valve 2. To seal the isolated cavity "d", the ends of the sealing element 4 between the crimping elements 5 and the pipe 1 are in an elastically compressed state , which is provided by the presence of washers 16 and axial locking devices 17, since during the compression of the elements 5 they prevent the extrusion of the material of the sealing element 4 from under the crimping elements 5 to the outside.

Герметизатор шпура работает следующим образом. Посредством резьбы 12 герметизатор соединяют с загрузочной трубой 13 и с ее помощью вводят в шпур 7 на необходимую глубину, а затем через загрузочную трубу 13 в герметизатор нагнетают скрепляющий состав. Выход скрепляющего состава в шпур 7 из полости "е" трубы 1 герметично перекрыт мембраной 14 прорыва, защемленной по краям накидной гайкой 15, что вызывает повышение давления скрепляющего состава в полости "е" трубы 1, при этом скрепляющий состав через отверстия "б" давит изнутри на трубку 10 и отжимает ее от трубы 1. Через открывшиеся отверстия "б" скрепляющий состав поступает в полость "д" и давлением нагнетания распирает герметизирующий элемент 4. The seal hole works as follows. Using thread 12, the sealant is connected to the loading pipe 13 and is introduced into the hole 7 to the required depth with the help of it, and then a fastening composition is pumped through the loading pipe 13 into the sealant. The exit of the fastening composition into the hole 7 from the cavity “e” of the pipe 1 is hermetically sealed by the breakthrough membrane 14, which is clamped along the edges with the union nut 15, which causes an increase in the pressure of the fastening composition in the cavity “e” of the pipe 1, while the fastening composition presses through the holes “b” from the inside to the tube 10 and squeezes it from the pipe 1. Through the openings "b", the fastening composition enters the cavity "e" and the sealing element 4 bursts with the discharge pressure.

При распоре герметизирующего элемента 4 язычки испытывают внутреннее радиальное давление, под действием которого их выступающие концы 8 из-под обжимных элементов 5 отгибаются в сторону стенки 6 шпура 7 до соприкосновения с ней. После контакта концов 8 язычков со стенкой 6 шпура 7, они полностью перекрывают зазор "а", что обеспечивается заданной длиной концов 8 язычков и их расширяющимися концами, в исходном положении в поперечном сечении перекрывающими друг друга с запасом. With the expansion of the sealing element 4, the tongues experience internal radial pressure, under the action of which their protruding ends 8 from under the crimping elements 5 are bent towards the wall 6 of the borehole 7 until they come into contact with it. After the contact of the ends of the 8 reeds with the wall 6 of the hole 7, they completely overlap the gap "a", which is ensured by the specified length of the ends of the 8 reeds and their expanding ends, in the initial position in the cross section overlapping each other with a margin.

Нагнетаемый в герметизатор скрепляющий состав поступает в изолированную полость "д" до тех пор, пока он ее полностью не заполнит и его давление не достигнет той величины, при которой произойдет прорыв мембраны 14. Толщина мембраны 14 подбирается таким образом, чтобы ее прорыв произошел в момент, когда давление нагнетания скрепляющего состава достигнет такой величины, при которой будет обеспечена гарантированная герметизация шпура 7 герметизирующим элементом 4. Таким образом, после обеспечения герметизации шпура 7, происходит прорыв мембраны 14, при этом резко падает давление в полости "е", и обратный клапан 2 закрывается, сохраняя давление скрепляющего состава в полости "д" и степень распора герметизирующего элемента 4. The fastening composition injected into the sealant enters the insulated cavity “e” until it is completely filled and its pressure reaches the value at which the membrane breaks 14. The thickness of the membrane 14 is selected so that it breaks at the moment when the injection pressure of the bonding composition reaches such a value that ensures guaranteed sealing of the borehole 7 with the sealing element 4. Thus, after the borehole 7 is sealed, the membranes break through s 14, while the pressure in the cavity "e" drops sharply, and the check valve 2 closes, while maintaining the pressure of the bonding composition in the cavity "e" and the degree of expansion of the sealing element 4.

После прорыва мембраны 14 давлением скрепляющего состава, раздвигается щель "в" и открывается обратный клапан 3, через который скрепляющий состав проходит в шпур 7. При повышении давления нагнетаемого скрепляющего состава выше давления, при котором была прорвана мембрана 14, обратный клапан 2 повторно открывается, и скрепляющий состав дополнительно поступает в полость "д", при этом давление в полости "д" повышается. После выравнивания давления нагнетания скрепляющего состава в шпуре 7 и в полости "д", обратный клапан 2 закрывается, при этом скрепляющий состав в полости "д" остается при болев высоком давлении, чем в момент закрытия обратного клапана 2 после прорыва мембраны 14, что повышает прижатие герметизирующего элемента 4 к стенке 6 шпура 7. Таким образом, при увеличении давления нагнетания скрепляющего состава автоматически увеличивается прижатие герметизирующего элемента 4 к стенке 6 шпура 7, а следовательно, увеличивается и надежность герметизации шпура 7. After the membrane 14 is breached by the pressure of the fastener, the slit "B" opens and the check valve 3 opens, through which the fastener passes into the hole 7. When the pressure of the injected fastener increases above the pressure at which the membrane 14 was torn, the check valve 2 reopens, and the bonding composition additionally enters the cavity "d", while the pressure in the cavity "d" increases. After equalizing the injection pressure of the fastening composition in the hole 7 and in the cavity “d”, the check valve 2 closes, while the fastening composition in the cavity “d” remains at a higher pressure than at the moment of closing the check valve 2 after the membrane 14 is broken, which increases the pressing of the sealing element 4 to the wall 6 of the hole 7. Thus, with an increase in the discharge pressure of the bonding composition, the pressing of the sealing element 4 to the wall 6 of the hole 7 automatically increases, and therefore, the reliability of sealing pura 7.

После завершения процесса упрочнения массива горных пород через данный шпур 7, подача скрепляющего состава в герметизатор прекращается, при этом обратный клапан 3 за счет упругости материала закрывается. От герметизатора отсоединяют загрузочную трубу 13 и извлекают ее из шпура 7, а герметизатор остается в шпуре 7 в качестве заглушки, препятствующей вытекание из него скрепляющего состава. After completion of the hardening process of the rock mass through this hole 7, the supply of the fastening composition to the sealant is stopped, while the check valve 3 is closed due to the elasticity of the material. The loading pipe 13 is disconnected from the sealant and removed from the borehole 7, and the sealant remains in the borehole 7 as a plug preventing the fastening composition from flowing out of it.

Использование выступающих концов 8 язычков заданной длины и расширяющихся на концах в виде ласточкина хвоста, перекрывающих друг друга в поперечном сечении, расширяет область применения герметизатора по давлению нагнетания, так как в процессе распора герметизирующего элемента 4 выступающие концы 8 язычков перекрывают полностью зазор "а" между обжимным элементом 5 и стенкой шпура 7, предотвращая выдавливание материала герметизирующего элемента 4 в зазор "а", что позволяет в качестве герметизирующего элемента 4 применять дешевые безкордовые резиновые трубки вместо дорогостоящих упругорасширяющихся кордовых рукавов и, тем самым, повысить экономическую эффективность технологии упрочнения массива горных пород. The use of the protruding ends of 8 reeds of a given length and expanding at the ends in the form of a dovetail, overlapping each other in cross section, expands the scope of the sealant by the discharge pressure, since during the expansion of the sealing element 4, the protruding ends of the 8 reeds completely cover the gap “a” between the crimping element 5 and the borehole wall 7, preventing the extrusion of the material of the sealing element 4 into the gap "a", which allows the use of cheap cordless as the sealing element 4 e rubber tubes instead of expensive elastically expanding cord sleeves and, thereby, increase the cost-effectiveness of rock solidification technology.

Конструктивное исполнение язычков на дисках 9, выполненных в виде неразъемной детали, упрощает конструкцию узлов заделки концов герметизирующего элемента 4. The design of the reeds on the disks 9, made in the form of an integral part, simplifies the design of the nodes for sealing the ends of the sealing element 4.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Патент ФРГ N 4202926, кл. E 21 D 20/02, 1993 г.Sources of information taken into account during the examination:
1. The patent of Germany N 4202926, cl. E 21 D 20/02, 1993

2. Патент ФРГ N 3716784, кл. E 21 F 17/00, 1990 г. 2. The patent of Germany N 3716784, CL E 21 F 17/00, 1990

Claims

A borehole sealant including a pipe with non-return valves, an elastic hose-shaped sealing element mounted on it, enveloped externally at both ends by crimping elements provided with protruding tongues located along the sealing element towards each other along its perimeter, characterized in that the protruding ends of the tongues are made of a given length expanding at the ends, overlapping each other in cross section.