RU2209913C1

RU2209913C1 - Process crushing rocks by impact momenta and gear for its realization

Info

Publication number: RU2209913C1
Application number: RU2002102836/03A
Authority: RU
Inventors: Д.А. Юнгмейстер; М.М. Ветюков; В.А. Пивнев; К.А. Лукашов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (Технический университет)
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: mining and construction industries, breaking hard rocks while drilling shot holes and geologic exploratory holes with use of hole borers. SUBSTANCE: process consists in superimposition of additional momentum on impact momentum caused by action of striking mechanism. Additional momentum is formed by movement of heavy magnetoactive fluid of low viscosity. Formation of momentum is controlled by means of external magnetic field and change of volume of magnetoactive fluid. Gear for realization of process has rock-breaking tool, striking mechanism including piston with internal space filled with heavy magnetoactive fluid of low viscosity. Striking mechanism is fitted with electromagnetic windings housed in its body. Piston is hollow, can change volume of its internal space and is spring-loaded. EFFECT: increased wear resistance of bits, raised drilling speed. 3 cl, 5 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.

Известен способ бурения с использованием буровых станков, осуществляющих вращательно-ударное бурение, в котором применяются комбинированные долота, включающие шарошки и резцы (Катанов Б.А., Сафохин М.С. Инструмент для бурения взрывных скважин на карьерах. - М.: Недра, 1989. с. 27-29). Недостатком данного способа является ограничение области применения и использования по крепости породы, а также необходимость разработки и сложность изготовления долот нового типа. A known method of drilling using drilling rigs that perform rotary-shock drilling, which uses combined bits, including cutters and cutters (Katanov B.A., Safokhin M.S. Tool for drilling blast holes in quarries. - M .: Nedra, 1989.S. 27-29). The disadvantage of this method is the limitation of the scope and use of rock strength, as well as the need for development and the complexity of manufacturing a new type of bit.

Известен способ 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, устройство для бурения включает буровой снаряд, амортизаторы, блоки питания, переходные муфты, каналы для прохода сжатого воздуха, пружины, заключенные в корпусе. A known method of drilling with 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) working on the basis of the magnetostriction effect, the drilling device includes a drill, shock absorbers, power supplies, adapter couplings, channels for compressed air, springs enclosed in a housing.

Недостатками известного способа и устройства являются 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 disadvantages of this method and device are 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 a reflected pulse.

Известен также способ разрушения горных пород ударными импульсами (А/с 857415, МПК Е 21 В 4/06. Опубликован БИ 31, 1981 г.), при котором в промежуточном элементе ударной машины формируются последовательные во времени ударные импульсы, причем время начала каждого последующего удара смещено относительно удара предыдущего, а заканчивается воздействие ударников одновременно. There is also known a method of destruction of rocks by shock pulses (A / c 857415, IPC E 21 B 4/06. Published BI 31, 1981), in which successive shock pulses are formed in the intermediate element of the shock machine, and the start time of each subsequent the strike is offset from the strike of the previous one, and the impact of the strikers ends at the same time.

Недостатком известного способа является невысокий срок службы породоразрушающего инструмента и бурового става, вызванный сложностью конструкции ударного механизма, имеющего большое число дополнительных ударников и ступенчатую форму переднего фронта ударного импульса. The disadvantage of this method is the low service life of the rock cutting tool and drill stand, due to the complexity of the design of the percussion mechanism, having a large number of additional impactors and a stepped shape of the leading edge of the shock pulse.

Также известно устройство для бурения, осуществляющее ударно-вращательное бурение, в котором применяется комбинированный породоразрушающий инструмент, включающий шарошки и долота, а также ударный механизм (погружной пневмоударник), включающий поршень с каналами (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). Недостатком его является ограничение по долговечности (стойкости) узла крепления шарошки в лапе долота, а также сложность изготовления и необходимость разработки долот нового типа. Also known is a device for drilling, 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 (G. Filippov and others. Justification of parameters and research combined drilling tool. In Sat: "Development and improvement of equipment and technology for mining enterprises." Publishing House Gipronickel, L., 1991, S. 25-33). Its disadvantage is the limitation on the durability (resistance) of the cone attachment unit in the chisel paw, as well as the complexity of manufacturing and the need to develop new type of chisels.

Известен принятый за прототип способ разрушения горных пород, осуществляемый с помощью "Устройства ударного действия для разрушения горных пород" (А/с 1153052 М., кл. Е 21 С 3/00, публ. 1985 г.). Способ заключается в том, что при разрушении горных пород на ударный импульс, возникающий от действия на породоразрушающий инструмент корпуса поршня, накладывают дополнительный импульс, создаваемый перемещением в полости поршня тяжелой жидкости. Known adopted for the prototype method of destruction of rocks, carried out using the "Impact device for the destruction of rocks" (A / s 1153052 M., CL E 21 C 3/00, publ. 1985). The method consists in the fact that when the destruction of rocks on 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.

Устройство по а.с. 1153052 содержит машину ударного действия с коронкой и поршнем, внутри которого выполнена полость, частично заполненная тяжелой жидкостью (ртутью). Device by A.S. 1153052 contains a percussion machine with a crown and a piston, inside which a cavity is made, partially filled with a heavy liquid (mercury).

Но этот способ и устройство имеют недостаток, заключающийся в неуправляемости дополнительного ударного импульса, что приводит к снижению скорости бурения и стойкости долота, к тому же использование ртути является вредным. But this method and device have the disadvantage of uncontrollability of an additional shock pulse, which leads to a decrease in the drilling speed and bit stability, and the use of mercury is harmful.

Техническим результатом является устранение указанных недостатков, а именно повышение скорости бурения и стойкости долота и улучшение экологичности. The technical result is the elimination of these disadvantages, namely increasing the drilling speed and bit stability and improving environmental friendliness.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе разрушения горных пород ударными импульсами осуществляется путем наложения на ударный импульс, возникающий от действия ударного механизма, дополнительного импульса, создаваемого перемещением тяжелой жидкости в полости поршня ударного механизма, согласно изобретению дополнительный импульс формируют перемещением в полости поршня тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью, причем формированием импульса управляют с помощью внешнего магнитного поля и изменения объема тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью. The technical result is achieved by the fact that in the proposed method of rock destruction by shock pulses is carried out by applying to the shock pulse arising from the action of the shock mechanism, an additional impulse created by the movement of a heavy fluid in the piston cavity of the shock mechanism, according to the invention, an additional pulse is formed by moving in the piston cavity a heavy low viscosity magnetic fluid, the pulse formation being controlled by an external magnetic field and I am the volume of a heavy, low viscosity, magnetoactive fluid.

Технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве для разрушения горных пород ударными импульсами, содержащем породоразрушающий инструмент, ударный механизм, включающий поршень с внутренней полостью заполненной тяжелой жидкостью, согласно изобретению ударный механизм снабжен размещенными в его корпусе электромагнитными обмотками, а поршень выполнен с возможностью изменения объема его внутренней полости и поджат пружиной со стороны породоразрушающего инструмента, причем полость поршня заполнена тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью. The technical result in terms of the device is achieved by the fact that in the device for rock destruction by shock pulses containing a rock cutting tool, a shock mechanism comprising a piston with an internal cavity filled with a heavy liquid, according to the invention, the shock mechanism is equipped with electromagnetic windings located in its body, and the piston is made with the possibility of changing the volume of its internal cavity and is preloaded by a spring from the side of the rock cutting tool, and the piston cavity is filled with a heavy ma nitoaktivnoy low viscosity liquid.

Благодаря этому ударные импульсы, возникающие от действия на породоразрушающий инструмент поршня ударного механизма и порций тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью, расположенных в разных камерах полости ударника, разнесены во времени и отличаются по интенсивности. Поэтому появляется возможность в зависимости от объемов камер, которые могут изменяться с помощью передвижения перегородок, и величины заполнения камер тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью формировать ударные импульсы разной формы, создавать форму импульса, наиболее рациональную для заданного типа разрушаемой породы, в зависимости от типа породоразрушающего инструмента и бурового става, что позволяет повысить стойкость коронок и штанг (бурового става), а также увеличить скорость бурения. Due to this, shock pulses arising from the action of the piston of the shock mechanism and portions of heavy magnetoactive liquid with low viscosity located in different chambers of the drummer cavity are spread in time and differ in intensity. Therefore, it becomes possible, depending on the volumes of the chambers, which can be changed by moving partitions, and the filling of the chambers with a heavy magnetic fluid with low viscosity, to form shock pulses of various shapes, to create a pulse shape that is most rational for a given type of destructible rock, depending on the type of rock destructive tool and drill stand, which allows to increase the resistance of crowns and rods (drill stand), as well as increase the drilling speed.

Способ и устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен прямоугольный ударный импульс, на фиг. 2 - импульс оптимальной формы с экспоненциальным передним фронтом с указанием зон его формирования, на фиг. 3 - показано устройство в разрезе; на фиг. 4 - узел "А", указанный на фиг. 3 (поршень в верхнем положении); на фиг. 5 - узел "А", указанный на фиг. 3 (поршень в нижнем положении), после нанесения удара поршнем по концевой муфте породоразрушающего инструмента. The method and device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a rectangular shock pulse, in FIG. 2 - pulse of optimal shape with an exponential leading edge indicating the zones of its formation, in FIG. 3 - shows a device in section; in FIG. 4 - node "A" indicated in FIG. 3 (piston in the upper position); in FIG. 5 - node "A" indicated in FIG. 3 (piston in the lower position), after striking the piston on the end sleeve of the rock cutting tool.

Способ предназначен для бурения крепких пород при разрушении их породоразрушающим инструментом 1. Устройство установлено на буровой колонне 2 и содержит ударный механизм (например, пневмоударник) 3 с упругим элементом, например пружиной 4 в корпусе 5, выполненный со встроенными электромагнитными обмотками 6 для генерирования электромагнитных колебаний, соединенными с силовым кабелем (не показан). Поршень 7 ударного механизма 3 выполнен полым с наполнением тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8 (например, рабочей жидкостью типа "Полюс" с наполнением металлическими частицами, которая имеет динамический коэффициент вязкости порядка 10^-3 Па•с). Поршень 7 со стороны породоразрушающего инструмента поджат пружиной 4. Поршень 7 может быть изготовлен из немагнитного металла (например, сталь 12Х18Н9). Воздухораспределительный механизм 9 с каналами 10, 11, 12 заставляет поршень 7 совершать возвратно-поступательные движения в корпусе 5.The method is intended for drilling hard rocks when they are destroyed by a rock cutting tool 1. The device is mounted on a drill string 2 and contains a percussion mechanism (for example, a hammer) 3 with an elastic element, for example, a spring 4 in the housing 5, made with built-in electromagnetic windings 6 for generating electromagnetic waves connected to a power cable (not shown). The piston 7 of the impact mechanism 3 is made hollow with filling with a heavy magnetic fluid with a low viscosity of 8 (for example, a working fluid of the "Pole" type filled with metal particles, which has a dynamic viscosity coefficient of the order of 10 ^-3 Pa • s). The piston 7 from the side of the rock cutting tool is preloaded by the spring 4. The piston 7 can be made of non-magnetic metal (for example, steel 12X18H9). The air distribution mechanism 9 with channels 10, 11, 12 causes the piston 7 to reciprocate in the housing 5.

Корпус ударного механизма 5 связан с одной стороны посредством концевой муфты 13, переходника 14 с породоразрушающим инструментом 1, а с другой стороны посредством переходной муфты 15 с буровой колонной 2. Поршень 7 имеет камеры 16, разделенные перегородками 17. The housing of the percussion mechanism 5 is connected on one side by means of an end sleeve 13, an adapter 14 with a rock cutting tool 1, and on the other hand by means of an adapter sleeve 15 with a drill string 2. The piston 7 has chambers 16 separated by partitions 17.

Изобретение характеризуется тем, что бурение производится при формировании не прямоугольного импульса, как это происходит при нанесении одиночного удара (фиг. 1), а импульса Л-образного вида с экспоненциальным, крутым передним фронтом и круто обрывающимся задним (фиг. 2). Это достигается тем, что на ударный импульс, передаваемый поршнем 7 породоразрушаемому инструменту 1, накладывается дополнительный импульс, создаваемый тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8 в камерах 16, взаимодействующей с электромагнитным полем, от обмоток 6 в корпусе 5 ударного механизма 3. The invention is characterized in that the drilling is carried out when forming not a rectangular impulse, as occurs when applying a single blow (Fig. 1), but an L-shaped impulse with an exponential, steep leading edge and abruptly breaking back (Fig. 2). This is achieved by the fact that the shock impulse transmitted by the piston 7 to the rock cutting tool 1 is superimposed by an additional impulse created by a heavy magnetoactive liquid with a low viscosity of 8 in the chambers 16 interacting with the electromagnetic field from the windings 6 in the housing 5 of the shock mechanism 3.

Устройство работает следующим образом. При бурении вертикальных скважин (шпуров) поршень 7 находится в верхнем положении, пружина 4 растянута, воздух через воздухораспределительный механизм 9 и канал 11 поступает в поршневую часть ударного механизма 3 и давит на поршень 7, тяжелая магнитоактивная жидкость с низкой вязкостью 8 в камерах 16 поршня 7 под действием сил тяжести находится внизу камер 16 поршня 7. Во время ускоренного движения поршня 7 вниз тяжелая магнитоактивная жидкость 8 под действием сил инерции уходит в верхнюю часть камер 16 поршня 7, задерживаясь магнитным полем, создаваемым обмотками 6 (фиг. 4). В результате движения поршня 7 вниз происходит сложный удар: сначала на породоразрушающий инструмент 1 (через муфту 13) действует нагрузка посредством сжатия пружины 4, потом ударяет сам поршень 7 своим корпусом, затем происходят "плавные" удары тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8 в камерах 16, причем в каждой из камер 16 (количество камер в поршне 7 может быть различным), имеющих разные объемы и степени заполнения их тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8, моменты начала ударов порцией тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 в нижней камере 16 поршня 7 (зона Б, фиг. 2), порцией тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 в средней камере 16 поршня 7 (зона В, фиг. 2) и порцией тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 в верхней камере 16 поршня 7 (зона Г, фиг. 2) разнесены во времени соответственно на величины t1, t2 и t3 относительно момента начала удара корпуса поршня 7 (зона А, фиг. 2). В целом удар характеризуется нарастающим во времени импульсом, усиливаемым действием поля обмоток 6. После удара поршень 7 идет вверх, в исходное положение под действием пружины 4, а также в результате давления снизу воздуха, поступающего по каналу 10 в корпусе 5 ударного механизма 3, канал 10 открывается при перебрасывании воздухораспределительного механизма 9. Далее цикл повторяется. The device operates as follows. When drilling vertical wells (holes), the piston 7 is in the upper position, the spring 4 is stretched, the air through the air distribution mechanism 9 and the channel 11 enters the piston part of the percussion mechanism 3 and presses on the piston 7, a heavy low-viscosity magnetic fluid 8 in the piston chambers 16 7 under the influence of gravity is located below the chambers 16 of the piston 7. During the accelerated movement of the piston 7 down, a heavy magnetoactive liquid 8 under the action of inertia goes into the upper part of the chambers 16 of the piston 7, being delayed by the magnetic field, creating aemym windings 6 (FIG. 4). As a result of the downward movement of the piston 7, a complex blow occurs: first, a load is applied to the rock cutting tool 1 (through the clutch 13) by compressing the spring 4, then it strikes the piston 7 with its body, then “smooth” impacts with a heavy magnetic fluid with a low viscosity of 8 in the chambers 16, moreover, in each of the chambers 16 (the number of chambers in the piston 7 may be different) having different volumes and degrees of filling them with a heavy magnetoactive liquid with a low viscosity of 8, the moments of the onset of shock with a portion of a heavy magnetoactive liquids with low viscosity 8 in the lower chamber 16 of the piston 7 (zone B, FIG. 2), a portion of heavy magnetic fluid with low viscosity 8 in the middle chamber 16 of the piston 7 (zone B, FIG. 2) and a portion of heavy magnetic fluid with a low viscosity 8 in the upper chamber 16 of the piston 7 (zone G, FIG. 2) are spaced in time by t1, t2 and t3, respectively, relative to the moment of the start of the impact of the piston body 7 (zone A, FIG. 2). In general, the impact is characterized by an increasing pulse in time, amplified by the action of the field of windings 6. After the impact, the piston 7 goes up, to its original position under the action of the spring 4, and also as a result of pressure from below the air entering through the channel 10 in the housing 5 of the shock mechanism 3, the channel 10 opens when the air distribution mechanism is thrown 9. Next, the cycle repeats.

Изменение передней формы ударного импульса, необходимое при разрушении пород различной крепости, состава и трещиноватости, производится путем создания дополнительного импульса получаемого при перемещении тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью. Управление дополнительным импульсом осуществляется внешним магнитным полем обмоток 6, а также изменением активного объема тяжелой магнитоактивной жидкости с низкой вязкостью 8 путем изменения объема внутренних камер 16 поршня 7 перемещением перегородок 17 и степени заполнения камер 16 тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью 8. The change in the front shape of the shock impulse, necessary for the destruction of rocks of different strength, composition and fracture, is done by creating an additional impulse obtained when moving a heavy magnetic fluid with low viscosity. The additional pulse is controlled by the external magnetic field of the windings 6, as well as by changing the active volume of the heavy magnetic fluid with low viscosity 8 by changing the volume of the inner chambers 16 of the piston 7 by moving the baffles 17 and the degree of filling of the chambers 16 with a heavy magnetic fluid with low viscosity 8.

Благодаря этому ударные импульсы, возникающие от действия на породоразрушающий инструмент корпуса поршня и порций тяжелой магнитоактивной жидкости, расположенных в разных камерах поршня, разнесены во времени и отличаются по интенсивности. Поэтому в зависимости от объемов камер и степени заполнения камер тяжелой магнитоактивной жидкостью с низкой вязкостью могут формироваться ударные импульсы разной формы. Создание рациональной формы импульса для определенной породы в зависимости от типа породоразрушающего инструмента и бурового става позволяет повысить стойкость коронок, а также увеличить скорость бурения. Due to this, shock pulses arising from the action on the rock cutting tool of the piston body and portions of heavy magnetoactive liquid located in different chambers of the piston are spaced in time and differ in intensity. Therefore, depending on the volume of the chambers and the degree of filling of the chambers with a heavy magnetic fluid 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 stand allows to increase the resistance of the crowns, as well as increase the drilling speed.

Claims

1. The method of destruction of rocks by shock pulses, which consists in superimposing on a shock pulse arising from the action of the shock mechanism an additional impulse created by moving a heavy fluid in the piston cavity of the shock mechanism, characterized in that the additional impulse is formed by moving a heavy magnetic fluid in the piston cavity with low viscosity, and the formation of the pulse is controlled by an external magnetic field and by changing the volume of a heavy magnetic fluid with low viscosity.

2. A device for rock destruction by shock pulses, containing a rock cutting tool, a percussion mechanism including a piston with an internal cavity filled with a heavy liquid, characterized in that the percussion mechanism is equipped with electromagnetic windings located in its body, and the piston is hollow with the possibility of changing its volume the internal cavity and is preloaded by a spring, and the piston cavity is filled with a heavy magnetic fluid with low viscosity.

3. The device according to p. 2, characterized in that the piston cavity is made of several chambers of variable cross-section.