CC BY
87
УДК 621.23.05
УПРАВЛЯЕМЫЙ ПНЕВМОПРОБОЙНИК
Борис Николаевич Смоляницкий
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Егор Дмитриевич Тимофеев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected].
Рассматривается возможность автономного перемещения пробойника в грунтовом массиве, приведена конструктивная схема макетного образца АПУ.
Ключевые слова: бурение, автономный пробойник, направленное бурение.
CONTROLLABLE PNEVMOHAMMER DRILL
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng. Prof, Head of Mining and Construction Equipment Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Egor D. Timofeev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Under discussion is feasibility of self-dependent motion of a hammer drill in soil. Construction diagram of a self-dependent hammer drill breadboard is presented.
Key words: drilling, self-dependent hammer drill, directional drilling.
Бурение протяженных скважин - важнейшая составляющая технологий разработки месторождений полезных ископаемых как подземным, так и открытым способами. Дальнейшее развитие этого способы проходки ограничивается наличием штанг [2] для передачи породоразрушающему инструменту крутящего момента и напорного усилия.
Чтобы преодолеть эти ограничения, предлагается создать автономный проходчик. Такого рода устройств в настоящее время не существует ни в России, ни за рубежом, есть похожие аналоги, о которых мы попытаемся рассказать [1].
Для проходки скважин в не уплотняемых прочных горных породах в 1947 г. А.В. Войниловичем и Б.М. Бычковым было заявлено устройство для автоматической подачи перфоратора в скважине [3], которое отличалось размещенным в его передней части тормозом, предназначенным для предотвращения движения перфоратора в направлении от забоя. Устройство продвигалось на забой скважины под воздействием ударных импульсов, воспринимаемых породораз-
рушающим инструментом и корпусом с тормозом. Тормоз представлял собой разрезной пружинный цилиндр, который распирался в скважине и оставался в ней при извлечении устройства на поверхность.
Подобный принцип действия тормоза в 1958 г. был заложен в конструктивную схему бесштангового погружного перфоратора ударно-поворотного действия для проходки скважин В.И. Малышевым, А.И. Васильевым и В.И. По-годаевым [4] (рис. 1). В дополнение к нему появился еще один тормоз, расположенный в задней части корпуса перфоратора и представляющий собой ряд пластинчатых зубчатых секторов, поджимаемых к стенке скважины центрально расположенной винтовой пружиной.
Рис. 1. Бесштанговый перфоратор
В 1957 г. В.А. Селезневым, Л.Я. Сазоновой, А.И. Комаровой и в 1964 г. Г.Л. Коваль и П.И. Сидоренко [5] были разработаны автоматические подающие устройства шагающего типа для бесштанговых буровых снарядов, которые содержали опорные элементы тормозов в виде пневматических фонарей, рис. 2.
Рис. 2. Бесштанговый снаряд поворотного действия
В 1968 г. сотрудниками ИГД СО АН СССР Н.С. Лавровым, Ю.М. Волковым и П.Э. Мальбертом были заявлены две конструктивные схемы бесштанговых снарядов вращательного действия для образования скважин в твердом грунте с выносом продуктов разрушения от забоя [5], которые отличались от ранее известных особой компоновкой подающего механизма и бурового инструмента. Одна из этих схем показана на рис. 3.
В 1979 г. в ИГД СО АН СССР Э.П. Варнелло создал опытный образец бурового бесштангового пневмоударного снаряда БПП-1А (рис. 4) для проходки скважин в угле и других горных породах с коэффициентом крепости по
М.М. Протодьяконову до 3. Снаряд содержал корпус, внутри которого под действием давления сжатого воздуха ударник совершал возвратно-поступательное движение и наносил удары по породоразрушающему инструменту, а также по передней части корпуса для продвижения снаряда в скважине. В задней части снаряда был выполнен тормоз для предотвращения перемещения корпуса в направлении от забоя. Снаряд БПП-1А с хорошими результатами был испытан на одной из шахт производственного объединения "Южкузбассуголь".
Рис. 3. Бесштанговый снаряд ударно-вращательного действия
Рис. 4. Бесштанговый снаряд ударного действия
Представленный краткий обзор идей и технических решений дает, на наш взгляд, основание говорить о принципиальной возможности создания и доведения до промышленного применения бурового устройства, автономно перемещающегося в породном массиве.
Проблемой, присущей всем механическим способам разрушения горной породы применительно к движению подземной ракеты, является увеличение объема измельченной породной массы. Поэтому необходимы технические решения, предусматривающие уплотнение, либо удаление части разрушенной породы. Известны решения этой проблемы для процесса бурения. Однако, большинство из них не пригодно для транспортировки разрушенной породы на большие расстояния. В связи с этим особый интерес представляет поиск метода физико-химических преобразований вещества геосреды, сопровождающегося уменьшением объема вещества или образованием газа, который может быть удален из скважины простыми способами.
Следующей ключевой проблемой при создании подземных ракет является их энергообеспечение. Вследствие большой энергоемкости рассмотренных выше процессов, необходимо развивать два типа устройств:
1. Автономные устройства.
2. Неавтономные устройства.
Неавтономные устройства могут снабжаться энергоносителем по какому-либо каналу из точки старта. Недостатком таких систем будет являться ограниченный радиус действия. Однако упрощение конструкции при этом играет не последнюю роль, особенно на начальных этапах решения широкого круга задач.
И, наконец, очень важным моментом в выборе принципиальной рабочей схемы устройства является способ управления его движением. При этом управлению подлежит не только направление движения устройства, но, возможно, и способ, которым движение осуществляется. Возможно применение следующих систем обеспечения этой функции:
1. Системы, имеющие канал внешнего управления.
2. Системы, следующие заранее заданной программе.
3. Так называемые «интеллектуальные системы», т.е. способные при необходимости самостоятельно изменять алгоритм работы (можно пояснить примерами).
Тем не менее, выполненный нами обзор идей и технических решений дает основание говорить о принципиальной возможности создания автономно перемещающегося в породном массиве проходчика. Уверенность в этом придают полученные в ИГД СО РАН результаты исследования процесса разрушения массива горных пород, выноса разрушенного материала [4,5] и новые технические решения, позволяющие создать в перспективе высокотехнологичный инновационный продукт - автономно передвигающееся в породном массиве по управляемой траектории проходческое устройство.
АПУ будет состоять из генератора ударных импульсов, передаваемых по-родоразрушающему инструменту, вращаемому вместе с генератором. Крутящий момент целесообразно обеспечить разработанным в ИГД СО РАН импульсным вращателем, имеющим удельные энергетические показатели, значительно превышающие показатели известных аналогов, и не требующего компенсации реактивных сил. Для обеспечения осевого усилия, перемещающего АПУ в грунте предназначен механизм подачи с упором, обеспечивающим восприятие реактивных сил грунтом. Генератор импульсов, вращатель и податчик объединены в единый агрегат, воздействующий на породоразрушающий инструмент. Грунт по трубопроводу, расположенному в скважине и вращающемуся вместе со всем агрегатом, удаляется на поверхность.
В такой постановке последовательность технологических операций по проходке протяженной скважины будет выглядеть следующим образом:
- проходка пионерной скважины пневмопробойником с системой управления траекторией движения в породном (грунтовом) массиве;
- образование окончательной скважины АПУ, перемещающимся в породном массиве по траектории, заданной пионерной скважиной.
Таким образом, можно констатировать, что при создании автономного проходчика придется решать целый ряд серьезных научных задача. В то же время в Институте горного дела СО РАН имеются фундаментальные научные результаты в области нелинейной геомеханики и машиноведения. Специалистами Института были созданы уникальные самодвижущиеся в грунтовой среде пневмоударные механизмы (пневмопробойники), получившие на международном рынке название «русская ракета».
7 6 5 4 3 1 2
Рис. 7. Конструктивная схема макетного образца АПУ: 1 - податчик; 2 - кольцевая опорная мембрана; 3 - расширенная скважина; 4 - вращатель; 5 - ударный механизм; 6 - породоразрушающий инструмент; 7 - грунтоприемная полость;
8 - пионерная скважина
Совместно с НПО «Сапфир» получены и опробованы новые технические решения, обеспечивающие определение с высокой точностью положение движущегося в грунте пневмопробойника. Дальнейшее развитие полученных знаний привело к получению пионерных научных результатов в области создания погружных геологоразведочных пневмоударников с двойной буровой колонной и сквозным шламопроводом. По общему признанию специалистов эти пневмо-ударники явились революционным прорывом в геологоразведочном бурении. Институт горного дела СО РАН совместно с СКБ «Геотехника» (г. Москва») разработали и довели до практического применения комплекс технических средств для разведки россыпных месторождений золота, залегающего в вечно-мерзлых породах Северо-Востока России, и урановых месторождений.
Все это свидетельствует о потенциальной готовности ученых ИГД СО РАН обосновать и выполнить проект по созданию автономно перемещающейся в верхней части земной коры - своего рода «подземном космосе» - управляемой ракеты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Oparin V.N., Smolyanitsky B.N. Promote efficiency of drilling equipments in tunneling and drilling rocks // Journal of Lioning Technical University (National Science). - 2009. - Vol. 28. -№ 3. pp. 445-449.
2. Опарин В.Н., Данилов Б.Б., Смоляницкий Б.Н. Обоснование принципов построения конструктивной схемы «подземной ракеты». // ФТПРПИ. - 2010. - № 3.
3. А.В. Войнилович, Б.М. Бычков. Устройство для автоматической подачи перфоратора в шпуре или скважине. Авторское свидетельство на изобретение (СССР) № 72531, БИ № 9. -1948.
4. Малышев В.И., Васильев А.И., Погодаев В.И. Погружной перфоратор для бурения скважин. Авторское свидетельство на изобретение (СССР) № 115474, БИ № 10. - 1958.
5. Варнелло Э.П., Каменский В.В. Схемы и конструкции бесштанговых снарядов для проходки скважин в горных породах. Пневматические ударные машины // Сборник научных трудов ИГД СО АН СССР. Новосибирск: Изд-е ИГД СОРАН. - 1980.
© Б. Н. Смоляницкий, Е. Д. Тимофеев, 2015
