Стартовая буровая площадка для направленного бурения и подготовки к выемке горных пород, полезного ископаемого

Стартовая буровая площадка для направленного бурения и подготовки к выемке горных пород, полезного ископаемого

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способу и устройству, обеспечивающему направленное бурение, подготовку горных пород или полезного ископаемого к выемке путем выполнения шаговой дегазации и позонной физико-химической обработке (ФХО).

Известен способ образования глубоких скважин, патент SU №1121414, 1984 г., с использованием дополнительно проводимой выработки, из которой благодаря конструктивным изменениям бурового станка с перестановкой вертлюга, креплением уплотнителя с рукавом для отвода шлама, дополнительного подсоединения породоразрушающего инструмента, при котором одним буровым ставом бурят скважины из выработки, которая пройдена в центре обуриваемого массива, причем после проходки скважины на полную глубину в одном направлении на другой конец става штанг устанавливают породоразрушающий инструмент и бурят в противоположном направлении соосную скважину без разбора штанг.

Недостатком средств образования глубоких скважин является ограничение области применения, например, в отдельных горно-геологических условиях после бурения длинной скважины присутствуют ситуации, при которых извлечение бурового става затрудняется из-за их заштыбовки и зажатия, а в известной конструкции кроме дополнительных усилий по извлечению, вызванных транспортировкой штыбы в контакте со стенками буровой скважины и буровым ставом, еще дополнительно необходимы усилия для непосредственного бурения в таких же условиях, как извлечение, но в противоположную сторону. Ограничением является уменьшение диаметров буримых скважин из-за размещения в них уплотнителя с отводящими патрубками, что при сложном конструктивном решении приводит к увеличению диаметра скважины из-за необходимости обеспечения через уплотнители с патрубками продвижения и вращения бурового става. Недостатком является и усложнение связи с подачей и вращением бурового става, так как при бурении необходим захват за него с устройством передачи ему вращения, и возможно, наилучшим решением явилось бы присутствие при бурении в противоположную сторону дополнительного забойного вращателя или ударно-поворотного механизма, а эти решения приведут к необходимости увеличения диаметра буримых скважин.

Главным недостатком является то, что известным средством образования глубоких скважин невозможно вести подготовку к выемке полезного ископаемого с выполнением операций шаговой дегазации, извлечение конденсационного метана и позонную физико-химической обработку (ФХО).

Известны буровые станки, имеющие (в зависимости от области их применения) железнодорожный, пневмошинный или гусеничный ход с дистанционным управлением и автоматическим наращиванием бурового става, и все эти отдельные решения могут быть использованы для связи, например, с невращающейся частью предлагаемой стартовой площадки. Известен буровой станок Н60 фирмы «Salzgietter», снабженный гидравлическим устройством для установки штанг (НИИИНФОРМТЯЖМАШ «Угольное и горное оборудование», реферативная информация «Буровое оборудование зарубежных фирм», М., 1973 г. стр.29-31).

Общим недостатком существующих буровых станков, и в частности, Н60, является невозможность проведения шагающей дегазации и позонной ФХО полезных ископаемых и горных пород для подготовки к выемке и др., а также не контролируется загазованность пластов во время их бурения, что затрудняет их применение на таких пластах.

Известен опыт бурения и герметизации скважин для извлечения кондиционного метана с помощью бурения скважин и последующего расширения устья на длину до 15 метров и более, и затем этот участок обсаживается трубами, а кольцевое пространство между ними и стенками скважин заполняется, например, в Великобритании с помощью искусственной смолы, а в Германии - полиуретановой пены.

Недостатком известных средств бурения и герметизации является то, что во время бурения скважин, их расширения и последующего бурения не исключается опасность выброса, а на выполнение процессов подготовки к извлечению кондиционного метана затрачиваются значительные экономические и трудовые затраты (к.т.н. B.C.Забурдяев, к.т.н. Н.И.Устинов, инж. А.С.Пантелеев, инж. И.П.Овсянников, «Опыт бурения и герметизации скважин для извлечения кондиционного метана», журнал «Уголь» 1995 г., стр.48-50).

Цель изобретения - повышение функциональных возможностей и расширение области применения стартовой буровой площадки путем компоновки для необходимых условий ее применения с помощью предлагаемых новых решений и использования при необходимости существующих конструктивных разработок.

Поставленная цель для повышения функциональных возможностей устройства, в частности для снижения незначительных потерь газа непосредственно вокруг скважины, достигается благодаря установке за буровой коронкой на цилиндрической части специальной направляющей подпружиненного с эластичными краями стакана, контактирующего с поверхностью вокруг скважины с превышением ее диаметра не менее чем в 2 раза и выполнением далее специальной направляющей в форме полуцилиндра с каналом для сбора в емкость крупных фракций, керна, а шпиндель снабжен центральным отверстием, связанным с подвижной специальной направляющей, соединенной шлангом для сбора шлама, жидкости в свою емкость, и эти емкости разделены перегородкой с отверстиями и имеют общий патрубок для откачки газа. Благодаря принятой моноблочной системе (в данном случае за один ход домкрата выполняется двойная подвижка бурового става) перемещение подвижной части специальной направляющей с установленным на ней гидромотором, редуктором с электродвигателем и др., передающим вращение шпинделю, и он снабжен дополнительными отверстиями с пазами, согласованными с имеющимися на подвижной части специальной направляющей отверстиями, связанными с пультом управления с помощью патрубков со шлангами. Расширение области применения достигается благодаря установке неподвижной полуцилиндрической части специальной направляющей на поворотном узле, перемещаемом по стойке, и она устанавливается на платформе, обеспечивающей в сторону простирания подготавливаемого к выемке крутого пласта, наклон стойки до угла естественного откоса обрушаемых горных пород, а сама платформа со стойкой имеет рельсовый ход. Для бурения длинных направленных скважин специальную направляющую соединяют с известной конструкцией для размещения наращиваемых буровых штанг.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг.1 изображен общий вид стартовой буровой установки перед началом бурения после наращивания очередной буровой штанги; на Фиг.2 - разрез по А-А на Фиг.1; на Фиг.3 - разрез по вертикали участка Б на Фиг.1; на Фиг.4 и 5 - схема работы моноблочной системы при двойной подаче, извлечении и при наращивании бурового става за один ход штока домкрата; на Фиг.6 - участки сечения продольно перемещаемого узла с согласованием его отверстий с пазами и отверстиями шпинделя с уменьшенным центральным каналом для шлама, жидкости, газа; на Фиг.7 - участки сечения продольно перемещаемого узла со шпинделем с центральным каналом, равным диаметру керна с перепуском продуктов разрушения при бурении в емкость; на Фиг.8 - размещение на платформе с рельсовым ходом стартовой буровой площадки с обеспечением наклона при бурении в сторону простирания пласта на угол (α); на Фиг.9 - схема размещения на неподвижной специальной направляющей известной конструкции для наращивания буровых штанг.

Устройство включает распорную стойку 1 с перемещаемым по ней поворотным узлом 2, связанным в свою очередь со специальной направляющей 3, содержащей (Фиг.2 и Фиг.3) люнет 4 на цилиндрической части 5 (со стороны коронки) и подпружиненный с эластичными краями стакан 6 (с превышением диаметра скважины, шпура не менее чем в 2 раза) с отводящим патрубком со шлангом 7 к распределителю 8 (Фиг.1), и при этом специальная направляющая 3 на своем продолжении (Фиг.2 и Фиг.3) имеет полуцилиндрический участок 9 с каналом 10 и отводящим фартуком с трубой 11 (Фиг.1) для отвода крупных фракций, керна в емкость 12, далее участок 9 связан с перемещаемым по нему (Фиг.4 и Фиг.5) с помощью моноблочной системы 13 (Фиг.4 - перед началом бурения, а Фиг.5 - после окончания бурения), обеспечивающей в данном случае за один ход штока домкрата двойную подачу, узлом 14 (Фиг.4 и Фиг.5) буровых штанг при бурении и их извлечении с установленным на нем редуктором с электродвигателем (гидродвигателем и пр.), и узел 14 имеет патрубки со шлангами 15 от отверстий 16, согласованными с пазами 17 и отверстиями 18, расположенными на поверхности шпинделя 19 (Фиг.7), с уменьшенным внутренним каналом 20 к шлангу 21 (подсоединенному к подвижному узлу 14) для отвода мелких фракций, шлама, жидкости в емкость 22, содержащую перегородку 23 с отверстиями (для перепуска из емкости 12 шлама, жидкости), и емкости 12 и 22 имеют общий отводящий газ патрубок со шлангом 24, а при дегазации опасных при выбросах пластов горных пород, полезного ископаемого канал 10 не предусмотрен, и шпиндель 19 (Фиг.7) снабжен центральным отверстием 25 (равным диаметру поступающего к нему от бурового става керна), связанным со шлангом 26 и емкостью 22.

Для повышения потенциальной возможности и области применения стартовая площадка снабжена на рельсовом ходу платформой 27 (Фиг.8), и она связана со стойкой 28 с имеющимся домкратом 29 с обеспечением наклона стойки 28 на угол (α), и дополнительно специальная направляющая 3 снабжена конструкцией 30 для размещения и наращивания буровых штанг 31 (Фиг.9).

Работу предлагаемой стартовой площадки для направленного бурения с обеспечением повышения функциональных возможностей и расширения области применения с использованием новых предлагаемых решений и известных конструктивных разработок начинают с установки (например, в штреке с распором между кровлей и почвой) известной конструкции распорной стойки 1 с поворотным узлом 2, связанным с предлагаемой специальной направляющей 3 (Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3), с люнетом 4 на цилиндрической ее части участка 5 и размещенным на нем подпружиненным с эластичными краями стакан 6 подвигают к поверхности вокруг шпура, скважины с поджатием благодаря установке стойки 1 на требуемом для этого расстоянии и по имеющемуся на стакане 6 патрубку со шлангом 7 откачивают газ с поверхности шпура, скважины (с превышением их диаметра не менее чем в два раза) к распределителю 8 (используют при необходимости вакуум-насос, управляемый от распределителя 8), и для бурения известные буровые штанги укладывают в специальную направляющую 3 в полуцилиндрическом участке 9 с каналом 10, а по нему и связанному с ним фартуком с трубой 11 ведут перепуск крупных фракций, керна в емкость 12 (во время бурения при наращивании буровых штанг и во время их извлечения), и выполняют подачу буровых штанг при бурении и извлечении их моноблочной системой с тросовым полиспастом 13 (Фиг.4 и Фиг.5), и обеспечивают за один ход штока домкрата двойную подвижку узла 14 (Фиг.1 и Фиг.6) с размещенным на нем гидродвигателем, редуктором с электродвигателем и др., и передают вращение шпинделю 19 с уменьшенным центральным отверстием 20, и по нему отводят по патрубку со шлангом 21 мелкие фракции, жидкость, газ в емкость 22, имеющую с отверстиями перегородку 23 между соседней емкостью 12, а для известных отверстий буровых штанг с отверстиями шпинделя 19, и выполняют связь по выполненным в нем дополнительным отверстиям 16 с пазами 17 и их согласуют с отверстиями 18 на узле 14 с соединенными с ним с помощью патрубков со шлангами 15, и распределителем 8 управляют необходимыми процессами направленного бурения, дегазации и подготовкой при необходимости к выемке горных пород, полезного ископаемого, а для дегазации их с большим газовыделением ведут бурение известными способами и средствами, но разрушаемые крупные фракции, керн, шлам, жидкость доставляют (Фиг.7) по специально выполненному в шпинделе 19 центральному каналу 25 (диаметром не менее диаметра керна) и от него по шлангу 26 их перепускают в емкость 22 и отделяют мелкие фракции, шлам, жидкость с помощью отверстий на перегородке 23, а общий газ из этих емкостей 12 и 22 откачивают к распределителю 8 с помощью патрубков со шлангами 24.

Для повышения потенциальной возможности и области применения стартовой площадки (Фиг.8) ее устанавливают на платформе 27 с рельсовым или другим ходом и стойку 28 (аналогичную стойке 1 или их др.) с помощью, например, домкрата 23 ее наклоняют по простиранию под углом (α) естественного откоса обрушаемых горных пород, полезного ископаемого и дополнительно к специальной направляющей 3 (Фиг.9) подсоединяют известную конструкцию 30 наращивания буровых штанг 31.

Предлагаемые новые решения с использованием при необходимости известных конструкторских разработок позволяют вести направленное бурение длинных скважин без средств и методов борьбы с пылью даже при сухом бурении без использования промывочной жидкости и с максимальным извлечением газа, например, метана, в сравнении с существующими отечественными и зарубежными буровыми станками, с применением которых используются дополнительные операции и средства для извлечения газа. А в данном случае от начала забуривания ведется дегазация с последующим «прощупыванием» с помощью шаговой дегазации и возможностью замера изменения газовыделения (по манометрам на пульте управления), а при подходе к опасному скоплению газа при необходимости возможна остановка бурения для откачки газа до состояния естественного газовыделения из пласта, и при этом дополнительная безопасность и эффективность достигается за счет возможности бурения скважин меньшего диаметра, не прибегая к их расширению, благодаря некоторому механическому воздействию на участки стенки скважины при выполнении шаговой дегазации.

Дополнительным фактором повышения эффективности предлагаемого изобретения является обеспечение надежной управляемости всех необходимых процессов, при помощи коммуникационных связей от пульта управления к подвижной части специальной направляющей и от нее к шпинделю с известными отверстиями, согласованными с отверстиями буровых штанг.

Кроме предусмотренной возможности бурения в плоскости по мощности пласта под любым углом, обеспеченной вращением специальной направляющей, связанной с перемещаемым по стойке поворотным узлом, предлагается дополнительный наклон специальной направляющей по простиранию наклонного или крутого пласта с углом (α) естественного откоса, обрушаемых горных пород, полезного ископаемого, и благодаря этому достигается резкое уменьшение его разубоживания при выпуске после позонной ФХО, а для повышения мобильности стартовой буровой площадки предлагается установка ее на платформе с рельсовым или другим ходом, и бурение длинных скважин обеспечивается связкой специальной направляющей с известным устройством для размещения и наращивания буровых штанг, и благодаря этому достигается сокращение времени на их наращивание.

1. Стартовая буровая площадка, содержащая распорную стойку с устройством для крепления и поворота под любым углом к горизонту специальной направляющей с люнетом, моноблочный узел подачи буровых штанг с пазами, связанными с отверстиями шпинделя, получающего вращение от редуктора с электродвигателем или гидродвигателя, распределитель с маслостанцией, вакуум-насос, емкость для сбора шлама с патрубками для отвода газа, конструкцию для дистанционного управления и автоматического наращивания бурового става, отличающаяся тем, что специальная направляющая на концевой части выполнена трубчатой с отверстиями для распорных элементов (люнета) и имеет подпружиненный с эластичными краями стакан, контактирующий с поверхностью вокруг скважины с превышением диаметра не менее чем в два раза, а средняя часть направляющей изготовлена с полуцилиндрическим участком, связанным с ним продольно перемещаемым узлом и размещенным в нем шпинделем с круговыми пазами (овальными), согласованными со своими отверстиями и отверстиями на продольно перемещаемом узле, с закрепленным на нем редуктором с электродвигателем или гидродвигателем, и дополнительно неподвижный полуцилиндрический участок снабжен каналом для сбора крупных фракций, керна в емкость, и шпиндель для выхода мелких фракций, шлама, жидкости, газа имеет уменьшенное центральное отверстие с выходом к шлангу, соединенным с концевой подвижной специальной направляющей и емкостью для сбора этих продуктов разрушения, имеющей перегородку с отверстиями для перепуска мелких фракций, жидкости, шлама из емкости для сбора крупных фракций, керна, и при этом для эффективной дегазации опасных по выбросам пластов горных пород, полезного ископаемого в неподвижной части специальной направляющей канал не предусмотрен, а шпиндель снабжен центральным отверстием, равным диаметру поступающего из бурового става керна.

2. Площадка по п.1, отличающаяся тем, что для повышения потенциальной возможности и расширения области применения стартовая буровая площадка установлена на платформе с рельсовым ходом с обеспечением наклона распорной стойки для бурения в сторону простирания крутого пласта до угла (α) естественного откоса обрушаемых горных пород и дополнительно неподвижная специальная направляющая снабжена конструкцией для размещения и наращивания буровых штанг в процессе бурения.